Биология

Калейдоскоп беломорских открытий

Там, где линия Полярного круга пересекает карельский берег Белого моря, притаился небольшой научный поселок - Биологическая станция МГУ им. М. В. Ломоносова. Тысячи отечественных ученых прошли здесь в студенческие годы школу серьезных исследований и навеки влюбились в природу Севера. За 70 лет существования стационара молодые люди и преподаватели выявили множество видов живых организмов (от бактерий до высших животных и растений). В мире насчитывается всего несколько участков со столь полным описанием биоты, в России он - единственный.

Образец удивительного биоразнообразия

Основатель Беломорской биостанции, видный советский океанолог, заведующий кафедрой зоологии беспозвоночных биологического факультета МГУ академик Лев Зенкевич (1889 - 1970) и его соратники не сомневались: обучение должно реализовываться через исследование. Поэтому экспедиции, отправленной в 1938 г. на поиски места для будущего стационара, надлежало выбрать на побережье участок с богатой фауной. Насколько успешно была решена эта задача, подтверждает вышедший в 2008 г. каталог биоты, описанной студентами, преподавателями и научными сотрудниками в разные годы: он насчитывает 6008 видов! Подготовка издания началась еще в середине 1990-х годов по инициативе кандидата биологических наук Натальи Калякиной, при активном участии кандидата биологических наук Екатерины Бубновой и доктора биологических наук Алексея Чесунова. В составленном ими списке 46 видов бактерий, 104 цианобактерий, 462 нефотосинтезирующих простейших, 816 грибов и грибоподобных (в том числе несколько отделов организмов, в просторечии называемых слизевиками), 168 лишайников, 1413 водорослей, 650 высших растений, 2349 многоклеточных животных (включая 823 вида насекомых и 230 позвоночных). На участке карельской земли площадью примерно 40 км, составляющем 0,0000078% поверхности нашей планеты, сосредоточено 0,34% всего ее видового разнообразия!

С первых же дней работы станции студентов вовлекают в научные изыскания и они становятся хозяевами. Вместе с преподавателями путешествуют по берегам, тралами скоблят морское дно, отбирают пробы. Затем в лабораториях определяют названия пойманных организмов. Водолазы поднимают со дна мешки с грунтом и редкими образцами. Опубликованы тысячи статей, выполнено множество научных работ, в том числе сотни диссертаций. А накопленные сведения об организмах, живущих в море, на побережье, в пресных водоемах и на суше, позволяют расширить наши представления о природе Беломорья.

Сравнение здешней биоты со списками других северных территорий и акваторий показало: местные фауна и флора описаны достаточно полно, особенно водоросли и грибы. По числу их видов наш участок лидирует на территории бывшего СССР. Собраны сведения о сосудистых растениях. Из 34 типов многоклеточных животных, известных мировой науке, в исследованном районе зарегистрированы представители 22 типов. Оказалось, здесь на небольшой акватории сосредоточено около 61% фауны всего Белого моря.

За годы работы здесь обнаружены и описаны 104 новых для науки вида. В большинстве это микроскопические многоклеточные животные, относящиеся к слабо изученной категории морской мейофауны (т.е. организмов размером 0,1 -2 мм), - свободноживущие нематоды (25 видов) и ракообразные (23 вида, преимущественно из подкласса Copepoda отряда Harpacticoida). Кроме того, выявлены 17 видов инфузорий, 6 солнечников*, 5 грибов (включая грибоподобные организмы), 5 грегарин (сюда входят некоторые одноклеточные паразиты беспозвоночных), 4 вида фораминифер**, столько же полихет (многощетинковых червей) и бактерий, 3 вида морских моллюсков, по 2 у энтопрокт (морских прикрепленных щупальцевых организмов), зеленых водорослей и высших растений, а также по одному виду у киноринх*** и коловраток.

Среди упомянутых существ не только представители новых родов и семейств, но и необычные жизненные формы. К примеру, загадочные планктонные ракообразные - фасетотекты Hansenocaris: у них нашли только личинки, взрослая же стадия пока неизвестна. Или нематоды, паразитирующие в фораминиферах - уникальный случай, когда многоклеточный организм живет внутри одноклеточного. И почти каждый год мы продолжаем перечень открытий.

Удобные жизненные стратегии новых видов

В 1985 г. исследователь морских кольчатых червей Александр Цетлин (ныне доктор биологических наук, с 2005 г. директор биостанции) обнаружил неизвестных паразитических животных, прикрепленных к полихетам Laonice. При детальном описании оказалось: это тоже полихеты, только семейства Spionidae. Однако охарактеризовать их подробнее не удалось, поскольку загадочные существа долго не попадались на глаза, и лишь в 2001 г. в пробах вновь обнаружили отдельные их экземпляры. Студентка Елена Ворцепнева изучила их строение и пришла к выводу, что они относятся к роду Scolelepis указанного семейства спионид. При исследовании ультратонких срезов (0,2 мкм) под электронным микроскопом установлено: наружный покров паразита и хозяина полностью сливаются, и сосуды под кожей переплетаются подобно плаценте млекопитающих, в которой питательные вещества передаются непосредственно через стенки капилляров от матери к плоду. Возможно, "присосавшийся" организм действительно кормится подобным способом? Однако озадачивало то, что в данной категории лишь самцы, в роли "жертвы" выступают только самки, а поодиночке они никогда не встречались. Что если мы наблюдаем не отдельный вид, а карликовых паразитических самцов? Среди многощетинковых червей подобное встречается крайне редко.

Самый надежный способ проверки - сравнение ДНК. Молекулярный анализ показал: последовательности нуклеотидов в изученных генах хозяина и паразита практически идентичны. Но, может быть, последний - не самостоятельный организм, а продукт почкования материнской особи? (Это явление известно у некоторых полихет.) Дополнительные исследования все же позволили выявить небольшие различия ДНК - а значит, верна первоначальная гипотеза.

Неохотно раскрывают свои тайны беломорские воды, где круглый год царит арктический холод, температура даже летом не поднимается выше 0°С. Однако в 2002 г. доктор биологических наук Алексей Чесунов с аспирантом Павлом Корневым (МГУ) и кандидатом биологических наук Павлом Рыбниковым из Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН при обследовании мейобентоса**** глубоких районов обнаружили два вида микроскопических паразитических рачков тантулокарид. Раньше их не встречали ни в Белом, ни в других отечественных морях, что неудивительно: уж очень малы эти существа. Они паразитируют на других крошечных (1 - 2 мм) рачках из отрядов Harpacticoida и Tanaidaceae, будучи в момент прикрепления мельче ножки "хозяина".

Для расселения и поиска новой жертвы у этих животных есть личинка, называемая тантулюс. Из всех стадий жизненного цикла она больше всего соответствует образу рачка за исключением размеров - около 100 мк. Прикрепившись к хозяину, микроскопическое существо меняет облик, становясь похожим на мешок, и вырастает, хотя, даже повзрослев, редко достигает 0,5 мм. В дальнейшем возможны различные пути его развития. Один - превращение в партеногенетическую***** особь, которая не нуждается в оплодотворении и откладывает яйца внутри мешковидного тела. Другой - формирование самца, некоторое время сохраняющего связь со старой оболочкой через ниточку-пуповину. Затем он отрывается и выходит из мешка во внешнюю среду. Наконец - развитие самки, способной к половому размножению. Она также выбирается на волю. В любом случае из яиц, полученных от партеногенетических особей или слияния яйцеклеток со сперматозоидами, вновь развиваются тантулюсы, ищущие жертву, чтобы проколоть стилетом ее покровы, вонзить в рану хоботок и с помощью клейкого вещества прикрепиться к хозяину.

Доктор биологических наук Григорий Колбасов с аспиранткой Александрой Савченко изучили с помощью электронного микроскопа тонкости строения тантулокарид и все исследователи, занимающиеся на биостанции данной проблемой, пришли к единому выводу: выявлены новые виды. Одного рачка назвали Microdajus tchesunovi - по фамилии одного из первооткрывателей, другого - Arcticotantulus pertzovi - в честь Николая Перцова, руководившего биостанцией 36 лет.

Зимние и летние сюрпризы

Белое море потому и получило такое название, что с ноября по май одето ледовым покровом, прячущим его обитателей от морозного зимнего воздуха. Некоторые представители местной фауны и флоры находят пристанище и внутри спасительного "панциря", в частности, здесь активно развиваются водоросли. Кроме того, по данным сотрудника биостанции Кирилла Соколова, над литоралью и мелководьем лед населен множеством животных из донного грунта, а над более глубокими местами Чесунов обнаружил свободноживущих круглых червей Theristus melnikovi и Cryonema crassum, прежде встречаемых только в зоне дрейфующих льдов на высоких арктических широтах, отделенных от Белого моря примерно тысячей километров океана. Вместе с аспиранткой Дарьей Портновой ученый описал еще один новый вид Hieminema obliquorum, весьма многочисленный возле биостанции.

Круглые черви (нематоды), как правило, населяют узкие ходы в толще субстрата - капиллярные щели между песчинками, полости в тканях растений. Пористая нижняя поверхность льда, оказывается, им тоже подходит. И пищи там достаточно: солнечного света, проникающего сквозь этот "экран", хватает для развития микроскопических водорослей, а на них выстраивается целая экосистема, где есть место и растительноядным организмам, и хищникам - в данном случае нематодам. Удивительно, что эти существа встречаются в районе биостанции лишь зимой и только во льду. Где и как они проводят лето, пока неизвестно. Интересно было бы узнать, есть ли связь между популяциями Белого моря и Северного Ледовитого океана, или первые - географический изолят? Могут ли животные размером около 1 мм, лишенные конечностей и других приспособлений для плавания, преодолевать расстояния в тысячи километров?

Недавно прикрепившийся тантулюс мельче ножки "хозяина".

Фото под сканирующим электронным микроскопом П. Корнева

Прикрепившись к хозяину, рачок меняет облик.

Рис. Г. Колбасова

Летом маленькие обитатели дна действительно путешествуют с морскими течениями. Мы обнаружили: в акватории вокруг нашего стационара есть места, где в безледный период в толще воды постоянно встречаются донные нематоды. Чтобы понять, как они туда попадают и какова их дальнейшая судьба, понадобилось определить видовую принадлежность. Как выяснилось, для червей, способных жить только на литорали, оказаться вдали от берега - событие трагическое. Вероятность, что течение "доставит" их обратно, мизерна. Мне довелось наблюдать катастрофический вынос литорального мейобентоса в море после грозового ливня, пришедшегося на отлив: в воде, за пределами привычного местообитания, оказалось множество рачков-гарпактицид, нематод, ракушковых рачков, образовавших густую взвесь примерно такой же плотности, как у мелководного зоопланктона. Для прибрежных рыб настал час роскошного пира. Кстати, нематоды из сублиторали (их немало в планктоне) тоже попадают в водную среду, извлеченные из легко взмучиваемого грунта быстрыми течениями.

Некоторые виды оказались завзятыми пловцами - это мелкие черви Desmodora communis, Timmia acuticauda, Draconema sp. длиной около 1 мм и личинки относительно крупных Enoplus communis. Зарубежные исследователи отмечали склонность названных существ к путешествиям и в других морях. Иначе говоря, далеко не все нематоды следуют донному образу жизни. Наблюдения за характером их движения в чашке с морской водой под микроскопом показали: некоторые виды способны активно и быстро перемещаться, резко сгибая и разгибая тело. Не исключено, что дальние морские вояжи для них не представляют большой проблемы.

"Властная верхушка"

Возле биостанции обитает свыше 30 видов гидроидных полипов. Особенно велико их разнообразие на стремнине между материковым берегом и двумя небольшими островками - Большим и Малым Еремеевскими. Много лет изучением этих колониальных животных из типа стрекающих (так теперь принято называть кишечнополостных) руководит доктор биологических наук Николай Марфенин (профессор кафедры зоологии беспозвоночных биологического факультета МГУ).

Колония кишечнополостных, по сути, "сверхорганизм", функционирующий иначе, нежели особь обычного животного. Это - сложная система из полипов, утративших самостоятельность и превратившихся в органы добычи пищи, своего рода "рты". Самодостаточной функциональной единицей у гидроидов служат фрагменты колонии, в которых есть три обязательных компонента: полип (или веточка с несколькими полипами), корневище-столон - система распределения пищи, а также верхушка роста. В отличие от растений, размножение клеток происходит не на самом кончике побега, а на некотором расстоянии от него. В данном участке клетки пребывают в активном движении, в связи с чем он каждые несколько минут то увеличивается в размерах, то "спадается". Периодичность пульсаций зависит от вида животного и температуры среды. В результате каждого такого цикла колония немного удлиняется.

Механизм действия верхушки роста до последнего времени оставался загадкой, хотя зоологи давно выяснили: именно эти, внешне похожие полусферические точки отвечают за размер и форму колоний, чье многообразие, с конфигурацией отдельных побегов и особенностями расположения особей-зооидов, поражает воображение. Что же отличает "властные верхушки" друг от друга? В первую очередь - геном. Однако ученым хотелось разобраться в деталях происходящего.

Из всех беломорских гидроидов модельными объектами суждено было стать динамене (Dynamena pumila) и трем обелиям (Gonothyraea (Obelia) loveni, Obelia geniculata, Obelia longissima). Первая особенно интересна: ее побег напоминает колос с парами "зерен" - зооидов, расположенных напротив друг друга вдоль общей оси. По мере его роста верхушке приходится то работать на удлинение, то отпочковывать по бокам зооиды, для чего она делится на три части: одна, центральная, продолжает рост побега, две боковые дают начало кормящим особям. Этот момент и заинтересовал исследователей: как ведут себя клетки верхушки, когда из одной образуется три?

Прежде считалось, что такое разделение происходит за счет изменения кривизны мягких тканей: возникают три выпуклости, и каждая начинает пульсировать независимо. Заведующий лабораторией биологии развития животных биологического факультета МГУ, кандидат биологических наук Игорь Косевич и его аспирант Александр Федосов изучили этот процесс, рассмотрев под электронным микроскопом продольные и поперечные срезы верхушки на разных стадиях деления. Они обнаружили: очень важную роль играет внешний хитиновый скелет - пери-сарк, покрывающий всю поверхность колонии, включая точку роста. У данной оболочки есть только один податливый участок - свежий хитин на самой верхушке. И секрет изобилия форм побегов - в разной скорости его отвердевания. На тех крошечных участках, где процесс протекает быстрее, хитин "работает" как ограничитель растяжения, в остальных же возможно возникновение выпуклости. Кроме того, отделению боковых почек способствуют хитиновые гребни у основания верхушки роста, становящиеся со временем перемычками между стеблем и зооидами.

Благодаря описанному открытию стало понятно, в каком направлении следует вести дальнейший поиск механизмов формообразования колоний. Теперь нужно найти вещество, отвечающее за отвердение перисарка, и разобраться, как регулируется его секреция.

Я рассказала лишь о малой части изысканий, возможных благодаря работающей круглый год биостанции на берегу Белого моря. Так, в последнее время у нас активно развивается микология, или изучение биологического разнообразия и жизненных циклов микроскопических морских грибов - важнейших участников биологического круговорота, ответственных за утилизацию органики. Аспирантка Ольга Коновалова исследует особенности беломорских бурых водорослей, представляющих собой "лишайники наоборот", где в роли хозяина выступает собственно водоросль, а внутри нее селится грибной мицелий. Итогов этой работы с нетерпением ждут специалисты.

Предмет особой гордости биостанции - лаборатория молекулярной зоологии, недавно созданная совместными усилиями нашей сотрудницы Татьяны Неретиной и кандидата биологических наук Николая Мюге из Института биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН. Эта лаборатория должна стать площадкой для международного проекта по "баркодингу" - составлению коллекции последовательностей ДНК обитателей Белого моря, чтобы по этому своеобразному "штрих-коду" можно было определять видовую принадлежность образца, а также быстро оценивать биологическое разнообразие экосистемы без помощи специалистов-систематиков.

В конце 2009 г. Беломорская биостанция получила статус научно-образовательного центра. Теперь она доступна не только для профильных, но и междисциплинарных практик, где могут трудиться студенты разных факультетов. Здесь предстоит открыть магистерскую программу обучения по специальности "Морская экология". Кстати, до сегодняшнего дня ни МГУ, ни другие отечественные вузы таких специалистов не готовили. Не случайно поток заявок от желающих работать на Беломорской биостанции МГУ растет год от года.

* Солнечники - группа простейших, включающая несколько таксонов хищных и всеядных амебоидных организмов, с шаровидным телом диаметром до I мм и нитевидными радиальными отростками (прим. авт.).

** Фораминиферы - простейшие из надтаксона Rhizaria (прежде относимые к корненожкам). Их тело размером 0,1 - 1 мм, редко до 20 см, заключено в склеенную из песчинок известковую раковину (прим. авт.).

*** Киноринхи - класс червей типа Scalidophora (прежде их относили к типу немательминтов) длиной 0,2 - 1 мм, обитают на морском дне на глубине до 400 м (прим. авт.).

**** Мейобентос - организмы размером 0,1 - 2 мм, обитающие в грунте на дне водоемов.

***** Партеногенез - одна из форм полового размножения организмов, при которой женские половые клетки развиваются без оплодотворения.

Кандидат биологических наук Елена КРАСНОВА, научный сотрудник Беломорской биологической станции им. Н. А. Перцова Московского государственного университета им. М. В, Ломоносова