Биология развития и экология бурой водоросли Fucus distichus в прибрежных водах Камчатки

Цель исследования. Выявить темпы роста и особенности развития
Fucus distichus в камчатской части ареала от стадии зиготы до половозрелого
растения, определить стратегию воспроизводства вида, механизмы
поддержания численности его популяций и устойчивость к неблагоприятным
экологическим факторам.
Задачи исследования:
1. На основании изучения возрастных изменений внутреннего
строения слоевищ выделить этапы созревания репродуктивных структур
и соответствующие им изменения морфологии растений, разработать метод
визуального определения стадий зрелости рецептакулов.
2. Определить сроки развития камчатского фукуса от стадии зиготы до
появления кладомного слоевища и неразветвленного макроскопического
проростка.
3. Определить скорость морфогенетических преобразований, созревания
и выброса половых продуктов у меченых разновозрастных растений фукуса.
Выявить особенности сезонного развития фукуса в природной среде.
4. Определитьвлияниеэкологическихфакторов(светового
довольствия, температуры и солености) на рост и развитие фукуса на разных
стадиях его жизненного цикла. Выявить особенности его физиологического
состояния и развития в зимнее время.
5. Определить участие льда в расселении фукуса, выявить последствия
длительной глубокой заморозки на жизнеспособность его половых продуктов,
зигот и эмбрионов. Разработать лабораторный способ непрерывного получения
половых продуктов и зигот.
6. Провести эксперименты по искусственному выращиванию фукуса
в Авачинской губе и на их основе дать заключение о возможности организации
здесь его марикультуры, формировании искусственных поселений на
естественных субстратах.
Научная новизна. Впервые на основании изучения развития меченых
растений в природной среде и растений, развивавшихся в лабораторных
экспериментах, были получены точные данные о сезонных различиях темпов
линейного роста (ARG мкм/сут и ARG мм/мес) и размножении
разновозрастных представителей популяции. Впервые экспериментально
доказано, что в прикамчатских водах общий период развития фукуса
от зиготы до половозрелого растения составляет около года, время развития
от видимых глазом неразветвленных проростков до формирования
у растений 8–9 дихотомических ветвлений в разных условиях произрастания
составляет 5–7 месяцев. Установлено, что в природной среде при
температуре воды 3–4ºС первое деление зигот фукуса происходит через
20 часов после оседания, а на восьмые сутки эмбриональные растения могут
иметь до девяти клеток. Через тридцать дней их длина достигает 580–645 мкм.
Впервые изучено влияние света, температуры и солености на раннее
эмбриональное и постэмбриональное развитие вида, показано, что
дрейфующий лед является важным фактором его расселения вдоль
побережья. Экспериментально доказано, что понятие «зимний покой», т. е.
уравновешивание у водорослей процессов ассимиляции и диссимиляции,
к F. distichus неприложимо, поскольку при отрицательной температуре воды
он продолжает расти и формировать органы размножения. Впервые
проведено изучение развития зигот фукуса в природе в загрязненной среде
на искусственных и естественных субстратах.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты исследования
расширяют представление о биологии развития холодноводных бурых
водорослей, их стрессоустойчивости, приспособленности к выживанию при
воздействии экстремально низких температур. Они позволяют понять, как
при всех изменениях палеорельефа и палеоклимата бореально-арктические
виды смогли сохранить свое присутствие в современной альгофлоре. Изучение
особенностей раннего развития фукуса и эксперименты по его искусственному
воспроизводству в природных условиях являются основой для последующей
разработки биотехники его культивирования в природной и искусственной
среде с контролируемыми параметрами. Разработанная нами методика
лабораторного содержания фукуса позволяет использовать его для проведения
научных экспериментов по цитологии, морской экологии и для проведения
практических занятий студентов по ряду экологических дисциплин.
Положения, выносимые на защиту:
– Устойчивое развитие и постоянное пополнение камчатских
популяций фукуса обеспечивают широкий диапазон температур его
выживания и размножения, гибкие адаптации к изменениям светового
режима и солености, растянутые и несовпадающие у разновозрастных
растений периоды созревания и выброса половых продуктов, охватывающие
все месяцы года, кроме двух самых холодных – января и февраля.
– Fucus distichus характеризуют высокие темпы линейного роста
и постоянная закладка рецептакулов после появления третьей дихотомии.
Ему не свойствен зимний покой. Даже в самые холодные месяцы года
у него продолжается деятельность верхушечной меристемы и дозревание
генеративных тканей.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность
представленных в работе результатов подтверждается использованием
стандартных методов исследований и современного высокоточного научного
оборудования, большим количеством измерений, выполненных для меченых
растений фукуса, его эмбрионов и микроскопических проростков,
статистической достоверностью результатов их обработки, наличием
множественных (более 4 000) серийных фотографий внешнего и внутреннего
строения фукуса на разных стадиях развития. Данные, представленные
в разных главах диссертации, оформленные в виде научных статей, прошли
экспертную оценку специалистов. В разные годы автор докладывал их на
всероссийских и международных научно-практических конференциях:
«Человек и здоровье» (Санкт-Петербург, 2017), «Природные ресурсы, их
современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование»
(Петропавловск-Камчатский, 2017, 2018, 2019, 2020), «Перспективы
рыболовства и аквакультуры в современном мире» (Москва – Звенигород,
2018), «Science and society» (Vancouver, Canada, 2018), «Perspectives of science
and education» (New York, USA, 2019), «Актуальные проблемы освоения
биологических ресурсов Мирового океана» (Владивосток, 2020). Они
неоднократно обсуждались на заседаниях Камчатского отделения РБО
(Петропавловск-Камчатский, 2017, 2018, 2019).
Личный вклад автора. Автор диссертации самостоятельно выбрал
полигоны для сбора количественных и качественных данных и проведения
постоянных наблюдений за развитием фукуса, самостоятельно провел весь цикл
лабораторных и полевых экспериментов, выполнил статистическую обработку
полученных данных, самостоятельно подготовил и изучил гистологический
материал, выполнил микрофотографирование срезов и тотальных препаратов
проростков и эмбрионов фукуса, усовершенствовал методы получения
жизнеспособных зигот и их лабораторного культивирования.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 18 работ, 5 из них
– статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК
(SPIN-код: 7760-5280, Author ID: 951031), 1 – в журнале из базы данных Scopus
(Author ID: 55825413600), 12 – в материалах всероссийских и международных
научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 206 страницах,
состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов и списка литературы,
включает 42 рисунка, 27 таблиц. Список литературы включает 282 источника,
из них 102 иностранных.
Благодарности. Автор благодарит д.б.н. Т. А. Клочкову за общее
научное руководство работой, к.б.н. А. В. Климову за ценные советы
и консультации по использованию научного оборудования, помощь в
проведении экспериментов, обработке и интерпретации результатов
исследований. Большую помощь в подготовке рукописи диссертации и ее
оформлении оказала д.б.н. Н. Г. Клочкова. Сотрудники УГМС любезно
предоставили автору данные многолетних наблюдений по гидрологии
Авачинской губы, ее антропогенному загрязнению. Помощь в работе
с компьютерными программами оказала к.т.н. И. А. Кашутина. Всем
упомянутым выше лицам автор выражает свою искреннюю благодарность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Литературный обзор
В данной главе обобщены литературные данные по распространению,
биологии развития F. distichus, влиянию на него экологических факторов.
Показано, что изучение биологии его развития велось в стране и за рубежом
(Чмыхалова, 2002, 2005; Селиванова, Жигадлова, 2009; Powell, 1957;
Edelstein et al., 1976; Rice, Chapman, 1982; Sideman, Mathieson, 1983а). Однако
данные этих исследований все еще неполны и порой противоречивы. Так,
одни авторы (Тиховская, 1955; Кузнецов, 1960; Максимова, 1980), в том
числе и камчатские (Чмыхалова, 2002), считают, что F. distichus имеет низкие
темпы роста и в течение вегетационного сезона способен формировать
1–2 дихотомии, другие, напротив, полагают, что обсуждаемому виду
свойствен активный рост (Sideman, Mathieson, 1983; Ang, 1991).
О. Н. Селиванова и Г. Г. Жигадлова (2009) указывали на то, что зимой рост
фукуса в осушной зоне, покрытой ледовым припаем, останавливается.
При этом они ссылались на исследования, проводимые в арктических морях.
Изучение развития F. distichus в холодную половину года в прикамчатских
водах эти и другие авторы не проводили.
Важными факторами, влияющими на рост, развитие и физиологическое
состояние водорослей, являются соленость, температура и световое
довольствие (Гапочка, 1981; Воскобойников и др., 2005; Максимова, Мюге,
2007; и др.). Их воздействие изучалось для атлантических фукоидов.
В дальневосточных морях и у Камчатки подобные экспериментальные
исследования не проводились.
В главе 1 также обсуждается способность представителей рода Fucus
сорбировать и трансформировать нефтяные углеводороды, накапливать
тяжелые металлы (Христофорова, Малиновская, 1995; Пуговкин, 2016;
Позолотина и др., 2020; и др.). Однако использованию вида в санитарной
марикультуре препятствует отсутствие сведений по устойчивости его
эмбрионов и проростков к неблагоприятным факторам среды.

Глава 2. Физико-географическая характеристика района
В главе представлена развернутая характеристика гидрологии,
гидрохимии и климатических особенностей района исследований. Показано,
что Авачинская губа по температурному режиму принадлежит
к холодоумеренным опресняемым водоемам. На ее соленость влияют
водообмен с Авачинским заливом, сток рек Паратунка, Авача, температурный,
гидрохимический и гидродинамический режимы. На основании исследований
автора в период 2016–2019 гг. для семи полигонов – мест сбора проб фукуса
и проведения постоянных наблюдений – приводятся данные помесячных
изменений температуры, солености, рН воды и содержания кислорода
в местах взятия проб фукуса на глубинах 0,8–1 м.

Глава 3. Материалы и методы исследований
Для изучения биологии развития F. distichus были использованы
материалы, собранные автором в разных районах Авачинского залива,
главным образом в Авачинской губе в период 2016–2020 гг. Ранее развитие
фукуса изучали в лабораторных культурах. В ходе изучения размножения
вида и влияния на его рост и развитие экологических факторов,
регулирующих у него смену фенологических фаз, следили за изменением во
времени его эмбрионов и взрослых растений. Дополнительно влияние
экологических факторов на рост, развитие, воспроизводство вида изучали
в природной среде.
О стадии зрелости половых продуктов судили по данным изучения
гистологических препаратов – продольных и поперечных срезов
свежесобранных рецептакулов. Их изготавливали с помощью лезвия
безопасной бритвы или криостат-микротома Starlet 2212 (Bright, UK). Для их
изучения использовали микроскоп Olympus BX53, оснащенный
фотонасадкой DP27. Для наблюдений за состоянием созревания
вегетативных и генеративных тканей, эмбрионов и микроскопических
проростков использовали обычный и инвертированный микроскопы
Olympus BX53 и Olympus IX73. Для микрофотографирования использовали
цифровую фотокамеру Olympus DP73 с программным обеспечением cellSens
Standard (Olympus, Japan).
В природной среде с помощью портативного профилографа параметров
среды RINKO-AAQ 171 (JFE Advantech Co., Япония) измеряли температуру
(T, ºC) поверхностного слоя воды, растворенный кислород (DO, мг/л),
водородный показатель (pH) и соленость (Sal, ‰). Полученные данные
сопоставляли с данными по развитию фукуса.
Для изучения скорости роста и появления новых дихотомических ветвей
у разновозрастных представителей вида использовали меченые растения.
Регулярное измерение размеров их ветвей вели с 2017 по 2019 гг., с апреля по
декабрь включительно, практически весь период, пока они не были покрыты
льдом и снегом. В ходе наблюдений за ростом меченых растений с одним
(D1), двумя (D2) и более (Dn) дихотомическими ветвями у каждого образца
определяли длину ветвей разных порядков (L1 … Ln) и общую длину
растений (Lобщ) (рис. 1). Последние показатели использовали для определения
среднесуточногоимесячного
прироста (AGRсут и AGRмес)
растений по следующей формуле:
AGR = (Lобщ)2 – (Lобщ)1 / (t2 – t1),
где (Lобщ)1 – начальная длина
растения; (Lобщ)2 – конечная длина
растения; (t2 – t1) – количество
суток, прошедших между двумя
измерениями.
Роствзрослыхрастений
фукуса изучали в лабораторных
условиях, используя для этого
аквариумы и холодильные камеры.
Рисунок 1 – Линейные
размеры Fucus distichus L1 – L9
Предел контроля температуры
составлял 0,1ºС. Зиготы фукуса
получали по модифицированной нами методике японских альгологов
(Wakana, Abе, 1992; Motomura, 1994) и использовали их в лабораторных
экспериментах, направленных на изучение воздействия на рост
разновозрастных растений низких температур и разного освещения. Зиготы
фукуса выращивали от стадии двухклеточных эмбрионов до видимых
невооруженным глазом проростков. Для изучения развития фукуса
в условиях низких отрицательных температур рецептакулы и эмбрионы
фукуса замораживали до −23ºС и содержали в полной темноте. Затем
поступенчато размораживали и следили за их последующим развитием.

Глава 4. Морфология, вегетативная и генеративная анатомия
и биология развития фукуса
Описываются морфологическое и анатомическое строение F. distichus,
его исключительная вариабельность. Чрезвычайную морфологическую
изменчивость вида отмечали разные авторы (Powell, 1957; Edelstein,
McLachlan, 1976; Rice, Chapman, 1982; Sideman, Mathieson, 1983). Наши
исследования показали, что на формообразование F. distichus оказывают
влияние температура, световое довольствие, прибойность и биогенный фон,
и что форма и размеры его рецептакулов зависят от скорости их роста,
сроков и темпов закладки, площади поверхности, занятой концептакулами.
Сравнительное изучение их внутреннего строения позволило выделить пять
стадий зрелости рецептакулов (Ф0 – Ф5). Для этого были использованы такие
их признаки, как цвет, утолщенность, форма крышек концептакулов, размеры
остеолей. Внутреннее строение концептакулов на разных стадиях зрелости
генеративных структур в диссертации иллюстрируют многочисленные
фотографии. Ниже (рис. 2) показаны поперечные срезы концептакулов,
имеющих стадии зрелости Ф4 и Ф5.

