Ecological Biochemical Adaptations in Aquatic Organisms

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The general ideas regarding ecological biochemical adaptations in aquatic organisms based on the results obtained by using a set of field and experimental methods over decades of research on members of marine and freshwater fish fauna and on their food items (molluscs, crustaceans) carried out by the Ecological Biochemistry Think Tank team. Examples of biochemical adaptations in aquatic organisms are provided. Certain conclusions are drawn regarding the common and specific pattern of metabolic adaptive response in the studied organisms growing and developing under normal conditions and upon changes in the environment. The results improve our understanding of the mechanisms behind ecological biochemical adaptations and their role in maintaining homeostasis in aquatic organisms.

About the authors

N. N. Nemova

Institute of Biology of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nnnemova@gmail.com
Russia, 185910, Petrozavodsk, 11 Pushkinskaya St.

References

  1. Баррет А.Дж., Хит М.Ф. Лизосомальные ферменты // Лизосомы. Методы исследования. М.: Мир, 1980. С. 25–56.
  2. Биота северных озер в условиях антропогенного воздействия / Под ред. Н.Н. Немова и др. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2012. 230 с.
  3. Болдырев А.А. Биологические мембраны и транспорт ионов. М.: МГУ, 1985. 207 с.
  4. Высоцкая Р.У., Буэй Е.А., Лайус Д.Л. Активность лизосомальных ферментов в органах колюшки трёхиглой из разных биотопов Кандалакшского залива Белого моря в период нереста // Труды КарНЦ РАН. Экспериментальная биология. 2019. № 6. С. 44–56.
  5. Гублер Е.В., Генкин А.А. Применение непараметрических критериев статистики в медико-биологических исследованиях. Л.: Мед. 1973. 141 с.
  6. Дятловицкая Э.В., Безуглов В.В. Липиды как биоэффекторы // Биохимия. 1998. Т. 63. Вып. 1. С. 3–5.
  7. Канцерова Н.П., Лысенко Л.А., Крылов В.В. Специфичность действия некоторых химических и физических факторов на кальцийзависимые протеиназы тканей беспозвоночных // YoungBiologistScienceWeek 2017. Мат. междун. конф. Петрозаводск, 2017. С. 136–148.
  8. Канцерова Н.П., Тушина Е.Д., Полякова Н.В., Лайус Д.Л., Немова Н.Н. Разнокачественность трехиглой колюшки (Gasterosteusaculeatus) Белого моря в начале нереста по активности кальций-зависимых протеиназ и популяционным характеристикам // Труды КарНЦ РАН. 2018. № 5. С. 79–88.
  9. Карамушко Л.И. Биоэнергетика рыб северных морей. М.: Наука, 2007. 56 с.
  10. Колб В.Г. Клиническая биохимия / Под ред. В.Г. Колба, В.С. Камышникова. Минск: Изд-во Беларусь, 1976. 311 с.
  11. Кочетов Г.А. Практическое руководство по энзимологии. М.: Высш. шк., 1980. 272 с.
  12. Крепс Е.М. Липиды клеточных мембран. Эволюция липидов мозга. Адаптационная функция липидов. СПб.: Наука, 1981. 339 с.
  13. Кяйвяряйнен Е.И., Немова Н.Н. Активность Na+/K+-АТФазы в различных органах стерляди (AcipenserruthenusL.) при изменении факторов среды// Труды КарНЦ РАН. 2019. № 6. С. 27–36.
  14. Лукьяненко В.И. Экологические аспекты ихтиотоксикологии. М.: Агромпромиздат, 1987. 240 с.
  15. Лысенко Л.А., Канцерова Н.П., Тушина Е.Д., Полякова Н.В., Лайус Д.Л. Разнокачественность трехиглой колюшки (Gasterosteus aculeatus) Белого моря в начале нереста по активности кальций-зависимых протеиназ и популяционным характеристикам // Труды КарНЦ РАН Сер. Экологические исследования. 2018. № 5. С. 79–88.
  16. Лысенко Л.А., Немова Н.Н., Канцерова Н.П. Протеолитическая регуляция биологических процессов. Петрозаводск: КарНЦ РАН. 2011. 482 с.
  17. Моисеенко Т.И. Водная экотоксикология: теоретические и прикладные аспекты. М.: Наука, 2009. 400 с.
  18. Мурзина С.А. Роль липидов и их жирнокислотных компонентов в эколого-биохимических адаптациях рыб северных морей: автореферат дисс. … док.биол. наук. М., 2019. 45 с.
