Исследование процессов формирования популяционной структуры и особенностей динамики высокочисленных видов рыб бореального комплекса в связи с изменениями климатического режима в Арктической зоне РоссииНИР

Источник финансирования НИР

Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.1 Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук

Этапы НИР

# Сроки Название
1 13 мая 2011 г.-12 июля 2011 г. Анализ и обобщение литературного материала: Ревизия и систематизация материалов ранее проведенных исследований трески и малопозвонковой сельди прибрежных акваторий российских морей, теоретическое обоснование экспериментальных исследований
Результаты этапа: На основе анализа данных по истории формирования ледовитоморского бассейна и его современные морфологические характеристики, особенностям образования водных масс ледовитоморского бассейна, рассмотрения исторического аспекта формирования климатов арктического бассейна, характеристики развития криогенной обстановки в доисторические периоды, анализа специфики формирование биоценозов арктической фауны с особенностями и стратиграфией ледниковых и межледниковых периодов, формирования популяционной структуры трески и сельди с исследованием возможности исполъзования в качестве биоиндикаторов состояния водной среды (с уклоном на изменчивость значений температурного фактора) выявлена перспективность использования представителей бореальной фауны: трески и сельди – при оценке особенностей изменения гидрологических характеристик в морях североледовитоморского региона. Показано, что прогнозирование связанной с климатом динамики популяций позволяет предвидеть долгопериодную смену ведущих промысловых видов в главных регионах рыболовства и их долгопериодные флуктуации. Это дает возможность заранее предусматривать меры регулирования рыболовства, препятствующие избыточной промысловой эксплуатации стада в долгопериодной фазе его снижения или, напротив, наращивать промысловую нагрузку в фазе увеличения численности промыслового стада.
2 13 июля 2011 г.-18 ноября 2011 г. исследование изменчивости морфо-биологических характеристик рыб в условиях меняющихся факторов среды
Результаты этапа: В соответствии с полученными материалами, а также с учетом сведений из литературныцх источников, показан рост интенсивности нереста трески в акватории Мотовского залива Баренцева моря. При этом в нерестовой группировке представлены особи трески в нерестовом состоянии как с прибрежным, так и с атлантическим типом отолита, что создает условия для скрещивания между представителями прибрежной и мигрирующей группировок трески в срединной зоне глубоководного фиорда Ура-губа, являющегося частью бассейна Мотовского залива. что в определенной степени поддерживает представления (Борисов и др., 1999; Бойцов и др., 2003) о связи и единстве происхождения, обмене генетическим материалом группировок атлантической трески Норвежского и Баренцева морей. Таким образом, наряду со свидетельствами нереста атлантической трески в прибрежных российских водах, также на основании биологических и морфологических показателей демонстрируется обобщенность в российских водах нерестовых акваторий прибрежной и северо-восточной арктической трески, что свидетельствует в пользу существования этих группировок как экологических без формирования репродуктивной подразделенности. Сельдь, как показывает полученный материал, на фоне более высокой по сравнению с треской биологической толерантностью не отвечает на краткосрочные температурные флюктуации изменениями ареала. При этом, сельдь на повышение теплосодержания беломорских вод отвечала, видимо, повышением биологической продуктивности и ростом общего запаса малопозвонковых сельдей на акватории Белого моря. Приспособление популяций животных к условиям окружающей среды сопровождается морфологическими изменениями, по которым можно определить уровень дифференцированности популяций. Форма тела во многом связана с особенностями адаптации организма к условиям обитания (питанию, локомоции и размножению и др.) и является важным элементом фенотипа любого организма. Оценка морфологических изменений в популяциях животных позволяет оценить состояние качества среды обитания. Для многих видов рыб характерна высокая внутривидовая изменчивость морфологических признаков и пластичность, зависящая от экологических условий среды обитания. Интерес в этой связи вызывает анализ изменчивости формы тела в популяциях рыб, обитающих в различных экологических условиях.
3 1 января 2012 г.-12 июля 2012 г. Изучение особенностей воздействия факторов среды в раннем онтогенезе рыб
Результаты этапа: На примере трески и сельди впервые в раннем онтогенезе реализован комплекс эмбриологических, эмбриофизиологических исследований, включающий исследование развития в норме, аномалий в эмбрионально-личиночном развитии, морфологической и физиологический изменчивости в ответ на воздействие факторов среды. Анализ полученных данных позволяет получить знание о динамике и природе формообразовательных процессов у представителей высокочисленных видов рыб бореального комплекса, прогнозировать (в перспективе как краткосрочной, так и долговременной) изменения популяционной структуры и особенностей динамики численности в условиях изменений климатического режима в Арктической зоне России, а также контролировать и управлять морфо-физиологическими характеристиками при воспроизводстве в искусственных условиях с целью получения качественного посадочного материала, что обеспечивает высокие выживаемость и темп роста при получении товарной пищевой продукции.
4 13 июля 2012 г.-19 ноября 2012 г. Исследование генетической изменчивости малопозвонковой сельди
Результаты этапа: Данные генетических исследований, впервые для беломорской сельди проведенных на микросателлитных локусах (полиморфизм ДНК), опровергают, положенную в настоящее время в основу оценки запаса беломорской сельди, гипотезу о репродуктивном единстве стада сельдей в Белом море. Обнаруженная генетическая дифференциация между весенне- и летненерестующими беломорскими сельдями по аллозимным и микросателлитным локусам подтверждает их репродуктивную обособленность. Различные сроки и условия нереста, а также специфические морфо-биологическим характеристики сельдей свидетельствуют о различной жизненной стратегии этих группировок: весенненерестующие сельди осваивают прибрежные акватории, питаются мелким зоопланктоном и нацелены на быстрое созревание, в то время как летненерестующие осваивают открытые части моря, совершая миграции, питаются крупным зоопланктоном и созревают на 2-3 года позже (Семенова и др., 2009). Кроме того, полученные нами результаты генетических исследований обосновывают выделения в пределах весенненерестующей группировки локальных стад сельдей в каждом из заливов Белого моря (Кандалакшском, Онежском, Двинском). Группировка летненерестующих сельдей по сравнению с весенненерестующими более генетически однородна. Не обнаружено дифференциации между выборками сельдей ни на основании иерархического анализа, ни по оценкам попарной FST. Статистически недостоверна оценка генетического разнообразия θ = 0.67 % (95% бутстреп- интервал [-0.00; 1.57]. Достоверные различия выявлены только при попарном сравнении по критерию χ2 между выборками губы Ругозерской и Соловецких островов. Степень генетической идентичности по результатам исследования изменчивости высокополиморфных, признаваемых в мировой практике генетических исследований маркеров – микросателлитных локусов между различными популяциями малопозвонковой сельди на ареале от Северной Атлантики до Северной Пацифики демонстрирует расширение ареала малопозвонковой сельди во время климатического оптимума в голоцене по направлению из Северной Пацифики вдоль арктического азиатского побережья с внедрением в акватории Северо-Восточной Атлантики (классификация ФАО) с последующим разрывом единого ареала и формированием при похолодании в суббореале отдельных популяций с собственными ареалами в прибрежье Арктики. При этом, специфика экологических условий на отдельных участках ареала может стимулировать формообразовательные процессы с последующим образованием отдельных таксономических единиц в дополнение к уже существующим внутри вида - тихоокеанской малопозвонковой сельди
5 1 января 2013 г.-12 июля 2013 г. Исследование генетической изменчивости трески
Результаты этапа: Результаты, полученные в ходе выполняемых на 5 этапе исследований, их анализ представляют интерес и важность как с точки зрения изучения процессов формирования популяционной структуры и особенностей динамики у трески в связи с изменениями (долгопериодными и краткосрочными) климатического режима в Арктической зоне России, так и для совершенствования мониторинга рыбных запасов. Проведенные популяционно-генетические сравнительные исследования прибрежной и океанической группировок атлантической трески бассейнов Норвежского и Баренцева морей продемонстрировали низкий уровень их дифференциации, полученные результаты подтверждают позицию сохранения и поддержания общего генофонда в группировках трески Норвежского и Баренцева морей, несмотря на пространственную и морфологическую подразделенность отдельных стад трески в этом регионе. Исследования генетического полиморфизма трески мористых участков и губ Западного Мурмана (как составная часть популяции баренцевоморской трески) в сравнении с популяциями трески Норвежского моря свидетельствуют о присутствии в настоящее время (в отличие от периода 30-летней давности) нереста атлантической трески в российских прибрежных водах. Причем, совместно нерестится треска как с океаническим, так и прибрежным типом отолита, что обеспечивает обмен генетическим материалом между отдельными группировками трески. Представленные результаты демонстрируют тенденции и направленность перестроек популяционной структуры и ареала трески в условиях краткосрочных (период 20-30 лет) климатических изменений в арктическом регионе России. Полученные данные позволяют внести корректировки в структуру рода Треска. Результаты генетических исследований показали, что в настоящее время только гомогенная группировка беломорской трески (G. morhua marisalbi) является постоянным обитателем Белого моря и нет оснований для выделения в качестве самостоятельного таксона (G.morhua morhua natio hiemalis Tal.) (Талиев, 1931) атлантической трески, отдельные группировки которой временно обитают на акватории Белого моря. Выполненная на основе полученных данных реконструкция палеоситуаций послеледникового периода показывает, что заселение Белого моря произошло обитавшей на акватории Баренцева моря атлантической треской, расширившей свой ареал на фактически являвшееся в период голоценового оптимума заливом Баренцева моря Белое море. Общий ареал сохранялся, видимо, до завершения атлантики и последовавшего похолодания. Ареал атлантической трески сместился в западном направлении, а беломорские популяции выработали адаптации к низким температурам Белого моря. Представленные результаты изучения генетической изменчивости в малочисленной популяции кильдинской трески показывают, что эту группировку по сравнению с атлантической треской можно охарактеризовать как группировку с обеднённым генофондом. Обеднению генофонда в панмиктической, бесструктурной популяции кильдинской трески в основном, видимо, способствовал дрейф генов в условиях отсутствия подтока извне генетического материала и в определенной степени менее изменчивые (по сравнению с баренцевоморскими) условия среды обитания в меромиктическом озере. Полученные и проанализированные генетические и морфо-биологические материалы демонстрируют высокий уровень различий между гренландской и беломорской треской, что поддерживает представления о беломорской и гренландской треске как самостоятельных таксономических единицах отвергают синонимию беломорской трески с гренландской треской в связи с отношением к разным филогенетическим группам.
6 13 июля 2013 г.-19 ноября 2013 г. Анализ и обобщение полученных материалов
Результаты этапа: В соответствии с тематикой исследований на 6 этапе на основе методов морфо-биологических, эмбриологических, генетических, статистических (методы однофакторного и многофакторного анализа, кластерный анализ, кладистические методы и пр.), математического (экологического) моделирования, метода МЕТА-АНАЛИЗА была проведена обработка полученных экспериментальных данных, анализ и теоретическое обобщение полученного материала с учетом закономерностей строения, функционирования и формирования популяционной структуры рыб в условиях изменений факторов окружающей природной среды На данном этапе исследований, предусматривающем обработку полученных за предыдущий период экспериментальных данных, анализ и теоретическое обобщение материала, использовался комплекс методов, относящихся к различным направлениям исследований – морфо-биологических, генетических, эмбриологических, систематизированному обзору данных: компьютерный анализ цифровых изображений, анализ и сравнение морфометрических характеристик, анализ продолжительности клеточного цикла периода синхронных делений дробления, расчет генетических дистанций Нея и Рейнолдса, построение бескорневых деревьев методом UPGMA с выполнением бутстреп-поддержки узлов ветвления, анализ значимости корреляции генетической дифференциации Fst и географических дистанций на основе теста Мантела, анализ интенсивности генных потоков, иерархический анализ (AMOVA), математическое (экологическое) моделирование на основе балансовой модели биотического сообщества водоема с использованием математической модели типа ECOPATH, метод МЕТА-АНАЛИЗА со статистическим анализом повторных исследований, обобщением и систематизацией палеоклиматических, палеоокеанологических, археологических, палеоихтиологических исследований. Впервые при изучении структуры рода Gadus на основе комплексного подхода, включающего анализ морфо-биологических, генетических, палеоэкологических данных выполнена реконструкция расселения и филогении представителей рода Gadus в течение последних 5 млн.лет (все таксоны с определением времени дивергенции и механизмов репродуктивной изоляции). Впервые получены данные по изменчивости микросателлитных локусов у беломорской трески, кильдинской трески и гренландской трески. Обосновано таксономическое единство беломорской трески на акватории Белого моря в настоящее время. Обоснована филогенетическая разнородность беломорской трески и гренландской трески и ошибочность введения первой в синонимию последней. Впервые за последний пятьдесят лет проведено исследование морфо-биологических характеристик атлантической трески на нерестовых акваториях Ура-губы Мотовского залива (Баренцево море). Показано восстановление в настоящее время нереста различных экологических групп атлантической трески в прибрежье Мурмана. Проведенные морфо-биологические и популяционно-генетические сравнительные исследования прибрежной и океанической группировок атлантической трески бассейнов Норвежского и Баренцева морей продемонстрировали низкий уровень их дифференциации, что свидетельствует об интенсивном обмене генетическим материалом между этими двумя компонентами общего запаса трески лофотено-баренцевоморского региона. Показана слабая генетической подразделенность группировок трески Норвежского и Баренцева морей, реализующейся в условиях воздействия течений (ветви Северо-Атлантического течения, Прибрежное течение) и на фоне миграций на разных стадиях онтогенеза особей трески из прибрежных и открытых акваторий (денатантные миграции эмбрионов и личинок, нерестовые миграции половозрелых особей). В раннем развитии трески установлено, что аномалии возникают на всех этапах развития то есть, нарушения могут сформироваться в каждом последующем морфогенетическом движении составляющим эмбриогенез. При этом естественная смертность в эмбриональный период является суммой летальных аномалий за весь эмбриональный период развития. Показано, что метод индивидуального изучения раннего онтогенеза отдельной особи может эффективно использоваться при отборе производителей трески и других видов морских рыб для формирования маточного стада, наряду с методом генетического маркирования. Показано, что данные генетических исследований, впервые для беломорской сельди проведенных на микросателлитных локусах (полиморфизм ДНК), опровергают, положенную в настоящее время в основу оценки запаса беломорской сельди, гипотезу о репродуктивном единстве стада сельдей в Белом море. Обнаруженная генетическая дифференциация между весенне- и летненерестующими беломорскими сельдями по аллозимным и микросателлитным локусам подтверждает их репродуктивную обособленность. Показано, что различные сроки и условия нереста, а также специфические морфо-биологическим характеристики сельдей свидетельствуют о различной жизненной стратегии этих группировок: весенненерестующие сельди осваивают прибрежные акватории, питаются мелким зоопланктоном и нацелены на быстрое созревание, в то время как летненерестующие осваивают открытые части моря, совершая миграции, питаются крупным зоопланктоном и созревают на 2-3 года позже. На основе генетического, морфо-биологического анализов с использованием палеоклиматических, палеоокеанологических материалов показано, что расширение ареала малопозвонковой сельди во время климатического оптимума в голоцене происходило по направлению из Северной Пацифики вдоль арктического азиатского побережья с внедрением в акватории восточной Арктики с последующим разрывом единого ареала и формированием при похолодании в суббореале отдельных локальных популяций с собственными ареалами в прибрежье моря Лаптевых, Карского моря, юго-восточной части Баренцева моря. Специфика экологических условий на отдельных участках ареала стимулировала формообразовательные процессы с последующим образованием отдельных таксономических единиц. Сравнительный анализ скорости протекания основных процессов раннего развития летненерестующей и весенненерестующей беломорской сельди при температуре 3 и 11° продемонстрировал наличие принципиального сходства между этими группировками и практически полное совпадение хронологии онтогенеза в одинаковых условиях. Показано, что максимальное число мускульных сегментов и длина личинок летнененерестующей (ивановской) беломорской сельди находится в обратной зависимости от температуры инкубации. Полученные результаты позволяют наметить границы оптимальных значений факторов, однако выбор "оптимальных" режимов должен осуществляться комплексно, в результате оценки энергетического баланса, с учетом поведенческих особенностей и морфологического состояния организма. С применением балансового подхода произведено исследование математическими методами исследования особенностей трансформации вещества и энергии в своеобразном природном модельном водоеме – озере Могильном, находящегося в условиях неустойчивого равновесия, поддерживаемого особенностями климатических процессов на акватории Баренцева моря и одновременно зависящего от характеристик каменно-галечниковой преграды – перемычки, отделяющей озеро от Кильдинской салмы. На основе широкого использования современного метода включения в исследовательский процесс систематизированного материала из литературных источников, т.н. МЕТА-АНАЛИЗА, построена картина расселения и формообразования исследуемых ихтиологических объектов в условиях Арктической зоны в плиоцен-плейстоценовый и голоценовый исторический периоды. Результаты проведенных исследований и их анализ на основе комплексного подхода с учетом морфо-биологических, поведенческих и др. характеристик исследуемых объектов позволяют сделать ряд обобщений, имеющих значение как с фундаментальной (научной) точки зрения, так и с точки зрения применения полученных данных в рыбохозяйственном комплексе России с целью оптимизации и повышения экономической эффективности при использовании запасов, а также при организации эффективной аквакультуры с высоким темпом фондоотдачи инвестиций.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".