Глава 1. ВОДА-СРЕДА ОБИТАНИЯ РЫБ

ВВЕДЕНИЕ

Первичный океан, в котором зародилась жизнь (примем за основу идею самозарождения жизни на Земле), представлял собой довольно стабильную среду с постоянным химическим составом, температурой, давлением и освещением. Класс рыб на определенном этапе эволюции животного мира стал господствующим. Однако по мере остывания Земли, формирования суши, современной атмосферы часть рыб эволюционировала в наземных обитателей.
Позвоночные вырвались из зависимости от водной среды как среды обитания. С точки зрения эволюции Вселенной класс рыб остался в невыгодном положении и обречен на вымирание. По расчетам физиков, наше Солнце остынет через 8-10 млрд лет, а Земля превратится в такую же холодную планету, как Луна, Венера, Марс, непригодную для той формы органической жизни, которая сформировалась на Земле. Поскольку при остывании Земли уже при 0 њС вода перейдет в твердое состояние, то первыми от него пострадают рыбы. Та форма наземной жизни, которая обладает разумом, будет иметь шанс на выживание или за счет создания искусственной среды обитания, или переселения на другие пригодные для обитания космические тела.
Водная среда определила морфофункциональные особенности класса рыб. Наиболее специфичны у них органы дыхания. У рыб они достаточно эффективны, однако эволюция, не вполне полагаясь на жабры, вооружает водные организмы и другими специфическими инструментами извлечения кислорода из воды (плавательный пузырь, лабиринт, наджаберный орган, кожа и др.). В результате эффективность газообмена у рыб достигает 90 %.
Жизненно важное значение для рыб имеет осморегуляция. В пресной воде существует опасность нарушения гомеостаза за счет проникновения в организм избыточных количеств воды, а в соленой воде гомеостаз подвергается потрясениям противоположного характера - возникает опасность потери воды. В механизме поддержания осмотического давления участвуют многие системы органов, однако основная нагрузка приходится на почки и жабры рыб.
Рыбы очень чутко реагируют на изменения внешней среды; для водных животных адекватная и своевременная реакция на изменения среды обитания - вопрос жизни и смерти. Высокую чувствительность и реактивность к факторам; внешней среды обеспечивают хорошо развитый рецепторный аппарат и сенсорные системы рыб.
Рыбы воспринимают более широкий спектр стимулов из внешней среды по сравнению с высшими позвоночными животными.
Следует отметить важность появления у рыб сложного зрительного анализатора. Развитие его центральных механизмов создало предпосылки для эволюции головного мозга у наземных животных, усложнения их поведения, развития высшей нервной деятельности.
Изучение поведения рыб, у которых отмечается широкое разнообразие стереотипов врожденного одиночного, парного и группового поведения, позволяет лучше понять сложное поведение высших позвоночных животных, разработать оптимальные приемы управления поведением домашних животных. Анализ развития поведения в онтогенезе и механизма научения рыб в процессе жизненного опыта дает возможность специалистам научно обосновать процесс управления высшими позвоночными, а коррекцию неправильного поведения сделать более эффективной.
Специфична и система крови рыб. У рыб особые органы гемопоэза. У этих животных в широких пределах изменяются физико-химические свойства крови, для них характерен клеточный полиморфизм. Рыбы имеют один круг кровообращения, что предполагает и морфофункциональные особенности сердца.
Пищеварительная система рыб проявляет чудеса эволюционной пластичности. Пищеварительная трубка видоспецифична, ее строение изменяется непредсказуемо даже в пределах одного семейства. Причем наличие или отсутствие того или иного органа пищеварения не отражает эволюционного положения вида. Так, в семействе карповых известны безжелудочные мирные виды (карп, сазан, карась) и хищники с ампулообразным расширением пищеварительной трубки (голавль, жерех).
Спектр питания рыб очень широк, поэтому по типу питания рыб делят на несколько групп: от хищников до макрофитофагов, детритофагов и паразитов.
Не следует заблуждаться относительно происхождения целлюлозолитической активности кишки рыб, питающихся детритом и растительностью. Ее источник - симбиотические микробы, населяющие средний и каудальный участки кишки. Хитиназная активность желудочно-кишечного тракта также имеет экзогенное происхождение: это или автолиз, или результат микробной деятельности.
Морфофункциональная пластичность пищеварительной системы рыб служит предпосылкой для разработки рационов с включением различных кормовых средств.
В основе большого видового разнообразия класса рыб (около 25000 видов только костистых рыб), их широкого географического расселения и многочисленности популяций лежит необычайно высокая плодовитость. У некоторых видов рыб самки выметывают за нерестовый сезон сотни миллионов икринок. Однако незащищенность икры, вероятностный характер оплодотворения и уязвимость молоди на ранних этапах онтогенеза приводят к тому, что эффективность воспроизводства рыбы составляет всего несколько процентов. У живородящих рыб плодовитость ниже, но выживаемость молоди выше. При искусственном воспроизводстве эффективность размножения возрастает тысячекратно.
У рыб эндокринная регуляция тесно связана с нервной, контакты с которой прослеживаются на трех уровнях: клеточном, органном и организменном.
Стресс-реакции у рыб имеют тот же генерализованный ответ, что и описанный для млекопитающих Г. Селье. Однако постадийная стресс-реактивность рыб весьма специфична.
Рыбы имеют хорошо развитый механизм специфической и неспецифической иммунной защиты. У них те же механизмы реализации иммунитета, что и у высших позвоночных: клеточный ответ осуществляется за счет фагоцитоза, пиноцитоза, цитотоксического влияния - инструментов, которыми обладают у рыб не только все формы лейкоцитов, но и эритроциты, а в особых случаях даже тромбоциты. Гуморальный ответ осуществляется посредством лизоцима, интерферона, пропердина, а также гамма-глобулинов. Ветеринарная иммунология в рыбоводстве находится в зачаточном состоянии, однако имеет очень хорошие перспективы развития.
Большое значение для понимания физиологических потребностей рыбы и комплексной оценки ее состояния имеют этологические наблюдения. Отклонение от нормального поведения рыбы должно настораживать исследователя. "Неправильное" поведение свидетельствует или о несоответствии среды обитания потребностям рыбы, или об изменении констант внутренней среды организма рыб. При искусственном рыборазведении и в первом, и во втором случае потребуется вмешательство специалиста. Характер вмешательства должен быть обоснован с позиции физиологии Рыбы, понимания ее потребностей и возникающих мотиваций поведения.
Таким образом, рыба как объект хозяйственной деятельности человека требует к себе особого внимания и прежде всего, более глубокого понимания физиологии поведения
обмена веществ, размножения, зоогигиенических требований к среде обитания. Знание физиологических особенностей рыбы создает основу для разработки современных технологических систем производства рыбной продукции или для выращивания декоративных рыб, в которых полностью ревизуется генетический потенциал объекта разведения.
К сожалению, авторы современной учебной литературы, обходят стороной особенности физиологии рыб, а зачастую просто вводят читателя в заблуждение в этой области физиологии. Специальные учебники и учебные пособия для студентов по физиологии рыб единичны и издавались давно. В последние годы в специальной литературе появились интересные материалы по морфофункциональным особенностям рыбы, которые ввиду языковых и иных барьеров недоступны для студентов и специалистов. Многолетний опыт исследовательской работы с рыбами, преподавания основ физиологии рыб студентам и аспирантам Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева, а также систематический анализ научной литературы по физиологии рыбы побудили автора к написанию этого учебника.
Автор надеется, что учебник будет полезен для студентов, аспирантов, а также специалистов, занятых рыборазведением.
Автор готов к сотрудничеству со всеми заинтересованными лицами. Все замечания от читателей будут приняты с благодарностью.

Глава 1. ВОДА-СРЕДА ОБИТАНИЯ РЫБ

Вода является средой, в которой зародилась органическая жизнь на Земле. Клеточная протоплазма первичных организмов по своим физико-химическим свойствам практически не отличалась от окружающей среды. С развитием эволюции усложнялось строение клеточной мембраны, что придавало цитозольной части клетки все большую независимость от внешней среды. У многоклеточных животных появились специализированные ткани: кожа, слизистые оболочки, которые сделали независимость внутренних процессов еще более совершенной. Однако полной победы над водной зависимостью нет ни у одного животного организма с планеты Земля, так как все внутренние процессы животных протекают в водных растворах и все животные организмы нуждаются в обновлении растворителя.
Вода выполняет важнейшую структурную роль в организме рыбы. Молекула Н₂О с асимметрией в расположении атомов имеет вид биполярной конструкции. При контакте молекулы воды с липидной мембраной образуются бимолекулярные липидные мембраны. Вода образует гидратные оболочки и с белками. Интересно, что чем больше жизненный цикл животных привязан к водной среде, тем выше концентрация воды в тканях этих животных (табл. 1.1).

1.1. Содержание воды в теле животных, %

Для представителей класса рыб вода является и основным по количеству компонентом клетки и остается внешней средой обитания.
Эволюционный прогресс связан с выходом животных из воды на сушу. Филогенетическую связь наземных животных с водной средой подчеркивает эмбриональное развитие птиц и млекопитающих. Эмбриогенез даже высших млекопитающих вызывает прямые ассоциации с жизнью в воде. На земле животные получили новую экологическую нишу, а эволюция в целом получила полигон для экспериментов по созданию новых видов. В этом свете ихтиофауна, остающаяся в водной среде, представляет эволюционные задворки. Рыбы обречены на вымирание по мере остывания Солнца и Земли, в то время как наземные обитатели получили шанс продлить свое присутствие на планете или за ее пределами.
Жизнь в водной среде накладывает отпечаток на морфологии и физиологию животных. Сопоставление физико-химических свойств водной и воздушной сред позволяет говорить и о преимуществах, и о недостатках водного образа жизни.
Вода - более плотная среда, чем воздух. Поэтому движение в воде более проблематично, чем в воздухе. Вместе с тем с плотностью воды связана нейтральная плавучесть водных животных и их способность легко менять положение тела в трехмерном пространстве. Гравитационное влияние на физическое тело в воде уменьшается, от чего в воде облегчается перемещение.
Вода, обладающая высокой теплоемкостью, нивелирует суточные и сезонные температурные перепады. Количественная характеристика энергетики водородных связей меняется в зависимости от температуры. Так, при 0њС вода утрачивает примерно 15 % водородных связей, а при 40 њС -уже 50%. Эта особенность води крайне важна для рыб. Образование и разрушение водородных связей сопровождаются выделением или поглощением тепловом энергии. Следовательно, при суточных и сезонных колебаниях температуры воздуха вода обеспечивает некоторую стабильности внешней и, что еще более существенно, внутренней среде организма рыб. Поэтому явление пойкилотермии обеспечивает в воде довольно равномерную физиологическую активность в течение года, тогда как наземная пойкилотермия сопровождается такими явлениями, как зимняя спячка, ночное оцепенение.
На заре формирования животного мира на Земле пойкилотермия была естественным и единственно оправданным явлением. Температура воды первичного океана была благоприятна для биохимических процессов, а огромная масса океана гарантировала относительное температурное постоянство. В изменяющихся в историческом смысле условиях жизни на Земле больше шансов выжить у видов, защищенных от температурных перепадов. Поэтому гомойотермия рассматривается биологами как крупнейший ароморфоз, т. е. как важнейшее эволюционное приобретение.
Довольно велики различия в свойствах воды и воздуха в плане обеспечения животных кислородом. Здесь следует признать несомненное преимущество воздуха как дыхательной среды. Растворимость кислорода в воде невелика - максимум 15 мг/л при нормальных атмосферных условиях. В таком же объеме воздуха содержится в 20 раз больше кислорода. Надо отметить и то, что извлечь животным кислород из воды значительно труднее. Чтобы в организм рыбы поступило необходимое количество кислорода, ей приходится прокачивать через органы дыхания большую массу воды. Кроме того, дыхание у рыб осложняется и тем, что жабры как орган помимо дыхания выполняют и другие функции, например осморегуляцию, кроветворение, регуляцию кровообращения.
Однако благодаря противоточному характеру движения воды и крови через жабры эффективность извлечения кислорода из воды очень высока. Интересно отметить, что жабры являются очень хорошим теплообменником, который обеспечивает терморегуляцию. Жабры обеспечивают равенство температуры окружающей воды и внутренней среды организма рыб. В животном мире гомойотермия появляется лишь после утраты животными в процессе эволюции жаберного аппарата.
Солевой состав воды также создает определенные проблемы для рыб. Содержание воды в организме рыб составляет 60-80 %, содержание минеральных веществ -0,6-1 %. У морских рыб и миксин солевой состав крови практически не отличается от солевого состава среды их обитания. Поэтому у них нет серьезного осмотического барьера. И в пресной воде морские виды очень быстро погибают из-за нарушения водно-солевого состава тела. У пресноводных и проходных рыб механизм осморегуляции очень эффективен и заслуживает отдельного рассмотрения.

§ 1. ОСМОРЕГУЛЯЦИЯ РЫБ
Все виды животных имеют механизм осморегуляции. Осмотическое давление клетки -это основа мембранного потенциала, определяющего важнейшие свойства тканей - раздражимость и возбудимость. Осмотическое давление можно рассматривать как первый признак настоящей животной клетки, зародившейся в первичном океане.
У рыб можно выделить два основных механизма осморегуляции.
Первый (примитивный) механизм осморегуляции характерен Для акул. Плазма, лимфа и другие жидкости организма этих рыб по электролитному составу мало отличаются от морской воды, соленость которой равнозначна I % NaCl. На первый взгляд в таких условиях отпадает необходимость тратить энергию на осморегуляцию. Однако специфика азотистого обмена такова, что в крови акул накапливается большое количество (5 %) мочевины и триметиламиноксида, которые плохо диффундируют через мембраны клеток почек и жабр. Поэтому у акул возникает повышенное осмотическое давление внутренней среды (26атм против 24атм в морской воде) (1атм= 10⁵Па).
Это создает условия для свободного проникновения воды из внешней среды в межклеточную жидкость и кровь,; что, в свою очередь, меняет градиент концентрации NaCl и приводит к диффузии натрия и калия. Фактически мембраны удерживают только мочевину.
Организм акулы представляет собой устойчивую биологическую систему, т. е. обладает гомеостазом, как и у всех других животных. Другими словами, у акулы есть механизм поддержания электролитного состава. Эволюция снабдила акул для поддержания гомеостаза специальным органом - ректальной железой, которая выводит в клоаку избыток солей.
Второй тип осморегуляции присущ костистым рыбам. Этот механизм более эффективен, однако и более сложен (рис. 1.1). Костистые обитают как в пресной, так и в соленой воде. Поэтому и внутри этой группы есть некоторые различия в механизме осморегуляции. У пресноводных костистых рыб осмоляльность крови выше, чем окружающей их воды: соответственно 6 и 0,3 атм. В соленой воде картина обратная: осмотическое

Рис. 1.1. Схема функциональной системы осморегуляции рыб
давление крови составляет 9 атм, а морской воды - 24 атм. Следовательно, и в первом, и во втором случае требуются затраты энергии для поддержания осмотического давления внутренней среды организма рыб.
В морской воде покровные ткани костистых рыб избирательно пропускают воду и не пропускают растворенные в ней соли. Рыбы активно заглатывают воду, однако слизистая желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) избирательно абсорбирует только воду и одновалентные ионы натрия, калия, хлора. Остальные удаляются из организма в составе каловых масс. Вероятный избыток двухвалентных ионов (кальций, магний, сульфат) выводится почками. Помимо этого имеется и дополнительный механизм регуляции ионного состава.
Слизистая жаберного аппарата включает в себя сеть специфических клеток, которые экскретируют во внешнюю среду ионы хлора и натрия. Они так и называются - "хлоридные". Необходимо подчеркнуть, что жабры имеют особый мембранный потенциал, который облегчает экскрецию катионов. Этот потенциал оценивается в 20-25 мВ. Учитывая, что снаружи жаберная мембрана несет положительный заряд, экскреция натрия в таких условиях становится довольно эффективной даже без затрат энергии.
В пресной воде угрозу гомеостазу создает сама вода (не электролиты). Поэтому заглатывание воды пресноводными рыбами биологически нецелесообразно. Однако через жабры вода диффундирует активно. Компенсируется эта избыточность очень эффективной работой почек. У костистых рыб в пресной воде образуются и выделяются сравнительно большие количества мочи. По крайней мере, эта величина на порядок выше, чем у морских пластинчатожаберных. Почки пресноводных имеют очень высокую эффективность реабсорбции электролитов.
Солевой гомеостаз регулируется нейрогуморальным путем. Осморецепторы располагаются не только в кровеносных сосудах, но и на слизистых жабр и ротовой полости. Их возбуждение приводит к активизации гипоталамо-гипофизарного механизма. Непосредственно на проницаемость мембран, через которые осуществляется транспортирование электролитов и воды, влияют соматотропин, пролактин, вазопрессин, окситоцин, кортизол. Помимо проницаемости мембран эти гормоны контролируют синтез белков - переносчиков ионов, влияют на регуляцию кровотока, Фильтрации и реабсорбции в почках.
Жаберные мембраны более активно пропускают электролиты за счет активного переноса и диффузии по сравнению с водой (только диффузия). Мембранный потенциал жаберных мембран костистых рыб в пресной воде составляет минус 30 - минус 40 мВ, что благоприятствует переносу катионов из внешней среды в кровь.
Осморегуляция находится в большой зависимости и от функционального состояния органов дыхания. Так, гипоксия и сопровождающая ее одышка неизбежно приводят к поступлению в кровь избыточных количеств воды через жабры. Экспериментальная гипоксия мальков лосося приводит к увеличению живой массы на 15 % за счет обводнения.
Несмотря на наличие специфических органов осморегуляции, основная работа в этом процессе выполняется почками. Поэтому именно здесь представляется целесообразным рассмотреть механизм мочеобразования рыб.

§ 2. ПОЧКИ КАК ОРГАН ОСМОРЕГУЛЯЦИИ
Почки особенно хорошо развиты у костистых пресноводных рыб. Подсчитано, что у взрослой форели величина диуреза колеблется от 200 до 300 мл на 1 кг живой массы. Диурез в морской воде сокращается в 10 раз. Именно в этих пределах изменяется интенсивность диуреза у эвригалинных видов костистых рыб при их миграциях. В механизме адаптации рыб центральное место занимает эндокринная система.
В классе рыб отмечается большое разнообразие морфологию почек. Самые примитивные почки у рыбообразной миксины. Почка у нее представляет собой воронкообразное скопление клеток реснитчатого эпителия в брюшной полости, называемое нефростомом. Реснички нагнетают в воронку полостную жидкость, где и происходят фильтрация и реабсорбция. Понятно, что нефростом работает малоэффективно.
У более совершенных видов рыб почки устроены сложнее. Они представляют собой два тяжа паренхимы, расположенные вдоль тела параллельно спинной аорте. Проксимальная часть почек не имеет отношения к осморегуляции и отвечает за кроветворение, иммунитет, а также выполняет эндокринную функцию. Средняя и дистальная части почек обеспечивают осморегуляцию и выделение.
Структурным элементом почки является нефрон, который у рыб имеет аналогичное с другими позвоночными строение и состоит из сосудистого клубочка и капсулы с отходящим от нее мочесобирательным канальцем (рис. 1.2).
Базальная мембрана капсулы соприкасается с сосудистым клубочком. Из-за разницы осмотического давления вода, одно- и двухвалентные ионы легко диффундируют из капилляра в полость капсулы.
Образующаяся в капсуле жидкость и есть первичная моча. Ее состав близок к составу плазмы крови и не содержит лишь липиды и белки. В канальцах происходит обратное всасывание одновалентных ионов, аминокислот, мочевины и триметиламина. Здесь же реабсорбируется 70-80 % воды. В свою очередь, эпителиальные клетки мочесобирательного канальца секретируют двухвалентные ионы и креатинин.

Рис. 1.2. Макро- и микростроение почек:
а- головная почка; б, в, д - туловищная почка; г -почка форели; 7 - мочеточники; 2- мочевой пузырь; 3- наружный клубочек; 4- мальпигиево тельце; 5- воронка; 6- капсула; 7- сосудистый клубочек; 8-спинная аорта; 9- воротная вена почек; 10- почечная вена; 11 - почечные канальцы; 12 - венозные синусоиды; 13 - собирательная трубка
В результате фильтрации плазмы крови в капсуле Боумена и процессов реабсорбции и секреции в канальцах формируется вторичная моча. В табл. 1.2 на примере форели показаны основные ионы мочи.

Поиск по сайту: