Низкий уровень кислорода может временно ослеплять морских беспозвоночных

Ученые из Океанографического института Скриппса (Калифорнийский университет в Сан-Диего) обнаружили, что низкий уровень кислорода в морской воде может ослеплять некоторых морских беспозвоночных.

Эти результаты, недавно опубликованные в Journal of Experimental Biology, являются первым доказательством того, что зрение морских беспозвоночных высокочувствительно к количеству доступного кислорода в воде.

Уровень кислорода в океане меняется в глобальном масштабе из-за естественных и антропогенных процессов. Многие морские беспозвоночные зависят от зрения для поиска пищи, укрытия и избегания хищников, особенно на ранних стадиях жизни, когда многие из них являются планктонными. Это особенно верно для ракообразных и головоногих моллюсков, которые являются обычной добычей для других животных и чьи личинки активно мигрируют в толще воды.

Исследования наземных животных показали, что низкий уровень кислорода может влиять на зрение. Фактически, люди могут терять зрительную функцию в условиях гипоксии. Например, у пилотов, летающих на большой высоте, наблюдалось ухудшение зрения, если в кабине не подавался дополнительный кислород. Кроме того, проблемы со здоровьем, такие как высокое кровяное давление и инсульты, связанные с потерей кислорода, могут повреждать зрение.

"Со всеми этими знаниями о влиянии кислорода на зрение наземных животных, мне стало интересно, будут ли морские животные реагировать подобным образом", — сказала Лиллиан Маккормик, ведущий автор исследования, финансируемого Национальным научным фондом, и аспирант Океанографического института Скриппса.

Ее результаты ее шокировали. Изучая четырех местных калифорнийских морских беспозвоночных — кальмара-лолиго, двупятнистого осьминога, тунецного краба и краба-брахиуру — она обнаружила, что зрение ухудшалось на 60–100 процентов в условиях низкого содержания кислорода.

Используя личинок, собранных в водах у института Скриппс, Маккормик тестировала острую реакцию — краткосрочный ответ на воздействие пониженного кислорода — на зрение личинок. Она сотрудничала с Николасом Ошем, исследователем из Департамента психологии Калифорнийского университета в Сан-Диего, чтобы разработать установку для таких мелких образцов.

"Большая часть работы в лаборатории направлена на решение биомедицинских вопросов в зрении млекопитающих, — сказал Ош. — Поэтому было интересно выйти за рамки традиционных модельных систем и применить наши методы в совершенно другой области".

Помещенные на предметный столик микроскопа с проточной морской водой с постепенно снижающимся уровнем кислорода, личинки подвергались световым условиям, которые Маккормик использовала для вызова зрительных реакций. Она измеряла эти реакции с помощью электродов, подключенных к сетчатке личинок. Эта техника называется электроретинограммой.

"Представьте это устройство как аппарат ЭКГ для глаза, — сказала Маккормик. — Вместо измерения электрической активности в сердце, мы смотрим на часть глаза, называемую сетчаткой".

Как только доступность кислорода начала снижаться с уровней, характерных для хорошо насыщенных кислородом поверхностных вод океана, Маккормик сразу же увидела реакцию личинок. Это было особенно верно для краба-брахиуры и кальмара, которые потеряли почти все зрение при самых низких из тестируемых уровнях кислорода — около 20 процентов от поверхностного уровня. Осьминоги продержались дольше, с ухудшением реакции сетчатки только после снижения кислорода до определенного уровня, в то время как тунецные крабы оказались довольно устойчивыми. Взрослые тунецные крабы известны своей толерантностью к водам с низким содержанием кислорода.

"Я была удивлена, увидев, что уже через несколько минут воздействия низкого кислорода некоторые из этих видов стали практически слепыми", — сказала Маккормик.

К счастью, когда уровень кислорода восстанавливался, большинство образцов восстанавливало часть зрительной функции, что указывает на возможную обратимость повреждений при краткосрочных периодах гипоксии.

Маккормик интересует, как это снижение зрения может повлиять на поведение животных, особенно тех, которые испытывают наиболее драматическую потерю зрения. Эти животные полагаются на световые сигналы, и неспособность их обнаружить может повлиять на их выживание. Один из примеров — миграция. Личинки этих видов совершают вертикальные миграции, опускаясь на большие глубины днем и поднимаясь к поверхности ночью, используя изменения интенсивности света в качестве сигнала для миграции.

Кроме того, личинки полагаются на зрение для поиска добычи и избегания хищников. Личинки кальмаров охотятся на быстро плавающую добычу, такую как копеподы, и их зрение для этого критически важно. Скорость реакции сетчатки у личинок кальмаров замедлялась при воздействии низкого кислорода, что указывает на то, что это нарушение зрения может препятствовать способности личинок обнаруживать копепод и питаться. Потеря способности реагировать на изменения интенсивности света — например, на тень хищника — или визуально видеть добычу может снизить выживаемость этих высоковизуальных личинок. Кальмары-лолиго в Сан-Диего могут быть особенно уязвимы, потому что они откладывают яйца в районах, склонных к низкому содержанию кислорода, например, на морском дне возле каньона у Ла-Хойи.

В морской среде уровень кислорода меняется в суточных, сезонных и межгодовых масштабах. Также наблюдаются большие колебания кислорода с глубиной. Однако эти условия меняются из-за антропогенного изменения климата и даже загрязнения. Потепление атмосферы меняет и температуру океана, что уменьшает перемешивание богатых кислородом поверхностных вод с глубинными. Кроме того, прибрежные среды все чаще теряют кислород в процессе, называемом эвтрофикацией, когда избыток питательных веществ в воде вызывает цветение планктона, который затем истощает доступный растворенный в воде кислород. Это может привести к массовой гибели рыб и других морских животных. Эвтрофикация часто является результатом прибрежного загрязнения, такого как сток с сельскохозяйственных угодий или канализационные сбросы. Потери кислорода особенно выражены в районах с естественно низким содержанием кислорода и апвеллингом, например, у побережья Калифорнии.

Эти результаты основаны на острых реакциях, и Маккормик интересует, как долгосрочное воздействие низкого кислорода может повлиять на этих животных в дикой природе. Ее будущая работа будет включать тестирование зрительного поведения в различных кислородных условиях, а также сравнение результатов физиологических и поведенческих исследований с данными об уровне кислорода и света в океане с течением времени.