Альтернативные устойчивые состояния озерных экосистем и критические солености: есть ли жесткая связь?

Н.В. Шадрин

Труды Зоологического института РАН, 2013, 317(Приложение 3):

Резюме

Биологические/экологические системы всех уровней – от молекулярного до экосистемного, как правило, имеют не одно, а несколько устойчивых альтернативных состояний. Осознание этого – суть новой парадигмы в биологии и экологии взамен той, что рассматривает биологические/экологические системы как имеющие одну точку глобальной устойчивости, а все изменения системы – лишь флуктуации вокруг этой точки. Рассмотрены примеры этого для разных уровней организации. Основное внимание уделено альтернативным устойчивым состояниям экосистем гиперсоленых озер Крыма. С позиций множественности устойчивых состояний экосистем анализируется хорошо известная зависимость: «соленость – число видов». Показано наличие двух аспектов этой зависимости – число видов одного устойчивого состояния экосистемы и суммарное число видов всех реализуемых состояниях экосистемы при колебаниях солености.

Ключевые слова

альтернативные фенотипы, гиперсоленые озера, множественность устойчивых состояний, спящее биоразнообразие

Опубликована 21 июня 2013 г.

Литература

Балушкина Е.В., Голубков, С.М., Голубков М.С., Литвинчук Л.Ф. и Шадрин Н.В. 2009. Влияние абиотических и биотических факторов на структурно-функциональную организацию экосистем соленых озер Крыма. Журн. общ. биол., 70(6): 504–514.

Бергер В.Я., Луканин В.В. и Хлебович В.В. 1970. Действие актиномицина D на способность личинок Aurelia aurita и Epheria vincta к акклимации при изменении солености среды. Журн. эволюц. биохимии и физиол., 6: 636—638.

Винберг Г.Г. 1928. Планктонологические и физико-химические исследования Попова пруда. С.Н. Скадовский (ред.) Применение методов физической химии к изучению биологии пресных вод. Москва: Ин-т народного здравоохранения, с. 352–364.

Гаевская Н. 1914. Изменчивость у Artemia Salina. Известія Императорской Академіи Наукъ, VI серiя, 8(16): 1158–1159.

Ермилова Е.В. 2007. Молекулярные аспекты адаптации прокариот. С.-Петербургского университета, Санкт-Петербург: СПбГУ, 298 с.

Заварзин Г.А. 2003. Лекции по природоведческой микробиологии. Москва: Наука, 348 с.

Загородняя Ю.А., Батогова Е.А. и Шадрин Н.В. 2008. Многолетние трансформации планктона в гипергалинном Бакальском озере (Крым) при колебаниях солености. Морск. экол. журн., 7(4): 41–50.

Корочкин Л.И. 1999. Введение в генетику развития. Москва: Наука, 254 с.

Павловская Т.М., Празукин А.В. и Шадрин Н.В. 2009. Сезонные явления в сообществе инфузорий гиперсоленого озера Херсонесское (Крым). Морск. экол. журн., 8(2): 53–63.

Патрушев Л.И. 2000. Экспрессия генов. Москва: Наука, 830 с.

Пригожин И. и Стенгерс И. 2003. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. Москва: Едиториал УРСС, 312 с.

Ступак Е.Э. и Ступак И.В. 2010. Переключение фенотипов клеток Escherichia coli, содержащих циклические дигенные системы с отрицательными обратными связями, при изменении условий культивирования. Генетика, 46(5): 610–615.

Уоддингтон К. 1947. Организаторы и гены. Москва: Иностр. лит-ра, 240 с.

Уоддингтон К.X. 1970. Основные биологические концепции. К.X. Уоддингтон (ред.). На пути к теоретической биологии. I. Пролегомены. Москва: Мир, с. 11—38.

Хакен Г. 2003. Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии. Москва–Ижевск, Ин-т комп. исслед., 320 с.

Хлебович В.В. 1974. Критическая соленость биологических процессов. Ленинград: Наука, 236 с.

Хлебович В.В. 2009. Дискретные адаптивные нормы: механизмы и роль в эволюции. А.Ф. Алимов и С.Д. Степаньянц (ред.). Вид и видообразование. Анализ новых взглядов и тенденций. Труды Зоологического институты РАН. Приложение 1: с. 219–231.

Шадрин Н.В. 2008. Гиперсоленые озера Крыма: общие особенности. В кн.: Ю.Н. Токарев, З.З. Финенко и Н.В. Шадрин (ред.). Микроводоросли Черного моря: проблемы сохранения биоразнообразия и биотехнологического использования. Севастополь: Экоси-гидрофизика, с. 85–93.

Шадрин Н.В. 2010. Особенности экосистем гиперсоленых озер Крыма и новая экосистемная парадигма. Наукові записки Тернопільського національного педагогічного університету iм. Володимира Гнатюка. Серія: Біологія, 4(45): 102–106.

Шадрин Н.В. 2012. Динамика экосистем и эволюция: множественность устойчивых состояний и точки опрокидывания / невозврата. Необходимость нового понимания. Морской экол. журн., 11(2), в печати.

Шадрин Н.В., Загородняя Ю.А. и Батогова Е.А. 2010. Биоразнообразие гиперсоленых озер Крыма: проблемы изучения, сохранения и перспективы использования. Труды Международной научно-практической конференции «Биоразнообразие и устойчивое развитие» (Крым, Симферополь, 19–22 мая 2010 г.). Симферополь: 178–181.

Шлегель Г., Ленгелер Й. и Древс Г. (Ред.) 2005. Современная микробиология. Прокариоты. Том 1. Mосква: Мир, 656 c.

Alyabyev A.Ju., Loseva N.L., Gordon L.Kh., Andreyeva I.N., Rachimova G.G., Tribunskih V.I., Ponomareva A.A. and Kemp R.B. 2007. The effect of changes in salinity on the energy yielding processes of Chlorella vulgaris and Dunaliella maritima cells. Thermochimica Acta, 458: 65–70. https://doi.org/10.1016/j.tca.2007.03.003

Anikin W.P. 1898. Einige biologische Beobachtungen uber die Crustacean der Gattung Artemia. Zool. Zbl., 6: 757–760.

Baxevanis A.D., El-Bermawi N., Abatzopoulos T.J. and Sorgeloos P. 1995. International study on Artemia XLIX. Salinity effects on survival, maturity, growth, biometrics, reproductive and lifespan characteristics of a bisexual and a parthenogenetic population of Artemia. Hydrobiologia, 302(3): 215–227. https://doi.org/10.1007/BF00032111

Czesny S., Epifanio J. and Michalak P. 2012. Genetic Divergence between Freshwater and Marine Morphs of Alewife (Alosa pseudoharengus): A ‘Next-Generation’ Sequencing Analysis. PLoS ONE, 7(3): 31803. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0031803

Dent C.L., Cumming G.S. and Carpenter S.R. 2002. Multiple states in river lake ecosystems. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B, 357(1421): 635–645. https://doi.org/10.1098/rstb.2001.0991

Gilbert S.F. 2005. Mechanisms for the environmental regulation of gene expression: Ecological aspects of animal development; J. Biosci., 30: 65–74. https://doi.org/10.1007/BF02705151

Grant W.D. 2004. Life at low water activity. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B, 359: 1249–1267. https://doi.org/10.1098/rstb.2004.1502

Heipa J., Moensa L. and Kondo M. 1978. Effect of concentrations of salt and oxygen on the synthesis of extracellular hemoglobins during development of Artemia salina. Developmental Biology, 63(1): 247–251. https://doi.org/10.1016/0012-1606(78)90130-6

Jackson L. 2003. Macrophyte-dominated and turbid states of shallow lakes: Evidence from Alberta lakes. Ecosystems, 6: 213–223. https://doi.org/10.1007/s10021-002-0001-3

Katz A., Waridel P., Shevchenko A. and Pick U. 2007. Salt-induced Changes in the Plasma Membrane Proteome of the Halotolerant Alga Dunaliella salina as Revealed by Blue Native Gel Electrophoresis and Nano-LC-MS/MS Analysis. Molecular and Cellular Proteomics, 6: 1459–1472. https://doi.org/10.1074/mcp.M700002-MCP200

Krivega I. and Dean A. 2011. Enhancer and promoter interactions–long distance calls. Current Opinion in Genetics and Development, 22: 1–7. https://doi.org/10.1016/j.gde.2011.11.001

Lewontin R.C. 1969. Meaning of stability. In: O.M. Woodwell and H.H. Smith (Eds.) Diversity and stability in ecological systems (Brookhaven Symposia in Biology, № 22). Brookhaven Laboratory, New York: P. 13–24.

Liska A.J., Shevhenko A., Pick U. and Katz A. 2004. Enhanced photosynthesis and redox energy production contribute to salinity tolerance in Dunaliella as revealed by homology-based proteomics. Plant Physiol., 136: 2806–2817. https://doi.org/10.1104/pp.104.039438

MacRae T.H. 2010. Gene expression, metabolic regulation and stress tolerance during diapause. Cellular and Molecular Life Sciences, 67(14): 2405–2424. https://doi.org/10.1007/s00018-010-0311-0

Miyakawa H., Imai M., Sugimoto N., Ishikawa Y., Ishikawa A., Ishigaki H., Okada Y., Miyazaki S., Koshikawa S., Cornette R. and Miura T. 2010. Gene up-regulation in response to predator kairomones in the water flea, Daphnia pulex. BMC Developmental Biology, 10: 45. https://doi.org/10.1186/1471-213X-10-45

Nilsen T.W. and Graveley B.R. 2010. Expansion of the eukaryotic proteome by alternative splicing. Nature, 463: 457–463. https://doi.org/10.1038/nature08909

Oren A. 2005. A hundred years of Dunaliella research: 1905–2005. Saline Systems, 1(2): https://www.salinesystems.org/content/1/1/2

Paez D.J., Brisson-Bonenefant C., Rossignol O., Guderley H.E., Bernatchez L. and Dodson J.J. 2011. Alternative developmental pathways and the propensity to migrate: a case study in the Atlantic salmon. J. Evol. Biology, 24: 245–255. https://doi.org/10.1111/j.1420-9101.2010.02159.x

Petraitis P.S., Methratta E.T. and Rhile E.C. 2009. Experimental confirmation of multiple community states in marine ecosystems. Oecologia, 161(1): 139–48. https://doi.org/10.1007/s00442-009-1350-9

Scheffer M. 2001. Alternative attractors of shallow lakes. The Scientific World, 1: 254–263. https://doi.org/10.1100/tsw.2001.62

Scheffer M., Bascompte J. and Brock W.A. 2009. Early-warning signals for critical transitions. Nature, 461: 53–59. https://doi.org/10.1038/nature08227

Schmankewitsch M.W.J. 1876. On the relations of Artemia salina and Artemia Mühlhausenii, and on the genus Branchipus. J. Natural History, seria. 4, 17(99): 256–258. https://doi.org/10.1080/00222937608681940

Shadrin N.V. 2009. The Crimean hypersaline lakes: towards development of scientific basis of integrated sustainable management. 13th World Lake Conference, Wuhan (China): http://www.ilec.or.jp/eg/wlc/wlc13/wlc13papers1.html; https://wldb.ilec.or.jp/data/ilec/WLC13_Papers/S12/s12-1.pdf

Shadrin N.V. and Anufriieva E.V. 2012. Notes on the biogeography of Artemia in Russia. Int. J. Artemia Biology, 2(1), in press.

Sultana R., Kazmi Q.B., Nasir M., Amir F., Ali W. and Shadrin N.V. 2011. Indomysis annandalei W. Tattersall, 1914 (Mysidaсеа: Mysidae) from Pakistan coastal waters – eurythermal and euryhaline opossum shrimp. Marine Ecological J, 10(3): 57–66.

Uvarov B.P. 1923. Notes on Locusts of Economic Importance, with some new Data on the Periodicity of Locust Invasion. Bulletin of Entomological Res., 14: 31–39. https://doi.org/10.1017/S0007485300028182

Zhu X.-J., Feng C.-Z., Dai Z.-M., Zhang R.-C. and Yang W.-J. 2007. AMPK alpha subunit gene characterization in Artemia and expression during development and in response to stress. Stress, 10(1): 53–63. https://doi.org/10.1080/10253890601130773