  19. Мурзина С.А., Нефедова З.А., Немова Н.Н. Влияние жирных кислот (маркеров пищевых источников рыб) на механизмы адаптации в условиях высоких широт (Обзор) // Труды КарНЦ РАН. Экспериментальная биология. 2012. № 2. С. 18–25.
  20. Мурзина С.А., Нефедова З.А., Пеккоева С.Н. Вариации некоторых показателей липидного метаболизма у молоди колюшки (Gasterosteus aculeatus L.) из разных биотопов Кандалакшского залива Белого моря // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2017. № 8. С. 169–180.
  21. Мурзина С.А., Нефедова З.А., Пеккоева С.Н., Веселов А.Е., Ефремов Д.А., Руоколайнен Т.Р. Динамика содержания липидов и жирных кислот на ранних стадиях онтогенеза горбуши Oncorhynchus gorbusha (Walbaum, 1792) в естественных условиях (река Индера, Кольский п-ов). Онтогенез. 2019. Т. 50. № 4. С. 237–246.
  22. Мурзина С.А., Нефёдова З.А., Пеккоева С.Н., Лайус Д.Л., Немова Н.Н. Жирные кислоты колюшки трехиглой (Gasterosteusaculeatus) Белого моря // Прикладная биохимия и микробиология. 2019. Т. 55. № 1. С. 93–97.
  23. Мурзина С.А., Нефедова З.А., Руоколайнен Т.Р., Васильева О.Б., Немова Н.Н. Динамика содержания липидов в процессе раннего развития пресноводного лосося Salmo salar L. // Онтогенез. 2009. Т. 40. № 3. С. 208–214.
  24. Мурзина С.А., Пеккоева С.Н., Чурова М.В., Нефедова З.А., Филиппова К.А., Фальк-Петерсен С., Немова Н.Н. Суточная динамика липидов и жирных кислот и активность ферментов энергетического и углеводного обмена у молоди лептоклинуса пятнистого Leptoclinus maculatus (Fries, 1838) разных стадий развития в условиях полярной ночи // Онтогенез. 2020. Т. 51. № 2. С. 143–153.
  25. Назарова М.А. Липидный состав ткани радужной форели Parasalmo mykiss (Walbaum, 1992), выращенной на различных комбикормах: автореф. дис. … канд. биол. наук. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН. 2014. 23 с.
  26. Назарова М.А., Васильева О.Б., Немова Н.Н. Сезонные изменения липидного состава тканей радужной форели Parasalmo mykiss (Walbaum, 1792), выращенной на различных кормах // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Сер. Биологические науки. 2017. № 6(167). С. 12–20.
  27. Немова Н.Н., Высоцкая Р.У. Биохимическая индикация состояния рыб. М., Наука, 2004. 215 с.
  28. Немова Н.Н., Канцерова Н.П., Лысенко Л.А. Особенности белкового метаболизма в скелетных мышцах костистых рыб // Российский Физиологический Журн. им. И.М. Сеченова. 2021. Т. 107. № 6–7. С. 730–754.
  29. Немова Н.Н., Нефедова З.А., Мурзина С.А., Веселов А.Е., Рипатти П.О., Павлов Д.С. Влияние экологических условий обитания на динамику жирных кислот у молоди атлантического лосося (Salmo salar L.) // Экология. 2015. № 3. С. 206–211.
  30. Нефедова З.А., Мурзина С.А., Веселов А.Е., Рипатти П.О., Немова Н.Н. Разнокачественность липидных и жирнокислотных спектров у сеголеток атлантического лосося Salmosalar L., различающихся размерно-весовыми характеристиками // Сибирский экологический журн. 2014. Т. 21. № 4. С. 639–645.
  31. Озернюк Н.Д. Адаптационные особенности энергетического метаболизма в онтогенезе рыб // Онтогенез. 2011. Т. 42. № 3. С. 235–240.
  32. Пеккоева С.Н., Мурзина С.А., Иешко Е.П., Нефедова З.А., Falk-Petersen S., Berge J., Lonne O., Немова Н.Н. Экологические группы арктическо-бореального вида люмпена пятнистого Leptoclinus в процессах роста и раннего развития // Экология. 2018. № 3. С. 225–233.
  33. Пеккоева С.Н., Мурзина С.А., Нефедова З.А., Рипатти П.О., Falk-Petersen S., Berge J., Lonne O., Немова Н.Н. Экологическая роль липидов и жирных кислот в раннем постэмбриональном развитии люмпена пятнистого Leptoclinusmaculatus (Fries, 1838) из Конгсфьорда (о. Западный Шпицберген) в зимний период // Экология. 2017. № 3. С. 186–191.