а

Рисунок 2 – Поперечные срезы концептакулов Fucus distichus в стадии зрелости
Ф4 (1–5, слева) и Ф5 (1–5, справа). Видны оогонии (о) и антеридии (а) разной зрелости,
двужгутиковые антерозоиды (3, справа), оогонии и яйцеклетки (5, справа)
Изучение прорастания зигот и раннего развития вида показало, что
оогонии с развивающимися яйцеклетками появляются в результате деления
клеток выстилающего слоя. Даже в молодом возрасте они хорошо отличаются
от окружающих их стерильных клеток более темным цветом. Процесс
формирования половых продуктов в них завершается образованием
восьми яйцеклеток. Перед редукционным делением примордиальные клетки
достигают в среднем 115 мкм высоты, после полного созревания – 150–180 мкм.
Стручки одногнездных антеридиев формируются между оогониями и
парафизами на разветвленных нитях, отходящих от клеток выстилающего слоя.
Для выхода половых продуктов проводили стимуляцию растений
при 4ºС. При этом полагали, что за четыре часа после погружения
простимулированных рецептакулов в охлажденную питательную среду
оплодотворение всех зрелых яйцеклеток завершается. К этому моменту
в культуральной среде все они покидают оогонии, а антерозоиды еще активны.
Первое деление у зигот фукуса происходило через сутки после появления.
На седьмой день культивирования эмбрионы имели по 3–8 клеток. Через
26 дней длина самых крупных проростков достигала 600 мкм. Они имели
неразветвленные ризоиды из 6–8 клеток. Затем у проростков появлялись
2–4 гиалиновых волоска. К четвертому месяцу культивирования они
достигали уже 1,0–1,2 мм длины.
Изучение развития меченых растений (рис. 3) на трех полигонах
показало, что на скорость их роста влияют условия произрастания. Тем не
менее во всех районах исследования к концу вегетационного сезона за
190 суток наблюдений растения, начавшие развитие с разным количеством
дихотомических ветвей, при разной интенсивности роста сформировали
по 4–6 новых ветвлений. Периоды с максимальным AGRсут у них пришлись
на разное время: у D1 – на июль (2,33 мм/сут), у D2 – на август (1,87 мм/сут),
у D3 – на июнь (2,26 мм/сут), D4 – на август (1,6 мм/сут) и D5 – на октябрь
(2,21 мм/сут). Это связано с разными сроками размножения разновозрастных
образцов.

Рисунок 3 – Меченые растения фукуса в бух. Сероглазка в разные месяцы

Из таблицы 1 видно, что наиболее активный среднесуточный
и среднемесячный прирост в течение всего вегетационного сезона имели
образцы из возрастных групп D1 и D3. Активного участия в размножении они
не принимали.
Таблица 1 – Темпы роста и образование новых ветвей у разновозрастных представителей
Fucus distichus в бух. Сероглазка за период 01.04.2017–04.11.2017 г.

Возрастная группа растений
Характеристикана начало исследований
D1D2D3D4D5
AGR мес (мм/мес)32,824,236,728,023,0
AGR сут (мм/сут)1,040,761,160,880,73
Число вновь появившихся дихотомий65544

К концу наблюдений общая длина меченых растений в группах D1 и D4
варьировала от 231 до 239 мм, в группах D3 и D5 – от 279 до 284 мм,
а в группе D2 она не превышала 180 мм. Самым низким прирост длины был
у представителей старшей возрастной группы D5, которые в течение всего
периода изучения меченых растений наиболее активно выполняли функцию
воспроизводства популяции.
Особенности размножения фукуса и скорость созревания у него
половых продуктов при температуре воды (4 ± 1)ºС изучали у растений D6
и D7. Их содержали в аквариуме, помещенном в холодильную камеру со
стеклянной дверцей, пропускавшей естественный свет. Наблюдения за их
развитием вели с 06.11.2018 по 06.05.2019 гг. Периодически у них
определяли общую длину, длину ветвей и количество рецептакулов в разной
стадии фертильности. В таблице 2 приведена только часть полученных
данных для экспериментального растения D6. В ней отражены изменения
морфометрических показателей, произошедшие у него за период времени
с 14.02.2019 по 27.03.2019 г., соответствующий переходу в стадию активного
весеннего развития.
Таблица 2 – Изменение размерных характеристик и состояния фертильности рецептакулов
у Fucus distichus (D6) в период эксперимента

Число
ДатаЧисло
L1L2L3L4L5L6рецеп-Ф0 Ф1 Ф2 Ф3 Ф4 Ф5
измерений дихотомий
такулов
14.02.20196161814212024363519 9 0 0
20.02.20196161814212024360510 17 4 0
27.02.2019616181421202436048 12 10 2
06.03.2019616181421202436046 8 10 8
13.03.2019616181421212536008 10 10 8
21.03.2019616181421212536004 8 16 8
27.03.2019616181421212536001 6 13 16
08.04.2019616181421222636000 2 9 25

Проведенное исследование показало, что разные по количеству ветвей
растения фукуса в одних и тех же условиях содержания развиваются по-
разному. Это видно из приведенного ниже рисунка 4.
Образец D7 интенсивно размножался с 12.11.2018 по 10.02.2019 гг.
К 18.03.2019 г. он завершил размножение. Растение D6, напротив,
с 06.11.2018 до 12.12.2018 г. было стерильным. Формирование рецептакулов
у него началось в декабре, стадия зрелости Ф4 появилась в первой декаде
февраля, а активное размножение началось в марте. Период созревания
рецептакулов от стадии закладки концептакулов до высыпания половых
продуктов при (4 ± 1)ºС и коротком дне составил около трех месяцев. Таким
образом, асинхронное развитие только двух близких по возрасту растений
в течение полугода может обеспечить постоянное поступление
в окружающую среду оплодотворенных яйцеклеток. Для определения их
жизнеспособности на дно аквариума укладывали предметные стекла
и просматривали их под микроскопом.
Количество рецептакулов, шт.
Ф5
Ф4
Ф3
35С
15
06.11.2018

