Suplement XXXVI
Przegląd zoologiczny, XXIV, z. 4 (1980), s. 447-456
Niezwykły rozród „ryb jednorocznych”
Unusual reproduction of annual fishes
AURELIA PAWŁOWSKA-INDYK
– 447 –
W początkach naszego stulecia odkryto na obszarach tropikalnej Afryki i Ameryki Południowej grupę ryb żyjących w bardzo małych zbiornikach. Zbiorniki te w suchej porze roku całkowicie wysychają, a z nastaniem pory deszczowej znów wypełniają się wodą. Ryby te należą do rodziny Cyprinodontidae podrodziny Rivulinae. Dorosłe osobniki są niewielkich rozmiarów, np. Austrofundulus myersi 50-80 mm długości. Zaznacza się u nich dymorfizm płciowy; samce są mniejsze od samic i jaskrawiej ubarwione. Dojrzałość płciową uzyskują w wieku 6-8 tygodni po wylęgu, a więc wcześniej niż większość innych Teleostei. Po osiągnięciu dojrzałości płciowej zaczyna się okres tarła, który trwa dopóty, dopóki procesy starzenia lub śmierć osobników nie przerwą tego procesu. Dzienna porcja jaj uzyskanych od jednej samicy w warunkach laboratoryjnych wynosi 100-200. Jak widać, charakteryzują się one wysokimi możliwościami rozrodczymi.
W odróżnieniu od szeregu innych ryb żyjących w czasowo wysychających zbiornikach, jak Protopterus, Lepidosiren czy niektórych piskorzowatych, które przeżywają suchą porę zagrzebane w mule, wszystkie osobniki zarówno dorosłe, jak i młode podrodziny Rivulinae w tym okresie giną. Populacja przez długie okresy trwa tylko w postaci jaj zagrzebanych w mule. W okresie następnej pory deszczowej jaja odżywają i rozwijają się. Powstają z larwy, a następnie dorosłe osobniki, które po osiągnięciu dojrzałości płciowej przystępują do rozrodu i cykl się zamyka. Stąd nazwano je rybami rocznymi (annual fishes, ryc. 1).
Warunki środowiska, w jakich zachodzi rozwój Rivulinae, charakteryzują się gwałtownymi wahaniami czynników zewnętrznych. Po złożeniu ikry w ilaste dno dostaje się ona w środowisko, które prawie całkowicie pozbawione jest tlenu (z powodu gnijących na dnie szczątków roślinnych), a zawiera dużą ilość CO2. W następstwie wyparowywania zwiększa się zawartość soli i gwałtownie wzrasta twardość wody. Temperatura w zbiornikach zamieszkałych przez przedstawicieli podrodziny Rivulinae także waha się w szerokich granicach. Dla przy-
– 448 –
Ryc. 1. Cykl życiowy Austrofundulus myersi Dahl.
1 — tarło ryb przez okres kilku miesięcy; 2 — składanie jaj w błotniste podłoże; 3 — wyparowywanie wody ze środowiska, dorosłe ryby giną, jaja przeżywają w glebie; 4 — z nadejściem sezonu deszczowego środowisko napełnia się wodą — część jaj wylęga się; 5 — szybki wzrost larw i młodych; 6 — przedwczesne osiągnięcie dojrzałości płciowe. Krótko potem zaczyna się tarło (wg Wourmsa, 1972b)
kładu w małych zbiornikach pampasów Argentyny, gdzie występuje jeden z przedstawicieli tej podrodziny (Cynolebias nigripinnis), temperatura waha się od 8 do 35°C (Avni, Soin, 1974). Takie ostre zmiany warunków środowiska zachodzą z początkiem wysychania zbiornika. W tych warunkach ikrę ochrania od prostopadle padających promieni słonecznych jedynie gruba warstwa podsuszonego mułu zawierającego resztki wilgoci. W czasie wysychania zbiornika zmniejsza się ilość CO2 w glebie, a wzrasta zawartość tlenu. Z nastaniem pory deszczowej, dzięki wznowionym procesom gnicia w przydennych warstwach wody znów szybko spada koncentracja tlenu, a zwiększa się zawartość CO2. W tym czasie zmienia się również twardość i kwasowość wody. Nic więc dziwnego, że w tak zmiennych warunkach bytowania w
– 449 –
Nic więc dziwnego, że w tak zmiennych warunkach bytowania w procesie embriogenezy tych ryb wykształcił się cały szereg przystosowań pozwalających na przeżycie populacji w tych skrajnych warunkach środowiskowych.
Ikra tych ryb ma grube osłonki o specjalnej strukturze, które chronią jajo nie tylko przed nadmierną utratą wody przez parowanie, ale i są bardzo wytrzymałe na ucisk mechaniczny. Warstewka mułu pokrywająca osłonkę jest dodatkowym zabezpieczeniem jaja przed wysychaniem.
Najbardziej swoistym przystosowaniem jest występowanie diapauzy w określonych stadiach rozwoju zarodkowego. Diapauza I występuje w stadium, w którym proces epibolii jest zakończony i cała kula żółtkowa jest pokryta periblastem i warstwą pokrywową, a wewnętrzne, ameboidalne blastomery są luźno rozproszone między obu tymi warstwami (stadium 20 dla Austrofundulus myersi; Wourms, 1972a). Warstwa pokrywająca blastodermy ochrania rozwijający się zarodek od niekorzystnych wpływów środowiska aż do momentu wylęgu. Warstwę tę utożsamia się z amnionem owadów, a także z amnionem Sauropsida (Avni, Soin, 1974).
Diapauza II występuje w stadium 38 somitów (stadium 33 dla (A. myersi); Wourms, 1972a). Tuż przed wylęgiem zarodek wchodzi w stadium III diapauzy (stadium 43 dla (A. myersi); Wourms, 1972a). W tym czasie przestaje rosnąć, objętość woreczka żółtkowego pozostaje bez widocznych zmian. Zarodki są nieruchome i zupełnie nie reagują na bodźce zewnętrzne (mechaniczne, chemiczne, świetlne). Bicie serca i cyrkulacja krwi są nieregularne i prawie zupełnie ustają.
Niezależnie od tego, czy jaja przechodziły diapauzę III czy też nie, wykluwające się zarodki znajdują się w jednakowym określonym stadium rozwoju morfologicznego. Świadczy to o tym, że w czasie diapauzy III procesy życiowe zarodka są skrajnie zwolnione i proces wzrostu jest zatrzymany. Istnieją dane, że w pewnych przypadkach zarodki mogą pozostawać w stanie diapauzy III nawet przez okres 18 – 24 miesięcy (Pienaar, 1968, cyt. wg Wourmsa, 1972b), a nawet 5 lat (Myers, cyt. wg Wourmsa, 1972b). Ponadto stwierdzono , że czas trwania diapauzy III jest zmienny indywidualnie nawet u zarodków pochodzących z jednego złożenia ikry i rozwijających się w takich samych warunkach.
Istnieje wiele badań, w których eksperymentalnie zatrzymywano rozwój u różnych gatunków Teleostei. W większości przypadków stwierdzono , że gdy przerwa była zbyt długa, jaja lub zarodki ginęły lub dalszy rozwój był nienormalny (Holiday, 1969; Blaxter, 1969). Wyniki tych badań zostały potwierdzone u większości organizmów.
Rozwój embrionalny cechuje określona homeostaza wypracowana ewolucyjnie i jest on tak długo normalny, jak długo czynniki środowiska
– 450 –
mieszczą się w pewnych granicach. Jeśli granica ta zostanie przekroczona, rozwój staje się zaburzony lub kończy się śmiercią. I tak stało się prawdopodobnie w przypadku większości podejmowanych eksperymentów. Nieszkodliwe dla zarodka zatrzymanie rozwoju może występować tylko wtedy, kiedy rozwój zostaje odpowiednio zmodyfikowany. Może to zajść np. przez modyfikację określonego etapu rozwojowego lub dodanie stadiów, w których staje się możliwe zatrzymanie rozwoju
Przerwa w rozwoju ryb jednorocznych jest typowym przykładem diapauzy, a więc morfologiczno-fizjologiczną modyfikacją rozwoju. Fizjologiczna modyfikacja mechanizmów kontroli rozwoju pozwala na to, że jaja albo rozwijają się w sposób ciągły lub też przechodzą przez okres przedłużonej przerwy.
U wszystkich przedstawicieli podrodziny Rivulinae, diapauza III jest obligatoryczna, II obligatoryczna lub fakultatywna, a I fakultatywna. Populacja może zawierać osobniki, które przeszły przez wszystkie diapauzy, lecz również takie, u których nie wystąpiła żadna z nich (escape eggs). Obie drogi rozwoju są prawidłowe (ryc. 2). Krzywa A obrazuje szybkość rozwoju Fundulus heteroclitus. Jego rozwój przebiega w sposób ciągły (10 dni w temperaturze 20°C) od zapłodnienia do wylęgu. Krzywa B przedstawia szybkość rozwoju nie podlegających diapauzie jaj (escape eggs) A. myersi. Jaja te rozwijają się w sposób ciągły w ciągu 40 dni w temperaturze 25°C. Krzywa C przedstawia wzór rozwoju typowych rocznych ryb, który trwa 281 dni w tym 30 dni przypada na diapauzę I, 106 na diapauzę II i 105 na III.
Ryc. 2. Szybkość rozwoju Fundulus i Astrofundulus
A — Fundulus, B — nie podlegające diapauzie Jaja (escape eggs) Austrofundulus, C — diapauzujące jaja Austrofundulus. Przerywana linia oznacza trwanie diapauzy (wg Wourmsa, 1972b)
– 451-
Diapauza ryb jednorocznych, podobnie jak diapauza owadów, jest zjawiskiem ekologicznym. Stadia potencjalnego zahamowania są „zakodowane” w normalnej drodze rozwoju. Fakt, że istnieją subpopulacje jaj gatunków ryb jednorocznych, które nie przechodzą przez diapauzy, jak również to, że występuje rozmaita długość trwania obowiązkowej diapauzy sugerują jednakże, że proces ten u ryb jednorocznych ma bardzo szeroką normę reakcji. Podobnie jest u niektórych owadów, np. Lees (1955) stwierdził, że występowanie i czas trwania diapauzy w rozwoju jedwabnika są również częściowo uzależnione od warunków środowiskowych. Sądzę, że należało oczekiwać takich wyników bowiem zrozumiałe jest, że baza genetyczna tak złożonego zjawiska fizjologicznego, jakim jest diapauza, musi być skomplikowana (poligeny) i musi mieć szeroką normę reakcji — ze względu na ustawicznie zmieniające się warunki środowiskowe.
U owadów, których rozwój cechuje się występowaniem diapauzy, można ją wywołać, stosując różne bodźce środowiskowe, jak np. zróżnicowanie oświetlenia, zimne szoki.
Wszystkie znane przykłady diapauzy ryb jednorocznych wydają się zależeć od warunków środowiska. I tak diapauza I i II występują tylko w przypadku gwałtownych zmian tlenowych i termicznych. Według danych Petersa (1963) diapauzę I można wywołać obniżeniem zawartości tlenu w wodzie. Z badań Wourmsa (1972b) wynika, że diapauza I występowała w temperaturze 15°C, natomiast nie występowała w temperaturze 30°C. Również częściowe odwodnienie może spowodować występowanie diapauzy II.
Nie stwierdzono, aby bezpośrednim czynnikiem wywołującym diapauzę był brak wody. U Nothobranchius guentheri diapauza I wystąpiła zarówno u zarodków rozwijających się w glebie, jak i w wodzie, w temperaturze 25°C, a czas jej trwania był w obu przypadkach podobny (Avni, Soin, 1974). W tym wypadku przedstawiciele podrodziny Rivulinae wyraźnie odróżniają się od bezkręgowców zapadających w stan anabiozy w okresie suszy, u których czas trwania anabiozy jest całkowicie uzależniony od wilgotności otaczającego środowiska (Szmidt, 1955).
Dla normalnego rozwoju ikry ryb jednorocznych bardziej decydujące są warunki tlenowe i temperaturowe. Jak wiadomo również ikra wielu innych ryb, np. jesiotrowatych, łososiowatych, może rozwijać się normalnie przez pewien okres w wilgotnym środowisku; dopiero naruszenie warunków gazowych lub temperaturowych powoduje jej zamieranie, natomiast u przedstawicieli podrodziny Rivulinae przeżycie ikry w takich warunkach umożliwia diapauza.
Sam wyląg wydaje się być procesem bardziej fizjologicznym niż rozwojowym. Obligatoryczna diapauza III mogła powstać w wyniku
– 452 –
nasilenia zjawiska opóźnionego wylęgu występującego u pewnych niejednorocznych Cyprinodontidae i jego utrwalenia w rozwoju ryb jednorocznych. Można założyć taką ewolucyjną kolejność: normalny wyląg, opóźniony wyląg, „odłożony wyląg” (fakultatywna diapauza?) i diapauza III ryb jednorocznych (obligatoryczna) czyli „utrwalony przedłużony wyląg”.
Diapauza przed wylęgiem może fizjologicznie odpowiadać snu letniemu starych afrykańskich ryb dwudysznych, np. Protopterus. A więc diapauza III ryb jednorocznych może być uważana za rodzaj snu letniego zarodków wchodzących w rozwój postembrionalny. Zatem zarówno u ryb dwudysznych, jak i u zarodków ryb jednorocznych kryptobioza występuje u organizmów całkowicie uformowanych z funkcjonującym w pełni systemem organów.
Jak dotąd, niewiele wiadomo o czynnikach kontrolujących początek i koniec przymusowej diapauzy III. Być może, że fotoperiodyzm odgrywa jakąś rolę w diapauzie annual fishes, ponieważ są przekonywające dowody fotoperiodycznej kontroli diapauzy owadów (Ryan, 1965; Saunders, 1966). Samice owadów poddane warunkom krótkiego dnia i niskiej temperatury produkowały niewiele diapauzujących larw. U owadów również wiek samicy wpływa na czas trwania diapauzy. Im samica starsza tym większa ilość diapauzujących larw (Saunders, 1962).
Znane są prace nad wpływem fotoperiodyzmu na rozród ryb, czyli na aktywność gonad ryb, które normalnie podlegają rocznym cyklom rozrodu (Vasal, Sundararaj, 1976; de Vlaming 1975 i inni). Ryby jednoroczne wydają się nie podlegać tym cyklom, ponieważ są zdolne do rozrodu aż do starości. Są jednak badania wskazujące, że diapauza ryb jednorocznych może występować wtedy, kiedy dorosłe są poddawane warunkom krótkiego dnia (Markofsky, Matias, 1977).
Czy trwałe populacje wodnych organizmów mogą przeżywać w sezonowych zbiornikach wodnych? Możliwość takiego przeżycia opiera się na jednym z dwu sposobów: ucieczka w „przestrzeń” lub w czasie. Innymi słowy organizmy mogą migrować do bardziej korzystnych środowisk lub mogą zapadać w stan kryptobiozy. Ryby jednoroczne „wybrały” tę drugą możliwość — populacja przeżywa w postaci diapauzujących jaj. Obraz ten komplikuje się jednak przez obecność unikających diapauzy jaj oraz przez występowanie diapauzy o zmiennym czasie trwania.
W środowisku ryb jednorocznych działa wiele nieprzewidywalnych czynników i wiele fałszywych bodźców — jest to środowisko dużego ryzyka dla populacji gatunku. Hipoteza głosząca, że roczne cykle annual fishes pokrywają się z rocznymi cyklami klimatycznymi, tzn. z jednym mokrym i jednym suchym sezonem, jest uproszczona. W rzeczywistości
– 453 –
ten roczny cykl klimatyczny nie jest ustalony i nie daje się przewidzieć. I tak w ciągu roku populacja może być wystawiona na działanie jednego wilgotnego i jednego suchego okresu, albo dwóch mokrych i dwóch suchych okresów. Może czasami występować tzw. „fałszywy” mokry sezon lub całoroczna susza, a czasami trwający cały rok sezon mokry.
W naturalnych warunkach, gdzie przebywają te ryby w czasie suszy, bywają okresy krótkotrwałych ulewnych deszczy, kiedy wyschnięte zbiorniki tylko na krótki napełniają się wodą, a potem znów szybko wysychają („fałszywy” mokry sezon). Ten krótkotrwały deszcz stymuluje wyląg tylko tych zarodków , które w danym momencie kończą diapauzę III . Jeśli spowodowane tymi ulewami nasycenie środowiska wodą trwa krócej niż 7 – 12 tygodni (minimum czasu generacyjnego wymaganego dla korzystnej produkcji nowych populacji jaj), populacja może wyginąć. Jednak do momentu wystąpienia długotrwałych deszczy zostaje zawsze w podsuszonym podłożu dostateczna liczba jaj z bardziej wydłużoną diapauzą III. Z nich to wykluwają się zarodki, które dają nowe pokolenie dojrzałych płciowo ryb, zabezpieczając w ten sposób dalszą egzystencję populacji.
Zachodzi pytanie: jak daleko idące są zależności przejawiające się w pętlach sprzężeń zwrotnych między populacją jaj a czynnikami środowiska. Jest oczywiste, że częściowo wysuszone jaja mogą reagować na obecność wody, ale nie da się przewidzieć, czy woda będzie dostatecznie długo, by starczyło jej do założenia nowej generacji.
Plan przeżywania bazuje w tym przypadku na tzw. efekcie zwielokrotnienia (multipler effect), tzn. wbudowaniu w drogę rozwoju trzech okresów diapauzy różnic modyfikujących całkowity czas rozwoju. Można to przedstawić schematem (ryc. 3). Z pojedynczej populacji jaj identycznego wieku, można wyprowadzić kilka subpopulacji, z których każda będzie się rozwijała według innego planu. Pojedyncze jajo, rozwijając się, napotyka w rozwoju trzy punkty A, B, C, które odpowiadają stadiom, w których występują odpowiednio diapauzy I, II i III. W każdym takim rozstajnym punkcie istnieją dwie możliwości dalszego rozwoju. W zależności od tego, która możliwość zostanie zrealizowana, jajo może rozwijać się dalej według jednego z ośmiu wariantów. Warianty te różnią się czasem trwania rozwoju. Całkowity czas rozwoju nie przechodzących przez diapauzę jaj wynosi 40 dni, 30 dni, diapauza II — 106 dni i diapauza III — 105 dni. Po podstawieniu tych wartości otrzymujemy całkowity czas rozwoju dla wszystkich wariantów.
Efekt zwielokrotnienia jest dobrze widoczny, kiedy rozpatruje się go w odniesieniu do całkowitej liczby jaj uzyskanych od jednej samicy w ciągu dnia. Rezultaty mogą być dwojakie: 1. wewnątrz pojedynczej
– 454 –
Ryc. 3. Efekt zwielokrotnienia w rozwoju ryb jednorocznych
F — zapłodnienie, A — stadium 20, B — stadium 33, C — stadium 43 (stadia rozwoju Austrofundulus myersi; Wourms, 1972a); H2 H3 itd. — całkowity czas rozwoju od zapłodnienia do wylęgu dla każdej grupy; DI, DII, DIII — zmienny czas trwania odpowiednio diapauzy I, II, III; a — czas rozwoju od stadium 1-20, b — czas rozwoju od stadium 20-33, c — czas rozwoju od stadium 33-43, d — czas rozwoju od stadium 43-44. a, b, c, d są potraktowane jako wartości stałe (wg Wourmsa, 1972b)
populacji jaj tego samego wieku poszczególne jaja różnią się znacznie wymaganym czasem rozwoju, 2. w każdym momencie rozwoju obecnych będzie wiele różnych stadiów rozwoju. Jest to forma rozwojowego polimorfizmu. Populacja jest utrzymana dzięki temu, że zawsze istnieje określona część jaj, które wylęgają się w sprzyjających okolicznościach i przeżywają do rozrodu. Subpopulacja „escape eggs” ma wartość dla przeżywania populacji tylko wtedy, jeśli środowisko przez cały czas rozwoju (6 miesięcy) było wysycone wodą. Tak więc ciągłość populacji zostaje zachowana mimo kataklizmów ekologicznych.
Nie ma jeszcze odpowiedzi na pytania: do jakiego stopnia jajo może być odwodnione bez wywołania zaburzeń żywotności i czy typ jaj składanych przez samicę jest uwarunkowany środowiskowo, oraz czy skład populacji jaj zmienia się w zależności od wieku matki.
Swoiste warunki tarła, jak i istotne zmiany, które zaszły w związku z tym w charakterze rozwoju zarodków podrodziny Rivulinae, dają podstawę do wydzielenia tych ryb w specjalną aridofilną grupę ekologiczną (Gulidov, 1978).
– 455 –
Summary
Annual fishes are a group of cyprinodontid fishes found in temporary bodies of fresh water located in savannah regions and sometimes in forest areas of South America and Africa. These fishes are common only in isolated water holes, swamps, and puddles that dry up seasonally. Complete drying out of aquatic habitat results in the death of all adult and juvenile individuals. The population survives for long periods only in the form of eggs buried in the mud. During the subsequent rainy season, the ponds refill, the eggs hatch, and the larvae rapidly grow to maturity and reproduce. The population in a given location is permanent in spite of fluctuations in the annual climatic cycle.
Recently, survival of the population in the egg form has been correlated with the unique developmental characteristics of the eggs. The ability of annual fish eggs to undergo multiphase diapause affords the sole means for continued survival of permanent populations.
Literatura
Avni, A. A., Soin, S. G., 1974: Prisposobitelnye osobiennosti embriogeneza notobrancha Nothobranchius guentheri (Pfeffer) v sviazi s obitaniem v tropičeskich vremienno peresichajuščich vodoemach. Vopr. Ichtiol., 14: 846-858.
Blaxter, J. H. S., 1969: Development: Eggs and Larvae. Fisch Physiology. Vol. 3. W. S. Hoar and D. J. Randall, eds. Academic Press, New York, 177-252.
de Vlaming, V. L., 1975: Effects of photoperiod and temperature on the gonadal activity in the cyprinid fish Notemigonus crysoleucas. Biol. Bull., 148: 402-415.
Gulidov, M. V., 1968: Nekotorye osobiennosti embrionalnego razvitia ryb vremienno peresychajuščich tropičeskich vodoemov. Morfo-Ekolog. Issledovania Rozvitia Ryb, Nauka: 136-141.
Holiday, F. G. T., 1969: The effects of salinity on the eggs and larvae of teleosts. Fish Physiology. Vol. 1. W. S. Hoar and D. J. Randall, eds. Academic Press, New York, 293-311.
Lees, A. D., 1955: The Physiology of Diapause in Arthropods. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 151 pp.
Markofsky, J., Matias, J. R., 1977: The effects of temperature and season of collection on the onset and duration of diapause in embryos of the annual fish Nothobranchius guentheri. J. Exp. Zool., 202 : 49-96.
Peters, N., 1963: Embryonale Anpassungen oviparer Zahnkarpfen aus periodisch austrocknenden Gewässern. Int. Rev. ges. Hydrobiol., 48: 257-313.
Ryan, R. B., 1965: Maternal influence on diapause in a parasitic insect Coeloides brunneri Vier. (Hymenoptero: Braconidae). J. Insect Physiol., 11: 1331-1336.
Saunders, D. S., 1962: The effect on the age of female Nasonia vitripennis (Walker) (Hymenoptera, Pteromalidae) upon the incidence of larval diapause. J. Insect Physiol., 8: 309-318.
Saunders, D. S., 1966: Larval diapause of maternal origin. II. The effect of photoperiod and temperature on Nasonia vitripennis. J. Insect Physiol., 12: 569-581.
Schmidt, P. U., 1955: Anabios. Izd. AN ZSRR.
Vasal, S., Sundararaj, B. I., 1976: Response of the ovary in the catfish Heteropneustes fossilis (Bloch) to various combinations of photoperiod and temperature. J. Exp. Zool., 197: 247-264.
– 456 –
Wourms J. P. (1972a). The developmental biology of annual fishes I. Stages in the normal development of Austrofundulus myersi Dahl. J. Exp. Zool. 182, 143-167.
Wourms J. P. (1972b). The developmental biology of annual fishes. II. Naturally occurring dispersion and reaggregation of blastomers during the development of annual fish eggs. J. Exp. Zool. 182, 169-200.
Wourms J. P. (1972c). The developmental biology of annual fishes III. Pre-embryonic and embryonic diapause of variable duration in the eggs of annual fishes. J. Exp. Zool. 182, 389-414.
Linki:
http://www.sdbonline.org/2008ShortCourse/BEROIS%20Lecture.pdf
http://www.laylinegenomics.com/download/furzeri/Nothoreview.pdf