  34. Сидоров В.С. Экологическая биохимия рыб. Липиды. М.: Наука, 1983. 240c.
  35. Смирнов Л.П., Суховская И.В, Борвинская Е.В., Лайус Д.Л. Изменчивость некоторых показателей антиоксидантной защиты в мускулатуре и печени колюшки трехиглой (Gasterosteusaculeatus) Белого моря в нерестовый период // Труды КарНЦ РАН. 2019. № 12. С. 55–66.
  36. Флеров Б.А. Эколого-физиологические аспекты токсикологии пресноводных животных. Л.: Наука, 1989. 144 с.
  37. Флинт М.В. Биоресурсы арктических морей России: влияние природных изменений и антропогенных воздействий, научные основы и перспективы охраны // Научно-технические проблемы освоения Арктики. М.: Наука, 2014. С. 48–59.
  38. Фокина Н.Н., Бахмет И.Н., Немова Н.Н. Совместное влияние нефти и пониженной солености морской воды на липидный состав гепатопанкреаса беломорских мидий Mytilus edulis // Труды Зоологического института РАН. 2016. Т. 320. № 3. С. 357–366.
  39. Фокина Н.Н., Лысенко Л.А., Руоколайнен Т.Р., Суховская И.В., Канцерова Н.П., Немова Н.Н. Зависимость содержания липидов и ненасыщенных жирных кислот в скелетных мышцах радужной форели от условий выращивания и физиологического состояния рыб. Прикладная биохимия и микробиология. 2020а. Т. 56. № 3. С. 305–312.
  40. Фокина Н.Н., Руоколайнен Т.Р., Бахмет И.Н. Модифицирующий эффект пониженной солености на изменения липидного состава мидий Mytilus edulis L. в ответ на действие никеля // Известия РАН. Сер. биологическая. 2020б. № 6. С. 656–664.
  41. Хочачка П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация. М.: Мир, 1988. 568 с.
  42. Цыганов Э.П. Метод прямого метилирования липидов после ТСХ без элюирования с силикагеля // Лабораторное дело. 1971. № 8. С. 490–493.
  43. Чурова М.В., Мещерякова О.В., Веселов А.Е. и др. Активность ферментов энергетического и углеводного обмена и уровень некоторых молекулярно-генетических показателей у молоди лосося (Salmosalar L.) различающейся возрастом и массой // Онтогенез. 2015. Т. 46. № 5. С. 304–312.
  44. Чурова М.В., Мещерякова О.В., Немова Н.Н. и др. Соотношение роста и некоторых биохимических показателей рыб на примере микижи (Parasalmomykiss Walb.) // Известия РАН. Сер. Биол. 2010. № 3. С. 289–299.
  45. Чурова М.В., Шульгина Н.С., Крупнова М.Ю., Д.А. Ефремов, Немова Н.Н. Активность ферментов энергетического и углеводного обмена у смолтов горбуши Oncorhynchus gorbuscha (Walb.) при изменении солености воды // Известия РАН. 2021. № 5. С. 470–478.
  46. Шатуновский М.И. Экологические закономерности обмена веществ морских рыб. М.: Наука, 1980. 283 с.
  47. Эколого-биохимический статус молоди атлантического лосося Salmosalar L. из некоторых рек бассейна Белого моря. (ред. Немова Н.Н.). Петрозаводск: КарНЦРАН, 2016. 203 с.
  48. Berge J., Renaud P.E., Darnis G., Cottier F., Last K.S., Gabrielsen T.M., Johnsen G., Seuthe L., Wes1awski J.M., Leu E., Moline M.A., Nahrgang J., Søreide J.E., Varpe Ø., Lønne O.J., Daase M., Falk-Petersen S. In the dark: A review of ecosystem processes during the Arctic polar night. Progress in Oceanography. 2015. V. 139. P. 258–271.
  49. Churova M.V., Meshcheryakova O.V., RuchevM. Age- and stage-dependent variations of muscle-specific gene expression in brown trout Salmo trutta L. Comparative Biochemistry and Physiology- Part B: Biochemistry and Molecular Biology // V. 211(4). P. 16–21.
  50. Churova M.V., Shulgina N.S., Nemova N.N. Activity of the Enzymes of the Energy and Carbohydrate Metabolism in the Organs of the Three-Spined Stickleback Gasterosteus aculeatus from Different Biotopes of the White Sea // Doklady Biological Sciences. 2018. V. 482. P. 185–187.
  51. Copeman L.A., Parrich C.C., Brown J.A., Harel M. Effects of docosahexaenoic, eicosapentaenoic, and arachidonic acids on the early growth, survival, lipid composition and pigmentation of yellowtail flounder (Limanda ferruginea): a live food enrichment experiment // Aquaculture. 2002. V. 210. P. 285–304.