18.11.2018
24.11.2018

06.12.2018

18.12.2018

30.12.2018

17.01.2019

29.01.2019

10.02.2019

22.02.2019

12.03.2019

24.03.2019

05.04.2019

17.04.2019
23.04.2019

05.05.2019
12.11.2018

30.11.2018

12.12.2018

24.12.2018

05.01.2019
11.01.2019

23.01.2019

04.02.2019

16.02.2019

28.02.2019
06.03.2019

18.03.2019

30.03.2019

11.04.2019

29.04.2019
АДата измерений
Количество рецептакулов, шт.

Ф5
Ф4
30Ф3
Ф2
Ф1
20С
0
06.11.2018
12.11.2018
18.11.2018
24.11.2018
30.11.2018
06.12.2018
12.12.2018
18.12.2018
24.12.2018
30.12.2018
05.01.2019
11.01.2019
17.01.2019
23.01.2019
29.01.2019
04.02.2019
10.02.2019
16.02.2019
22.02.2019
28.02.2019
06.03.2019
12.03.2019
18.03.2019
24.03.2019
30.03.2019
05.04.2019
11.04.2019
17.04.2019
23.04.2019
29.04.2019
05.05.2019

Дата измерений
Б

Рисунок 4 – Изменение во времени количества рецептакулов с разной степенью
фертильности у растений Fucus distichus D7 (А) и D6 (Б) за период их содержания
в аквариуме с 06.11.2018 по 06.05.2019 гг.
Глава 5. Влияние экологических факторов на развитие фукуса
В первом разделе главы 5 представлены данные по влиянию на
F. distichus ледового покрова. Он присутствует в разных районах Авачинской
губы от трех до пяти месяцев. С одной стороны, лед оказывает истирающее
действие на фукус, растущий в зоне надвигов льда. С другой стороны,
благодаря тому, что при взламывании припая льдины захватывают
и переносят на другие места обрывки вмерзших в них зрелых или
дозревающих рецептакулов, камни и небольшие валуны с целыми
фертильными растениями, льду принадлежит исключительная роль в разносе
вдоль берега фукусового «посевного материала». Это подтверждают
представленные в диссертации количественные данные многолетних
наблюдений (2016–2019 гг.) за изменением площадей дна, в пределах
которых F. distichus встречался на семи выбранных полигонах.
Большое влияние на развитие вида оказывает соленость прибрежных вод.
У Камчатки, в том числе в Авачинской губе, летом он нередко испытывает
условия значительного, до 4,9 ‰, опреснения. Ответной реакцией на
воздействие этого фактора является хорошо выраженная ингибиция размеров
растений и плотности их поселений.
Для изучения воздействия солености на раннее развитие F. distichus был
проведен трехнедельный эксперимент, в ходе которого его зиготы помещали
в культуральную среду с соленостью 0 ‰, 10 ‰, 20 ‰ и нормальную
морскую 32 ‰. Значения температуры и фотопериода в ходе эксперимента
были неизменными и составляли 10ºС и 12 : 12 ч. Проведенные наблюдения
показали, что в течение первых двух суток особых различий в развитии зигот
в среде с соленостью 10 ‰ и выше не было. Все эмбрионы прикрепились
ко дну чашек Петри. При этом максимальную длину (187,3 мкм) и AGR
(54,9 мкм/сут) проростки имели в среде с соленостью 32 ‰. В пресной воде
к концу вторых суток они были вдвое короче. Погибли они на 15-е сутки, так
и не прикрепившись. У проростков, культивировавшихся при солености
10 и 20 ‰, наблюдалась значительная задержка роста. Она составляла
40 мкм/сут и менее. К концу эксперимента все проростки были живыми
и имели заметно меньшие размеры.
Чтобы определить, способен ли фукус продолжать рост и закладку
концептакулов в холодную половину года, 15 его образцов в возрасте D1 – D7
содержали в холодной комнате в емкости 12 л в профильтрованной морской
воде при температуре и фотопериоде, которые имитировали таковые в месте
взятия образцов для культивирования. В ходе проведения наблюдений
показания температуры изменяли пять раз. С 11.01.2018 до 23.04.2018 г.
она имела отрицательные значения и менялась от −0,2 до −1,1ºС.
Положительные значения температуры не превышали 1,8ºС. Фотопериод
за время проведения эксперимента также менялся пять раз. Длина дня при
этом изменялась от 8 до 14 часов, а длина ночи – от 16 до 10 часов.
Изучение развития растений показало, что у представителей всех
возрастных групп не прекращался апикальный рост, шла закладка
концептакулов и созревали половые продукты. Однако скорость этих
процессов у них была низкой. Ниже, в таблице 3, показано развитие одного
из образцов (D7), имевшего в начале эксперимента семь дихотомий. Из нее
видно, что самым высоким его прирост был в апреле, когда температура
воды достигла положительных значений, а длина дня возросла до 14 часов.

Таблица 3 – Изменения растений Fucus distichus D7 длины, массы и состояния зрелости
рецептакулов в период с 15.12.2017 по 16.05.2018 гг.

ДатаLобщ,Мобщ,Рецепта-Стадии зрелости рецептакулов
измеренийммгкулы, шт.Ф0Ф1Ф2Ф3Ф4Ф5
15.12.20171055,59120120000
25.12.20171075,96120120000
11.01.20181086,33120120000
16.02.20181107,11120102000
23.03.20181117,3512057000
23.04.20181198,2112036300
16.05.201813110,1216027421

Изучение воздействия температуры и продолжительности дня на
эмбриональное развитие F. distichus вели при трех температурных режимах
и одинаковой солености 28 ‰. Серию 1 культивировали при 10ºC
и фотопериоде 12 : 12, серию 2 – при 8ºC и фотопериоде 8 : 16, серию 3 –
при 2ºC и фотопериоде 8 : 16. Развитие проростков во всех сериях в течение
всего эксперимента протекало без видимых нарушений цитокинетических
процессов и однообразном соотношении длины ризоидальной и
талломической частей. Наиболее активный рост имели проростки в серии 1.
За 72 дня эксперимента их средняя длина достигла 1,96 мкм. Проростки
в серии 2 не превышали 1,5 мм, а в серии 3 – 1 мм. Морфофункциональная
дифференциация эмбрионов в разных сериях происходила с разной
скоростью.
Во время зимних отливов не покрытые льдом проростки фукуса
испытывают воздействие низкой отрицательной температуры воздуха.
Для выяснения влияния полного их промораживания на последующее
развитие был проведен лабораторный эксперимент, в ходе которого зиготы,
полученные в ноябре от одного материнского растения, поместили в две
чашки Петри с одинаковой культуральной средой. После семи дней
выращивания средняя длина проростков достигла 144,5 мкм. Далее в одной
чашке они продолжали расти еще 72 дня. Другая чашка была помещена
в темную морозильную камеру с температурой −23ºC. По прошествии
382 суток она подверглась поступенчатой разморозке и была перенесена на
72 дня в инкубатор с такими же, как при содержании первой чашки Петри,
температурой – 8ºC, фотопериодом – 8 : 16 ч и интенсивностью освещения –
30 мкмоль·фотон·м−2 · с−1. На рисунке 5 приведены данные, показывающие
изменения во времени длины проростков в обеих чашках Петри. Они
свидетельствуют о том, что эмбрионы, претерпевшие глубокую заморозку,
после оттаивания сохраняют жизнеспособность, но растут почти в два раза
медленнее. Аномалии развития у них отсутствовали.

Рисунок 5 – Изменение длины
проростков Fucus distichus,
культивировавшихся при
длительном замораживании (1)
и без замораживания (2)

В целом проведенные исследования показали, что F. distichus
свойственна чрезвычайно высокая экологическая пластичность. Его взрослые
растения и эмбрионы выносят значительные колебания температуры и
солености, не теряют жизнеспособности даже при глубоком долговременном
замораживании.

Глава 6. Практическое использование фукуса и возможности
его искусственного выращивания в прикамчатских водах
По данным анализа научной литературы описаны уникальные медико-
биологические свойства химических соединений, входящих в состав
F. distichus. Отмечено, что он является перспективным источником
получения сульфатированного полисахарида фукоидана (Гурулева, 2006;
Вафина, 2010). Благодаря ценному химическому составу он является
предметом технологических медико-биологических, медицинских и
фармакологических исследований. Они свидетельствуют о его антивирусной
и антибактериальной активности, радиопротекторных, антикоагулянтных,
онкопротекторных и других полезных свойствах (Имбс, 2010; Крыжановский
и др., 2017). Введение медицинских препаратов из F. distichus в фармакопею
во многом тормозится непостоянством химического состава фукусового
сырья. Его колебания, в свою очередь, зависят от сочетания воздействия
экологических факторов, времени заготовки сырья, технологий его
переработки. Одним из путей решения этой проблемы может быть создание
товарной марикультуры этого вида. Однако в связи с представлениями
о медленном росте и низкой годовой продукции фукуса, он до сих пор не
рассматривался как объект выращивания.
При изучении возможностей использования фукуса в санитарной
марикультуре (Воскобойников, 2005; Пуговкин, 2016) было показано, что он
демонстрирует высочайшую устойчивость к нефтяному и металлическому
загрязнению и способность к их сорбции и биодеструкции. Однако для
создания опытных плантаций эти авторы использовали взрослые растения,
вплетенные в поводцы. Выращивания F. distichus от зиготы до взрослого
зиготоносящего растения до наших исследований никто не проводил.
Для определения мест размещения искусственного субстрата была
проведена сравнительная оценка состояния загрязнения разных участков
побережья Авачинской губы, и выбрана для этого небольшая бухточка
Петропавловский Ковш, испытывающая самое длительное за историю ее
хозяйственного освоения антропогенное воздействие.
Эксперимент по выращиванию фукуса от стадии зигот до взрослых
растений на искусственном субстрате был начат в середине ноября 2017 г.
Для этого был использован семиметровый капроновый канат 5,5 см
в поперечнике. В связи с высокой посещаемостью района он был уложен по
всей ширине литоральной зоны на поверхность каменисто-галечного пляжа.
Перед началом эксперимента шесть дней он пролежал в воде для появления
на нем бактериальной пленки. В лабораторных условиях с использованием
простимулированных рецептакулов была получена суспензия зигот высокой
плотности. Немедленно она была вывезена на берег и использована для
двукратной поливки обнажившегося во время отлива каната.
В течение последующих недель для определения состояния проростков
брали нити каната и просматривали их под бинокуляром. В результате было
установлено, что через 21 час после оседания зигот они поделились.
На восьмые сутки проростки фукуса состояли уже из 4–9 клеток. К тридцатому
дню эксперимента они достигли 580–645 мкм длины. Зимой наблюдения за
развитием проростков фукуса не вели. В зримом виде они появились на канате
только в марте 2018 г. К 1 апреля они достигли 7 мм длины и имели еще
неподеленную вершину. К 14.12.2018 г. растения достигли 165 мм длины
и сформировали восемь порядков дихотомических ветвей. Закладка самых
первых концептакулов (Ф0) была отмечена у них в мае. Первые рецептакулы
у них созрели к концу первой декады сентября. До конца 2018 г. растения
размножались не столь активно. В 2019 г. пик их размножения пришелся на
конец сентября и особенно на первую декаду октября.
Поскольку к концу осени 2019 г. уже подросли и созрели представители
дочернего поколения, эксперимент был завершен. Он с очевидностью
продемонстрировал возможность выращивания вида на искусственном
субстрате. Некоторые из собранных за время этого эксперимента фотографий
представлены на рисунке 6.
В прежние годы на литорали побережья Авачинской губы был развит
мощный пояс фукуса (Савич, 2014). Он обеспечивал высокую продуктивность
и биоразнообразие донных альгоценозов. По мере антропогенного загрязнения
он стал редким, а во многих районах и вовсе исчез. Там ныне развиты
малопродуктивные сообщества нитчатых бурых водорослей и представители
отдела Chlorophyta.
456

Рисунок 6 – Развитие Fucus distichus на канате в бухте Петропавловский Ковш
в 2018–2019 гг: синтетический канат (1); сконцентрированная суспензия зигот (2);
зиготы, прикрепившиеся к нитям каната (3); растения D1 в сентябре 2018 г. (4 и 5);
растения D3 в августе 2018 г. (6)

Для изучения возможностей рекультивации побережья и организации
экстенсивной марикультуры было проведено изучение возможности высадки
зигот на естественный грунт. Наблюдения в природе показали, что для
закрепления зигот из-за высокой пористости поверхности наиболее
предпочтительны неокатанные валуны и скалистые платформы. Нами для
этого был выбран доступный для круглогодичного посещения крупный
неподвижный валун в бух. Сероглазка. F. distichus на расстоянии 30 м от него
не встречался, что гарантировало отсутствие на нем его аллохтонных зигот.
Эксперимент по реколонизации естественного субстрата был начат
21.10.2017 г. и завершился 01.06.2019 г. Суспензия зигот была получена на
берегу от произрастающих в той же бухте растений. Полив ею валуна
провели во время сизигийного отлива дважды с интервалом 25 минут.
Предварительно камень увлажняли морской водой. По прошествии 1 часа
45 минут после последнего «посева» зигот он полностью покрылся водой.
Результатом эксперимента было формирование к концу наблюдений на
всей поверхности валуна достаточно плотного фукусового покрова (рис. 7).
С мористой стороны валуна плотность произрастания фукуса из-за более
высокого гидродинамического воздействия на осевшие зиготы была заметно
ниже, чем со стороны, обращенной к берегу. Его вершина оказалась обильно
заселенной, хотя в ходе естественного развития этот вид покрывает, как
правило, только боковые стенки камней и валунов. Отметим также, что
в этом, более прибойном и менее загрязненном месте растения фукуса
развивались более медленно, чем меченые образцы, и были более
кряжистыми. Пик их размножения пришелся на второй год жизни.
Рисунок 7 – Внешний вид искусственного поселения Fucus distichus на валунном грунте.
Валун перед поливкой 29.11.2017 г. (1); растения D7 – D8
на валунном грунте в июле 2019 г. (2)

Проведенное нами исследование показало, что использованная нами
методика высадки зигот на субстрат обеспечивает эффективное сцепление
оплодотворенных яйцеклеток с субстратом. Высокая плотность суспензии
зигот и их избыточное количество обеспечивают формирование на
естественном и искусственном субстрате плотного фукусового покрова.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучению полного цикла развития вида от зиготы до зиготы
способствовала разработка нами методики определения стадий зрелости
рецептакулов по их внешнему виду. В ее основу положены данные изучения
анатомии и морфологии взрослых растений и их половых органов от стадии
их закладки до их созревания. Наблюдения в природе показали, что фукус
развивается, скорее всего, три года. На первом году он в основном растет,
но, имея только три дихотомических ветвления, уже может начать
формирование репродуктивных органов. Вклад первогодних растений
в воспроизводство популяции невелик. Ее осуществляют более взрослые
представители вида.
Изучение развития растений в лабораторных условиях показало, что
фукус имеет растянутый период размножения, и только два его второгодних
растения способны в течение полугода давать жизнеспособные зиготы.
Во всей же популяции вида высев зигот осуществляется почти круглый год.
Он приостанавливается в самые холодные месяцы, но даже тогда у фукуса
продолжаются рост и медленное развитие генеративных органов. Зимуют
представители фукуса с большим количеством рецептакулов, находящихся
на стадии, предшествующей полному созреванию и высыпанию зигот.
Весной при положительной температуре и возрастающей длине дня
происходит дозревание половых продуктов, и уже в апреле – мае у фукуса
имеет место ранневесенний пик массового размножения.
Изучение влияния разных экологических факторов на раннее развитие
F. distichus показало большую устойчивость его эмбрионов к стрессовому
воздействию, позволило определить время, в течение которого они имеют
микроскопические размеры и становятся видимыми невооруженным глазом.
Эти сведения, в свою очередь, позволили нам спланировать и провести
эксперименты по искусственному воспроизводству фукуса в природной
среде, в ходе которых было показано, что в прикамчатских водах он может
стать объектом санитарной и товарной марикультуры.

ВЫВОДЫ
1. Сравнительный анализ морфологии и анатомии рецептакулов
F. distichus позволил выделить пять стадий их зрелости (Ф1 – Ф5) и определить
следующие внешние признаки, соответствующие этим стадиям: Ф1 –
формирование внутренней полости концептакулов и примордиев генеративных
клеток; Ф2 – появление у самых зрелых оогониев экзохитона и двойной
внутренней оболочки; Ф3 – завершение созревания антеридиев и подготовка
к мейотическому делению и формированию яйцеклеток у большинства
оогониев; Ф4 – созревание яйцеклеток и их высыпания из оогониев
и концептакулов; Ф5 – дозревание последних оогониев и максимальное
опустошение концептакулов.
2. Развитие микроскопического многоклеточного кладомного проростка
в лабораторных культурах при температуре 7ºС до 600 мкм длины занимает
26 дней. К четвертому месяцу культивирования молодые проростки достигают
1,0−1,2 мм длины, через 5–5,5 месяца их средняя длина достигает 7 мм.
3. Эксперимент с мечеными растениями разного возраста показал, что
наиболее активный их рост имел место в летне-осенний период. Максимальная
скорость их роста, 2,21 мм/сут, была отмечена в конце сентября. Она была
свойственна представителям вида, начавшим развитие весной в стадиях
D1 – D4. Самое активное размножение у меченых растений наблюдалось в мае
– июне, хотя оно происходило практически постоянно до появления ледостава.
Период между закладкой концептакулов и их созреванием до стадии зрелости
половых продуктов и высыпания зигот длится около 80 дней.
4. Наиболее благоприятным для активного роста и развития
проростков фукуса являются температура 10ºC и 12-часовой световой
период. Температура оказывает значительное влияние на скорость роста
взрослых растений. Она тем больше, чем выше температура воды. Однако
световое довольствие регулирует развитие растений в большей мере, чем
температура. Так, скорость фертилизации у фукуса при осенне-зимнем
уменьшении длины дня уменьшается. В период года с возрастающей длиной
дня она при тех же значениях температуры возрастает.
5. Эмбрионы фукуса, его проростки и взрослые растения
выдерживают значительные колебания солености от 30 ‰ и более до 10 ‰.
Массовая гибель в условиях нулевой солености начинается на шестые сутки,
а полная гибель происходит на пятнадцатые сутки. При этом они остаются не
прикрепленными к субстрату. Экстремально низкая и нулевая соленость
препятствует синтезу адгезивного материала.
6. Лед играет большую роль в распространении фукуса вдоль
побережья. Плавающие льдины являются разносчиком вмерзших в них целых
слоевищ или ветвей и рецептакулов, в том числе с созревшими половыми
продуктами. Зиготы и эмбрионы фукуса не теряют жизнеспособности после их
многомесячного содержания в темноте при температуре −23ºС. Однако
в последующем они отстают в развитии от эмбрионов, полученных от тех же
маточных растений, но не подвергавшихся заморозке.
7. Эксперименты по искусственному выращиванию фукуса из зигот
в природной среде показали, что в прикамчатских водах вполне возможно
введение фукуса в одногодичную санитарную и товарную марикультуру
при условии использования рассады, выращенной в благоприятных
искусственных условиях среды. Суспензию зигот можно с успехом
использовать для создания искусственных поселений фукуса на участках
морских побережий с неподвижными жесткими грунтами.