Suplement LIX
ZESZYTY NAUKOWE
WYŻSZEJ SZKOŁY ROLNICZEJ W OLSZTYNIE
Skrót: Abbrev.: Zesz nauk. WSR Olszt.
Tom 23, Nr 555, Rok 1967
Katedra Ichtiologii
Kierownik Katedry: prof. dr E. Grabda
Bernard Kłyszejko
Reakcje niektórych ryb słodkowodnych
na zwiększone zawartości wolnego dwutlenku węgla
w środowisku
W pracy nad wpływem wolnego dwutlenku węgla na reakcje kilku ryb słodkowodnych wykazano istnienie znacznych różnic gatunkowych we wrażliwości na podwyższoną koncentrację tego gazu w wodzie.
Największą wrażliwość wykazały gatunki ryb żyjących w dobrze lub stosunkowo dobrze natlenionej wodzie, mniej wrażliwymi okazały się ryby, których środowisko wykazuje często deficyt tlenowy lub podwyższoną koncentrację wolnego dwutlenku węgla.
Dotychczasowe badania nad wolnym dwutlenkiem węgla ujawniły szereg zależności między obecnością tego gazu w środowisku wodnym a przemianą oddechową ryb.
Krogh i Leitch [13], Root [17], Ferguson i Black [5], Saunders [18] ustalili, że obecność wolnego dwutlenku węgla we krwi ryb, podobnie jak to ma miejsce u wyższych kręgowców, wyraźnie obniża zdolność przyłączania tlenu przez Hb (efekt Bohra).
Dalsze badania w tym kierunku [7, 19] wykazały, że wielkość efektu Bohra zależy od środowiska ekologicznego danego gatunku. Krzywe dysocjacji Hb ryb żyjących w wodach dobrze natlenionych wykazują znacznie wyższy efekt Bohra w porównaniu z krzywymi dysocjacji hemoglobiny ryb zamieszkujących wody o słabym natlenieniu i wysokiej koncentracji CO2.
Zwiększona zawartość wolnego dwutlenku węgla w środowisku wodnym wywiera wpływ na procent zużywanego zużywanego tlenu oraz tempo jego pobierania przez ryby. Prace na ten temat [3, 8, 9] wykazały, że podniesienie ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla prowadzi do obniżenia procentu zużywanego tlenu przez ryby. Basu [3] zauważył ponadto występowanie dużych różnic gatunkowych u badanych ryb, spośród których najwrażliwszym gatunkiem okazał się pstrąg potokowy, najmniej wrażliwym najmniej wrażliwym — sumik amerykański.
Nieznaczny wzrost koncentracji wolnego dwutlenku węgla może spowodować jednakże tylko chwilową redukcję procentu zużywanego tlenu. Saunders [18], przeprowadzając badania na Catostomus commersoni, Ictalurus nebulosus i Cyprinus carpio stwierdził, że po pewnym czasie (3 — 5 godz.), przy dużym ciśnieniu CO2, procent zużycia tlenu przy dużej objętości oddechowej powraca niekiedy do poziomu, który utrzymywał się przy niskim ciśnieniu wolnego dwutlenku węgla. Saunders wykazał ponadto, że wzrost poziomu wolnego dwutlenku węgla powoduje przyspieszenie rytmu oddechowego i zwiększenie pojemności oddechowej, co potwierdziły wcześniejsze badania Olthofa [16]. Wyższa zawartość wolnego dwutlenku węgla wywiera u ryb objawy odrętwienia, przypominające narkozę eterową lub chloroformową [1, 6, 12. 14, 16]. Taki stan odrętwienia określa się niekiedy terminem „narkoza dwutlenkowa”.
W zbiornikach dobrze natlenionych, zawartość wolnego dwutlenku węgla jest zwykle zbyt mała, aby mogła wywierać ujemny wpływ na życie ryb. Istnieją jednak zbiorniki tzw. przyduchowe, w których zawartość wolnego CO2 okresowo wzrasta nawet do 45 — 50 mg/l [20], co według skali Hölla (cyt. wg [15]) stanowi najwyższą wartość CO2 występującą w zbiornikach naturalnych. Wrażliwość ryb na tak wysoki poziom dwutlenku węgla, wobec występującego równocześnie deficytu tlenowego, wykazuje znaczne różnice gatunkowe.
Biorąc pod uwagę powyższe, postanowiono zbadać reakcje niektórych gatunków ryb na zwiększenie zawartości wolnego CO2, przy stałym poziomie tlenu w środowisku. Celem pracy było ustalenie:
a) norm rytmu oddechowego w wodzie o normalnej zawartości O2 i CO2;
b) wpływu zwiększonych zawartości wolnego CO2 na rytm oddechowy i zachowanie się ryb;
c) zakresu stężeń wolnego CO2, w którym dany gatunek zapada w „narkozę dwutlenkową”.
Materiał, metodyka i przebieg badań
Doświadczenia przeprowadzono jesienią 1965 r. w Zakładzie Fizjologii Ryb WSR w Olsztynie.
Do badań użyto 16 szt. pstrąga źródlanego (Salvelinus fontinalis Mitchill), 25 szt. karasia (Carassius carassius L.), 12 szt. okonia (Perca fluviatilis L.), 13 szt. płoci (Rutilus rutilus L.) i 28 szt. ciernika (Gasterosteus aculeatus L.). Waga pojedynczych ryb, z wyjątkiem pstrągów (70 g), wahała się w granicach 15 — 20 g. Ryby przed doświadczeniami przebywały w 200-litrowych akwariach zbiorczych, w wodzie jeziorowej o stałej temp. +12°C. Woda ta zawierała 7,5 mg O2 1 5 mg/l wolnego CO2. Podczas kilkudniowego pobytu w akwariach ryby nie były żywione. Do badań stosowano metodyką omówioną w poprzedniej pracy [12], z tą tylko różnicą, że wszystkie doświadczenia przeprowadzono w wodzie jeziorowej o tej samej temperaturze, zawartości O2 i CO2 co woda w akwariach zbiorczych, zaś szybkość rytmu oddechowego obliczano wizualnie, przy pomocy stopera.
Przebieg doświadczenia był następujący: ryby przenoszono ostrożnie z akwarium zbiorczego do 25-litrowego akwarium doświadczalnego i po okresie adaptacji, podczas którego ustalano przeciętny rytm oddechowy (normę) dla danego gatunku, skokowo (co 15 min.) zwiększano poziom wolnego CO2 o 10 mg/l. Zawartość tlenu w czasie trwania doświadczenia utrzymywała się na jednakowym poziomie dzięki stale pracującemu urządzeniu do napowietrzania. Analizy wody przed i po doświadczeniu nie wykazały istotnych różnic.
W obserwacjach brano pod uwagę: a) szybkość i zmiany rytmu wieczek skrzelowych, b) ogólne zachowanie się ryb i c) zawartość CO2, przy której ryby zapadały w „narkozę dwutlenkową”.
Czas pojedynczego doświadczenia obejmował około 3 godzin i składały się nań: wstępna adaptacja (ok. 30 min.) i obserwacja zachowania się ryb po zadaniu kolejnych dawek CO2 (co 15 min.).
Wyniki
Doświadczenia poprzedzono ustaleniem norm oddechowych przy zawartości 7,5 mg/l O2 i 5 mg/l wolnego CO2 (rys. 1). Powyższą zawartość dwutlenku węgla uznano za wyjściową dla całej serii doświadczeń. Stwierdzono, że w tych warunkach występują znaczne różnice międzygatunkowe w szybkości rytmu oddechowego. Ustalono, że najszybszy rytm oddechowy występuje u ciernika (180), natomiast znacznie wolniejszy u pozostałych gatunków: pstrąg — 120, płoć — 105, okoń — 67 i karaś — 56 oddechów na minutę.
Widoczne na rys. 1 krzywe zmian rytmu oddechowego w odpowiedzi na zwiększenie koncentracji CO2 wykazują znaczne podobieństwo i omówione będą równocześnie.
Podwyższenie zawartości wolnego CO2 z 5 do 10 mg/l spowodowało u wszystkich gatunków wyraźne przyspieszenie rytmu oddechowego. Przyspieszenie to najbardziej zaznaczyło się u płoci i okonia, słabiej u pstrąga, ciernika i karasia. W zakresie od 10 do 30 mg/l CO2 rytm oddechowy wszystkich badanych ryb osiągnął swe maksymalne wartości i dalsze podnoszenie zawartości CO2 powodowało mniej lub bardziej wyraźne zwolnienie szybkości ruchu wieczek skrzelowych. Zwolnienie rytmu oddechowego wyraźniej wystąpiło u ciernika, mniej u okonia, płoci i pstrąga i najmniej wyraźnie u karasia
Rys. 1. Zmiany rytmu oddechowego w zależności od wzrastającej koncentracji
wolnego dwutlenku węgla w wodzie.
Fig. 1. Changes of breathing rhythm as concentration of free carbondioxide in
water increases
1 — Salvelinus fontinalis (Mitch.), 2 — Perca fluviatilis L., 3 — Gasterosteus
aculeatus L., 4 — Rutilus rutilus L., 5 — Carassius carassius L.
We wszystkich przypadkach jednakże, w miarę dalszego wzrostu zawartości CO2, rytm oddechowy spadał do wartości niższych od ustalonych uprzednio norm i osiągał swe minimum w momencie pojawienia się „narkozy dwutlenkowej”.
Pierwszym objawem narkozy był niepokój i wzmożona ruchliwość. Dalej następowało aktywne pływanie przy powierzchni wody, pobieranie do pyska powietrza i wydalanie go przez szpary skrzelowe. Następnie ruchliwość ryb malała, słabły reakcje na bodźce mechaniczne i akustyczne, pojawiały się coraz częstsze zachwiania równowagi, prowadzące w końcu do biernego wypłynięcia ryby na powierzchnię.
Najbardziej wrażliwy w tym przypadku okazał się pstrąg (20 — 30), dalej okoń (50— 60), ciernik (100—110), płoć (110—120) i najmniej wrażliwy karaś — 180 — 340 mg/l wolnego CO2. Pojedyncze osobniki danego gatunku wykazywały niewielkie różnice indywidualne na koncentrację powodującą stan narkozy (10 mg/l). Wyjątek stanowił karaś, u którego różnica ta dochodziła do 120 mg/l wolnego CO2.
Omówienie wyników i wnioski
Otrzymane wyniki wskazują, że normy szybkości rytmu oddechowego w wyrównanych warunkach doświadczalnych (temp. 12°C, 7,5 mg/l O2 i 5,0 mg/l wolnego CO2) wykazują znaczne różnice gatunkowe. Ponieważ przy niezbyt dużej zawartości CO2 w środowisku i dobrych warunkach tlenowych, szybkość rytmu oddechowego jest wykładnikiem tempa pobierania tlenu [2], wydaje się, że otrzymane różnice są uzależnione od ruchliwości danego gatunku i związanego z tym zapotrzebowania tlenowego, nie zależą zaś od środowiska ekologicznego danej ryby. Przypuszczenie to umacnia fakt, że z wyjątkiem pstrąga i karasia, pozostałe ryby pochodziły z tego samego zbiornika, waga ich była wyrównana i mimo to w jednakowych warunkach doświadczenia wystąpiły znaczne różnice rytmu (okoń — 67, płoć — 105, ciernik — 180 i karaś — 56 oddechów na minutę. Wartości te uznano za normy dla danego gatunku.
Nieznaczny wzrost poziomu wolnego dwutlenku węgla (od 5 do 20 i 30 mg/l), przy stałej zawartości tlenu (7,5 mg/l), wywołuje u wszystkich badanych gatunków przyspieszenie, przechodzące dalej w mniej lub bardziej wyraźny spadek szybkości rytmu wieczek skrzelowych. Z wyjątkiem pstrąga, u którego spadek rytmu występuje równocześnie z objawami narkozy dwutlenkowej, rytm oddechowy pozostałych ryb, mimo dalszego zwiększania zawartości CO2, osiąga pewne poziomy, które wprawdzie obniżają się aż do momentu wystąpienia narkozy, jednak obniżenie to jest znacznie mniej wyraźne. To względne ustalenie się rytmu oddechowego przy dużych zawartościach CO2 występuje szczególnie jaskrawo u karasia, ciernika i płoci. Otrzymane wyniki potwierdzałyby więc obserwacje poczynione w poprzedniej pracy na piskorzu [12] oraz badania Saundersa [18] przeprowadzone na kilku gatunkach ryb słodkowodnych.
Wyniki obecnej pracy wykazały, że przy stałej temperaturze i stałej zawartości tlenu w środowisku, stopniowe zwiększanie koncentracji wolnego CO2 do pewnego poziomu (różnego dla różnych gatunków) prowadzi do wytworzenia się stanu zwanego „narkozą dwutlenkową”, co w pewnym stopniu potwierdza wyniki szeregu uprzednich prac [1,6,12,14,16]. Stwierdzone ponadto zakresy stężeń wywołujących narkozę u osobników tego samego gatunku, jak i omówiony powyżej charakterystyczny przebieg krzywych rytmu oddechowego mogą nasuwać przypuszczenie, że w procesie oddychania badanych ryb biorą udział znalezione u wielu gatunków różne frakcje Hb [4, 10]. Frakcje te wkraczałyby kolejno do akcji w miarę wzrostu w otoczeniu koncentracji wolnego CO2, jednak zagadnienie to wymagałoby specjalnych badań.
Wydaje się, że wyniki niniejszej pracy mogą także rzucić pewne światło przy badaniach nad zjawiskiem przyduchy.
W zbiornikach przyduchowych bowiem, w okresie zimowym występuje znaczne zwiększenie zawartości wolnego CO2 [20], który mając utrudnioną dyfuzję do atmosfery przez pokrywę lodową i przy równoczesnym deficycie tlenowym mógłby stanowić jeden z ważniejszych czynników wywołujących masowe śnięcie ryb.
Reasumując powyższe, można wysunąć następujące wnioski:
1. Rytm oddechowy wszystkich pięciu gatunków badanych ryb nie jest jednakowy i w temp. 12°C, przy zawartości 7,5 mg/l O2 przedstawia się następująco: ciernik — 180, pstrąg — 120, płoć — 105, okoń — 67 i karaś — 56 ruchów wieczek skrzelowych na minutę.
2. Zwiększenie koncentracji wolnego CO2 do 10, 20 i 30 mg/l, przy nie zmienionym poziomie tlenu, wywołuje u wszystkich gatunków wzrost rytmu oddechowego, który przy dalszym podwyższeniu koncentracji CO2 początkowo gwałtownie, później zaś bardziej łagodnie maleje, aż do momentu wystąpienia „narkozy dwutlenkowej”.
3. W temp. 12°C i przy zawartości 7,5 mg/l O2 objawy narkozy wystąpiły: u pstrąga w zakresach koncentracji 20 — 30 mg/l, okonia 50 — 60 mg/l, ciernika 100—110 mg/l, płoci 110—120 mg/l i karasia 180—340 mg/l wolnego CO2.
Wpłynęło 14 VII 1966
PIŚMIENNICTWO
1. Babák, E, B. Dêdek, Untersuchungen über den Auslösungsreiz der Atembewegungen bei Süsswasserfischen. Pflüg. Arch. ges. Physiol., 119, 1907, S. 483—529.
2. Basu, S. P., Studies on the effect of physico-chemical factors on major Indian carps. All-India Institute Hygiene and Public Health, Calcutta 1951, s. 34.
3. Basu, S. P., Active respiration of fish in relation to ambient concentrations of oxygen and carbon dioxide. Bull. Fish. Res. Bd. Canada, 16(2), 1959. S. 175—212.
4. Chandrasekhar, N., Multiple hemoglobina in fish. Nature, vol. 104, 4699, Suppl. 21, 1959, s. 1652—1653.
5. Ferguson, J. K. W., E. C. Black, The transport of CO2 in the blood certain freshwater fishes. Biol. Bull., vol. 80, 2, 1941, s. 139—162.
6. Fish, F. T., The anaesthesis of fish by hight carbondioxide concentrations. Trans. Amer. Fish. Soc, vol. 72. 1943.
7. Fish, G. R., Some aspects of the respiration of six species of fish from Uganda. J. exp. Biol., II, 1956. s. 186—210.
8. Fry, F. E. J., E. C. Black, W. J. Scott, The effect of carbon dioxide on the rate of oxygen uptake by freshwater fish. The Anatomical Record, vol. 75, 4, 1939, s. 80 (suppl.)
9. Hall, F. G., The respiration of Puffer Fish (Spheroides maculatus — Bloch. a. Scheiner). Biol. Bull., vol. 61, 1931, s. 451—461
10. Hashimoto Kanehisa, Yamaguti Yuzo, Matsuura Fumio, Comparative studies on two hemoglobins of Salmon. IV. Oxygen dissociation curve. Bull. Jap. Soc. sci. Fish., vol. 26, 8. 1960, s. 827—834.
11. Hashimoto Kanehisa, Matsuura Fumio, Multiple hemoglobins in fish. II. Bull. Jap. Soc. sci. Fish., vol. 26, 3, 1960, s. 354—360.
12. Kłyszejko, В., Wpływ dwutlenku węgla na regulację oddychania u piskorzа (Misgurnus fossilis L.). Zesz. nauk. WSR Olszt., t. 18, 1964, s. 329 — 343
13. Krogh, A., J. Leitoh, The respiratory function of blood in fishes. J. Physiol., vol. 52, 5, 1919, s. 288—300.
14. Leiner, M., Die Physiologie der Fischalmung. Bronn’s H. G. Klassen und Ordnungen dse Tierreichs, Bd. 6, Abt. 1, Pisces. 2 Buch, Teil 1, 1940.
15. Lityński, A., Hydrobiologia ogólna. PWN, Warszawa 1962.
16. Olthof, H., Die Kohlensdure ais Atemreiz bei Wassertieren insbesondere bei Süsswasserfische. Z. vergl. Physiol, Bd. 21, 1934.
17. Root, R. W., The respiratory function of the blood of marine fish. Biol. Bull., vol. 61, 3, 1931, s. 427—456.
18. Saunders, R. L, The irrigation of the gills in fishes. II. Efficiency of oxygen and carbon dioxide. Can. J. Zood., 40, 5, 1962, s. 817 — 862.
19. Willmer, E. N., Some observations on the respiration of certain tropical fresh-water fishes. J. exp. Biol., vol. 11, 1934, s. 283 — 306.
20. Zaсhwieja. J., Przyducha w jeziorach. Gosp. rybna, Nr 2, 1965, s. 20 — 22.
Б. Клышейко
РЕАКЦИИ НЕКОТОРЫХ ПРЕСНОВОДНЫХ РЫБ HА ПОВЫШЕННОЕ СОДЕРЖАНИЕ СВОБОДНОЙ УГЛЕКИСЛОТЫ
В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Краткое содержание
Исследования, посвященные выяснению влияния повышенного содержания свободной углекислоты на частоту дихания и поведение 5-ти видов пресноводных рыб показали, что:
а) повышение содержания свободного CO2 при минимальном содержании О2 в воде вызывает увсех видов подопытных рыб учащение дыхания;
б) неодинаковой является реакция исследуемых видов к количеству свободного СО2 и зависит она от экологических особенностей данного вида. Уровень свободной углекислоты, при котором рыбы попадают в т. наз. углекислотный наркоз, составляет для ручьевой форели — 20—30; для окуня — 50—60; для колюшки — 100—110: плотвы — 110—120; и для карася — 180—340 мг/л СO2.
B. Kłyszejko
THE EFFECT OF THE INCREASING AMOUNTS OF FREE CARBON DIOXIDIE IN WATER UPON THE BEHAVIOUR OF SOME FRESH WATER
Summary
The effect of increasing amounts of free carbon dioxidie at constant temperature (12°C) and with constant contents of oxygen (7,5 mg/l) upon the breathing rhythm and behaviour of 5 species of fresh water fishes was investigated. The results showed that.
1. If concentration of free carbon dioxidie increases gradually, the breathing rhythm of all species at first increases rapidly, and then slows down.
2. The tolerance to free carbon dioxidie was not the same in all species; it depended upon the ecological properties of a given species. The amount of free CO2 which coused in fishes, so called „dioxidie narcosis” was: for Salvelius fontinalis (Mitchill.) 20—30 mg/l; Perca fluviatilis L. 50 — 60 mg/l; Gasterosteus aculeatus L. 100 — 110 mg/l; Rutilus rutilus (L.) 110 — 120 mg/l; and Carassius carassius (L.) 180—340 mg/l.