  52. Cuesta A., Carrion R.L., Martin del Rio M.P. et al. Salinity influences the humoral immune parameters of gilthead seabream (Sparus aurata L.) // Fish Shellfish Immunol. 2005. V. 18. P. 255–261.
  53. Falk-Petersen S., Hopkins C.E., Sargent J.R. Trophic relationships in the pelagic, arctic food web // Trophic relationships in the Marine Environment. Proceedings of the 24th European Marine Biology Symposium. Aberdeen University Press: Aberdeen, 1990. P. 315–333.
  54. Fokina N.N. et al. Effect of seawater desalination and oil pollution on the lipid composition of blue mussels Mytilus edulis L. from the White Sea // Ecotoxicology and environmental safety. 2014. V. 110. P. 103–109.
  55. Fokina N., Chesnokova I. An integrated approach to assessing the effects of environmental factors on mussels in the Black Sea // KnE Social Sciences. 2022. V. 7. № 3. P. 47–54.
  56. Fokina N., Vasil’eva O., Sukhovskaya I., Kurpe S. Cd and Ni modulate fatty acid composition and oxidative status in the freshwater mussel Anodonta cygnea // Toxicology and Environmental Health Sciences. 2020. V. 12. P. 169–176.
  57. Folch J., Lees M., Sloan-Stanley G.H. A simple method for the isolation and purification of total lipids animal tissue (for brain, liver and muscle) // J. Biol. Chem. 1957. V. 226. P. 497–509.
  58. Hochachka P., Somero G. Biochemical Adaptation: Mechanism and Process in Physiological Evolution. N.Y.: Oxford University Press, 2002. 466 p.
  59. Hop H., Gjosaeter H. Polar cod (Boreogadusaida) and capelin (Mallotusvillosus) as key species in marine food webs of the Arctic and the Barents Sea // Marine biology research. 2013. V. 9. № 9. P. 878–894.
  60. Hop H., Graham M., Trudeau V.L. Spawning energetics of Arctic cod (Boreogadussaida) in relation to seasonal development of the ovary and plasma sex steroid levels // Can. J. Fish. Aquatic Sci. 1995. V. 52. P. 541–550.
  61. Imbs A.B., Vologodskaya A.V., Nevshupova N.V., Khotimchenko S.V., Titlyanov E.A. Response of prostaglandin content in the red alga Gracilaria verrucosa to season and solar irradiance // Phytochemistry. 2001. V. 58. № 7. P. 1067–1072.
  62. Jamieson G.R. GLC-identification techniques for long chain unsaturated fatty acids // Chromatogr. Sci. 1975. V. 13. P. 491–497.
  63. Johansen K.A., Overturf K.Alterations in expression of genes associated with muscle metabolism and growth during nutritional restriction and refeeding in rainbow trout // Comp. Bioch. Physiol. Part B. 2006. V. 144. P. 119–127.
  64. Kaivarainen E.I., Rendakov N.L., Efremov D.A., Nemova N.N. Na+/K+-ATPase activity in smolts of pink salmon Oncorhynchus gorbuscha (Walbaum, 1792) from the White Sea exposed to fresh, estuarine, and sea water // Doklady Biological Sciences. 2021. V. 501. P. 201–205.
  65. Kantserova N.P., Lysenko L.A., Veselov A.E., Nemova N.N. Protein degradation systems in the skeletal muscles of parr and smolt Atlantic salmon Salmo salar L. and brown trout Salmo trutta L. // Fish Physiol. Biochem. 2017. V. 43. № 4. P. 1187–1194.
  66. Kooijman S., Baas G., Bontje D. et al. Ecotoxicological application of dynamic energy budget theory// Ecotoxicology Vodelling: Emerging Topics in Ekotoxicology: Principles, Approaches and Perspectives 2 / Eds. Devillers J. Springers Science + Business Media. LLC. 2009. P. 237–259.
  67. Kraft A., Berge J., Varpe O., Falk-Petersen S. Feeding in Arctic darkness: mid-winter diet of the pelagic amphipods Themisto abyssorum and T. libellula // Marine biology. 2012. V. 160(1). P. 241–248.
  68. Lajus D.L., Golovin P.V., Bakhvalova A.E., Demchuk A.S., Dorgham A.S., Ivanov M.V., Ivanova T.S., Murzina S.A., Polyakova N.V., Rybkina E.V., Yurtseva A.O. Threespine stickleback of the White Sea: population characteristics and role in the ecosystem // Contemp. Probl. Ecol. 2020. V. 13. № 2. P. 132–145.
  69. Lysenko L.A., Kantserova N.P., Kaivarainen H.I., Krupnova M.Ju., Nemova N.N. Skeletal muscles protease activities in the early growth and development of wild Atlantic salmon (Salmo salar L.) // Comp. Biochem. Physiol. B Biochem. Mol. Biol. 2017. V. 211. P. 22–28.
  70. Murzina S.A., Dgebuadze P.Yu., Pekkoeva S.N., Voronin V.P., Mekhova E.S., Nguyen T.H. Thanh. Lipids and Fatty Acids of the Gonads of Sea Urchin Diadema setosum (Echinodermata) From the Coastal Area of the Nha Trang Bay, Central Vietnam // European J. Lipid Science and Technology. V. 123(7). 2000321. https://doi.org/10.1002/ejlt.202000321
  71. Murzina S.A., Pekkoeva S.N., Kondakova E.A., Nefedova Z.A., Filippova K.A., Nemova N.N., Orlov A.M., Berge J., Falk-Petersen S. Tiny but Fatty: Lipids and Fatty Acids in the Daubed Shanny (Leptoclinus maculatus), a Small Fish in Svalbard Waters // Biomolecules. 2020. V. 10. P. 368.
  72. Murzina S.A., Voronin V.P., Churova M.V., Ruokolainen T.R., Shulgina N.S., Provotorov D.S., Tikhonova O.V., Nemova N.N. The Effects of Low-Level Helium–Neon (He–Ne) Laser Irradiation on Lipids and Fatty Acids, and the Activity of Energetic Metabolism Enzymes and Proteome in the Blastula Stage and Underyearlings of the Atlantic Salmon Salmo salar: A Novel Approach in Salmonid Restoration Procedures in the North // Biomolecules. 2022. V. 12. P. 133.
  73. Nemova N.N., Fokina N.N., Nefedova Z.A., Ruokolainen T.R., Bakhmet I.N. Modifications of gill lipid composition in littoral and cultured blue mussels Mytilus edulis L. under the influence of ambient salinity // Polar Record. 2013. V. 49(03). P. 272–277.
  74. Nemova N.N., Kaivarainen E.I., Rendakov N.L., Nikerova K.M., Efremov D.A. Cortisol content and Na+/K+-ATPase activity under adaptation of juvenile pink salmon Oncorhynchus gorbuscha (Salmonidae) to salinity changes // J. Ichthyology. 2021. V. 61. № 5. P. 771–778.
  75. Nemova N.N., Nefedova Z.A., Pekkoeva S.N. et al. The Effect of the Photoperiod on the Fatty Acid Profile and Weight in Hatchery-Reared Underyearlings and Yearlings of Atlantic Salmon Salmo salar L. // Biomolecules. 202. V. 10(6). P. 845.
  76. Pekkoeva S.N., Voronin V.P., Shatilina Z.M., Madyarova E.V., Axenov–Gribanov D.V., Shirokova Y.A., Timofeyev M.A., Nemova N.N., Murzina S.A. Lipid and fatty acid composition of scavenging amphipods Ommatogammarus spp. from different depths of lake Baikal // Limnology. 2021. V. 22(3). P. 299–311.
  77. Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Balabaev N.K, Leermakers F.A.M. Molecular dynamics simulations of hydrated unsaturated lipid bilayers in the liquid-crystal phase and comparison to self-consistent field modeling // Physical Review. E. 2003. V. 67. № 1. P. 011909_1–011909_14.
  78. Shulgina N.S., Churova M.V., Murzina S.A., Krupnova M.Y. The Effect of Continuous Light on Growth and Muscle-Specific Gene Expression in Atlantic Salmon (Salmo salar L.) Yearlings // Life. 2021. V. 11. № 4. P. 328.
  79. Smith L. Spectrophotometric assay of cytochrome c oxidase // Methods in Biochem. Analysis. 1995. V. 2. P. 427–434.
  80. Somero G.N. Protein adaptations to temperature and pressure: complementary roles of adaptive changes in amino acid sequence and internal milieu // Comparative biochemistry and physiology B: Biochem. Mol. Biol. 2003. V. 136(4). P. 577–591.
  81. Voronin V.P., Ruokolainen T.R., Artemenkov D.V., Rolskii A.Y., Orlov A.M., Murzina S.A. Into the Deep: New Data on the Lipid and Fatty Acid Profile of Redfish Sebastes mentella Inhabiting Different Depths in the Irminger Sea // Biomolecules. 2021. V. 11(5). P. 704.

Copyright (c) 2023 Н.Н. Немова

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies