Состояние растительных организмов в природных условиях и окислительное повреждение фотосинтетического аппарата

Содержание

Актуальность проблемы. Одной из основных причин нарушения нормального роста и развития растений в природных условиях является их окислительное повреждение. Оно может быть вызвано светом высокой интенсивности, ионизирующей и УФ радиацией, засухой, подтоплением, осмотическими факторами, дефицитом макро- и микроэлементов, критическими температурами, воздушными и водными полютантами, гербицидами, рядом инфекций, старением. В последние десятилетия отмечается большой интерес к исследованиям механизмов окислительного повреждения, стресса, адаптации и устойчивости растений к действию различных неблагоприятных факторов среды (Балнокин, Венедиктов, Весеяовский, Кренделева, Маторин, Рубин, Barber, Bjorkraan, Demmig-Adams, Dubinsky, Foyer, Elstner, Lichtenthaler, 1980−2002). Эта проблема актуальна для защиты растений от действия неблагоприятных факторов среды, диагностики состояния растительных сообществ и отдельных видов, а также для разработки методов биоиндикации и биотестирования в целях оценки благополучия среды обитания.

Фотосинтез является одним из наиболее уязвимых процессов для окислительного повреждения в силу ряда причин: повышенной локальной концентрации кислорода- высокой степени ненасыщенности жирных кислот в составе липидов фотосинтетических мембран- лабильности белковых комплексов в составе фотосистем- возможности прямого фотодинамического действия при поглощении света фотосинтетическими пигментами. Сложная система регуляции первичных процессов фотосинтеза, поддерживающая баланс между возбужденными состояниями пигментов, градиентами концентраций ионов на фотосинтетической мембране и степенью восста-новленности переносчиков в системе электронного транспорта, защищает ФСА1 от повреждения в широком диапазоне внешних условий (Рубин, 1995). Нарушения работы згой системы регуляции приводят к повреждению ФСА. Разработанные к настоящему времени методические подходы дают возможность проведения анализа состояния ФСА в норме и на различных стадиях повреждения растительного организма.

По общепринятым представлениям, инициирование процессов повреждения ФСА происходит при участии АФК. В процессе фотосинтеза образование супероксидного анион-радикала происходит главным образом в акцепторной части ФС1. Впервые восстановление кислорода в фотосинтетической ЭТЦ было описано Мелером в 1951 году. В дальнейшем многие авторы Принятые сокращения: АФК — активированные формы кислорода- ХЛ — хлорофилл- qN -коэффициент нефотохимического тушения ХЛ- МДА — малоновый диальдегид- ПСИ — перекис-ное окисление липидов, РЦ — реакционные центры- «ГХЛ — термохемшпоминесценция- ФС — фотосистема- ФСА — фотосинтетический аппарат- ФАР — фотосинтетически активная радиация- Fo — интенсивность флуоресценции ХЛ при открытых РЦ- Fm — интенсивность флуоресценции ХЛ при закрытых РЦ- Fv = Fm — Fo — переменная флуоресценция ХЛ- (Fm — Fo)/Fm — относительная переменная флуоресценции ХЛ- ЭТЦ — электронтранспортная цепь. склонялись к тому, что донорами электронов для восстановления кислорода являются железо-серосодержащие центры ФС1 и ферредоксин (Иванов, Alien, Asada, Elstner, Takahashi, 19 722 002). Более поздние исследования показали, что образование Ог' может происходить и в акцепторной части ФОН на уровне анион-радикала феофитина, восстановленных хинонных акцепторов Qa и Qb (Климов, 1988), а возможно, и в пуле хинонов с участием пластосемихинон-радикала (Иванов, 2002). Источником Ог» может быть рибулезодифосфаткарбоксилаза, выполняющая функции оксигеназы. Активация кислорода может происходить и за счет переноса энергии от возбужденных молекул хлорофилла на кислород с его переходом в синглетаое состояние (Красновский мл., Foot, 1980−2002). На наяальных этапах окислительного повреждения генерация АФК происходит за счет избыточного восстановления переносчиков в цепи фотосин-тегического транспорта электронов.

Вместе с тем значительные успехи в изучении молекулярных механизмов окислительного повреждения растений к настоящему времени еще не дали ясных представлений о вкладе конкретных процессов генерации АФК в повреждение определенных структур клетки. Не ясна последовательность и взаимосвязь процессов адаптации и деструкции при окислительном повреждении ФСА водорослей и высших растений. Недостаточно информации для определения глубины и обратимости повреждения ФСА растительных организмов в природных условиях и базовых знаний для создания эффективных способов оценки состояния автотрофных организмов и биоиндикации в целях экологического мониторинга среды обитания.

Большой интерес представляют исследования окислительного повреждения ФСА индивидуальных клеток и выявление роли функциональной неоднородности особей в адаптации и устойчивости клеточных популяций. Однако при рассмотрении процессов окислительного повреждения популяций одноклеточных водорослей и ассимиляционных тканей высших растений практически не учитывается неоднородность ответных реакций индивидуальных клеток. Для изучения фитопланктонного сообщества в природе необходимо определять физиологическое состояние индивидуальных клеток водорослей. Только так возможно оценить функциональное состояние популяций каждого из массовых видов водорослей и прогнозировать динамику их численности в природном фитопланктонном сообществе. Цели и задачи исследования. Главными целями настоящей работы являлись:

— выяснение механизмов окислительного повреждения фотосинтетического аппарата ассимиляционных тканей высших растений, клеток водорослей и их популяций под действием неблагоприятных условий среды-

— выбор признаков, характеризующих повреждения фотосинтетического аппарата растительных организмов в природе, и разработка на этой основе методологической базы для биоиндикации, оценки состояния среды и целей экологического мониторинга.

— определение степени повреждения фотосинтетического аппарата высших растений, индивидуальных клеток водорослей, их популяций и фитопланктонных сообществ в природных условиях.

В работе решались следующие задачи:

— исследовать закономерности ферментативного и индуцированного светом окислительного повреждения мембранных структур и ассимиляционных тканей высших растений-

— выяснить закономерности изменений, происходящих на уровне первичных процессов фотосинтеза у различных видов водорослей под действием света и УФ-излучения-

— исследовать изменения распределений клеток по показателям функционального состояния их фото синтетического аппарата под действием некоторых токсических агентов и при фотоокислительном повреждении на лабораторных популяциях водорослей-

— оценить состояние фотосинтетического аппарата водорослей и высших растений для биоиндикации, оценки состояния природной среды и целей экологического мониторинга.

— создать новые и модифицировать известные люминесцентные методы оценки функционального состояния фотосинтетического аппарата индивидуальных клеток водорослей и ассимиляционных тканей высших растений для анализа растительных объектов в лабораторных исследованиях и использования в оценке состояния природных фигоценозов-

— разработать оптические методы для определения продуктов окислительной деградации липи-дов и пигментов фотосинтегического аппарата.

Научная новика. В работе сформулированы новые представления о закономерностях и последовательности событий в процессе окислительного повреждения ФСА фототрофных организмов в природных условиях. Обнаружено, что под действием света, вызывающего насыщение фотосинтетической цепи транспорта электронов, в условиях, когда системы регуляции не справляются с чрезмерно большим потоком электронов и тушением избыточных возбужденных состояний ХЛ, происходит окислительное повреждение ФСА растительных организмов различных таксономических групп. Ферментативных процессы, инициирующие ПОЛ хлоропластов и других мембранных структур клетки, в темноте ие приводят к нарушениям в работе ФСА. Продукты ПОЛ и окислительная деградация пигментов обнаруживаются только после полного блокирования системы фотосинтетического транспорта электронов.

Получены спектральные характеристики продуктов ПОЛ растений. Выявлены соотношения между изменением состава жирных кислот мембранных липидов в процессе ПОЛ растений, накоплением диеновых коныогатов, малонового диальдегида, пшффовых оснований и продуктов окислительной деградации фотосинтетических пигментов. В клетках высших растений впервые обнаружена и охарактеризована пиридиннуклеотид-зависимая система ферментативного ПОЛ.

Установлена последовательность изменений флуоресцентных показателей состояния ФСА водорослей различных таксономических групп в зависимости от времени действия видимого и УФ-облучения повреждающих интенсивностей. Обнаружено, что ингибирование деэпоксидазы каротиноидов ксантофилового цикла приводит не только к снижению нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла, но и усилению повреждения ФСА, индуцированного светом высокой интенсивности.

Впервые создана методологическая база для определения функционального состояния ФСА индивидуальных клеток популяций водорослей по флуоресцентным показателям ХЛ. Обнаружено, что снижение эффективности работы ФСА клеток водорослей при дефиците элементов минерального питания в среде не изменяет значений среднеквадратичного отклонения в распределении особей по данному показателю. Воздействие на водоросли токсических веществ или повреждающих излучений на фоне снижения средних показателей функциональной активности ФСА сопровождается увеличением гетерогенности распределения клеток по этим показателям.

Проведен выбор наиболее информативных и доступных для определения в природных условиях признаков окислительного повреждения ФСА растительных организмов. Разработан комплекс люминесцентных методов определения функционального состояния фотомштетвче-ского аппарата ассимиляционных тканей растений, суспензий и одиночных клеток водорослей для биоиндикации и прогнозирования динамики численности популяций водорослей. Научная и практическая значимость работы. Разработаны научные и методические основы для исследования механизмов окислительного повреждения ФСА высших растений и водорослей. Полученные в работе экспериментальные результаты и обобщения вносят существенный вклад в представления о закономерностях я роли процессов окислительной деградации в функционирование ФСА фотоавтотрофных организмов.

Модифицированы флуорометрические методы оценки функционального состояния фотосинтетического аппарата высших растений в природных условиях. Использование этих методов позволило применить принципиально новые подходы для индикации повреждения фотосинтетического аппарата растений в природных фитоценозах. В частности, проведены обследования состояния зеленых насаждений ряды улиц Москвы. Выработаны рекомендации по использованию флуорометрических методов для оценки физиологического состояния древесных растений.

Разработаны оригинальные микрофлуорометрические методы регистрации кривых индукции флуоресценции и определения эффективности утилизации световой энергии ФСА на одиночных клетках высших растений и микроводорослей. На основе методов многомерного статистического анализа разработан способ классификации отдельных клеток водорослей по типам кривых индукции флуоресценции. Исследована связь между функциональной структурой популяций микроводорослей и приростом численности клеток по мере развития алгологических культур и при действии различных неблагоприятных факторов, а также при конкурентном взаимодействии двух видов водорослей. Применение методов определения эффективности утилизации световой энергии ФСА водорослей позволило оцейитъ вклад функциональной неоднородности особей в ответную реакцию популяции или сообщества клеток на повреждающее воздействие. В исследованиях популяций водорослей фитопланктона Атлантического океана и Черного моря использование микрофлуорометрического метода позволило определить функциональное состояние фотосинтетического аппарата особей определенного вида и на основании распределения клеток по данному показателю оценить его физиологическое состояние, а также прогнозировать динамику численности популяций массовых видов фитопланктона. Впервые при обследованиях экологического состояния водных фитоценозов применен комплекс флуоромет-рических методов и аппаратуры, позволивший определить пространственное распределение фитоплашсгонных организмов в естественной среде обитания. На отобранных с определенных горизонтов пробах воды исследованы особенности долговременной адаптации ФСА водорослей к внешним условиям, определено содержание пигментов в отдельных клетках н эффективность первичных процессов фотосинтеза массовых видов водорослей. Эти исследования позволяют предложить новую методологическую базу для биоиндикации, оценки состояния среды и целей экологического мониторинга водных фитоценозов.

Научные представления, основные методические приемы и принципы исследований, полученные в результагге проведенных работ, включены в программу читаемых автором лекций по «Биофизике» для студентов 3 курса ряда кафедр ботанического направления Биологического ф-та МГУ и спецкурса по «Экологической биофизике», а также при проведении «Большого практикума по биофизике» и «Практикума по экологической биофизике» для студентов кафедры биофизики. Разработанные методы внедрены в Инстит) сге Океанологии РАН и Институте Океанологии Польской Академии наук.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены (или представлены) и обсуждены на 3-й конференция физиологов и биохимиков растений Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 1968) — на симпозиуме «Сверхслабые свечения в биологии» (Москва, 1969) — на симпозиуме «Проблемы биофотохимии» (Москва, 1970) — на симпозиуме «Сверхслабые свечения в медицине и сельском хозяйстве» (Москва, 1971) — на 4-ом Международным биофизическом конгрессе (Москва, 1972) — на симпозиуме «Физико-химические основы функционирования надмолекулярных структур клетки» (Москва, 1974) — на симпозиуме «Биоантиокислители» (Москва, 1975) — на 12-м Международного Ботанического конгрессе (Ленинград, 1975) — на сипозиуме «Свобод-норадикалъное окисление в норме и патологии» (Москва, 1976) — на всесоюзном совещания по хемилюминесценции (Запорожье, 1976) — на конференции по эволюционной геронтологии (Москва, 1981) — на конференции «Устойчивость растений. к экстремальным условиям среды» (Ленинград, 1981) — на 1 Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982) — на симпозиуме «Лимнология горных водоемов» (Ереван, 1984) — на 4-ой Всесоюзной конференции по биологии клетки (Тбилиси, 1985) — на симпозиуме «Кислородные радикалы в химии, биологии и медицине» (Рига, 1988) — на Всесоюзной конференции «Молекулярные механизмы биологического действия оптического излучения» (Ялта, 1987) — на 3-м съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург, 1993) — на 7-ом конгрессе по биоматематике (Буэнос-Айрес, 1995) — на симпозиуме «Физико-химические основы физиологии растений» (Пенза, 1996) — на 3-ей Международной конференции «Свободные радикалы и стресс растений» (Пиза, 1997) — на 11-м Международном конгрессе по фотосинтезу (Будапешт, 1998) — на Международной конференции «Регуляция биологических процессов свободными радикалами» (Ярославль, 1998) — на 2-м Всероссийского съезде фотобиологов (Пущино, 1998) — на Международной школе «Проблемы теоретической биофизики» (Москва, 1998) — на 2-м Съезде биофизиков России (Москва, 1999) — на Международном симпозиуме «Растения в условиях стресса среды» (Москва, 2001) — на Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты функционирования водных экосистем» (Саратов, 2001).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 80 работ в российских и международных изданиях.

Методические аспекты работы. Для решения поставленных задач в работе применялись различные биофизические, биохимические и гидробиологические методы, а также методы статистического анализа. В процессе исследований были модифицированы и разработаны новые методы измерения скоростей генерации АФК и определения продуктов окислительной деградации липидов и пигментов фотосинтетического аппарата, образующихся в ходе окислительного повреждения растений- а также модифицированы люминесцентные методы оценки функционального состояния фотосинтетического аппарата ассимиляционных тканей высших растений и индивидуальных клеток микроводорослей для лабораторных исследований и использования в оценке состояния природных фитоценозов.

Исследования состояния фитопланктона Атлантического и Индийского океанов, Черного и Балтийского морей были проведены в рейсах 15 и 23 НИС «Витязь» в 1988 и 1991 гг., на НИС Института океанологии Польской АН «Оцеания» в 1996 г., в 2000—2002 гг. на НИС «Акванавт» и катере «Ашамба».

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Главными экологическими факторами, влияющими на физиологическое состояние фототроф-ных организмов в целом и их ФСА, в частности, являются освещенность, температура, содержание биогенных элементов в среде, соленость и различные виды загрязнений. В ряду этих факторов первостепенное значение имеет интенсивность ФАР. Световое излучение определяет рост, развитие и интенсивность фотосинтеза растительных ¡-слеток. В тоже время свет высокой интенсивности может вызывал, фотоокислительиое повреждение, приводить к фотоингибиро-ванию, деструкции фотосинтетических пигментов и в итоге к гибели организма.

1. Исследования состояния ФСА водорослей в природных условиях

В природных условиях повреждение фитопланкгонных организмов является следствием действия многих неблагоприятных факторов среды. Получение информации о состоянии фитоплаик-тонных сообществ и прогнозирование динамики их численности является одной из актуальных задач экологии и рационального природопользования в силу того, что фитопланктон является главным продуцентом органического вещества в водных экосистемах. Кроме того, физиологическое состояние водорослей может служить одним из показателей экологического благополучия водоема (Абакумов, 1992). Традиционно в гидробиологии принято описывать фитопланк-тониое сообщество по видовому составу и обилию видов, а также по интегральным’характеристикам фотосинтегической системы водорослей — содержанию фотосинтетических пигментов и первичной продукции на единицу объема водной толщи или на единицу площади поверхности водоема. Такие подходы ке могут дать достаточной информации для оценки функционального состояния отдельных видов и не позволяют определить вклад конкретных видов в интегральные показатели функционирования водного фитоценоза.

Разнообразие особей в популяциях является фундаментальным свойством их организации. Неоднородность качественного состава (гетерогенность, полиморфизм) особей обеспечивает высокую способность популяции адаптироваться к изменяющимся условиям среды. При этом характер распределения особей в популяции по какому-либо признаку изменяется в соответствии с собственной нормой реакции и новыми условиями среды (Шварц, 1980). Таким образом, характер распределения особей по какому либо признаку может служить одним из важнейших показателей состояния популяции.

Выбор признаков для исследования показателей распределения особей в популяции может быть произвольным. Однако наиболее значимыми представляются признаки, характеризующие жизненно важные функции. Действие неблагоприятных факторов среды приводит к необходимости увеличения по сравнению с оптимальным затрат энергии организмом для поддержания своего состояния. Исходя из этого, обеспеченность организма энергией оказывается одним из главных факторов его адаптационных и репарационных возможностей. Адаптационные реакции, как правило, направлены на сохранение систем, обеспечивающих организм энергией. Нарушения эффективности функционирования этих систем являются важнейшими симптомами повреждения организма. Таким образом, в случае водорослей показатели состояния и функционирования фотосинтетического аппарата клетки представляются наиболее значимыми для оценки степени повреждения организма. Так как распределение особей по уровню функциональной активности может служить показателем состояния популяции в условиях среды обитания, то популяция является своего рода биосенсором состояния экосистемы в целом, чутко реагируя на изменения условий среды.

В последние десятилетия были достигнуты большие успехи в разработке и применении флуоромегрических методов для определения функциональной активности ФСА высших растений и суспензий водорослей. Эти исследования создали предпосылки к созданию способов оценки состояния ФСА отдельных клеток водорослей и, следовательно, индивидуальных видов в составе природного фитопланктонного сообщества. К началу наших исследований не существовало количественных методов определения функциональной активности индивидуальных клеток водорослей. Эту проблему удалось решить путем использования различных модификаций микрофлуориметрического метода в сочетании с интенсивно развивающимися последнее десятилетие люминесцентными методами определения функционального состояния ФСА растений.

1.1. Исследования связи структуры популяции с ее состоянием путем классификации водорослей по типам кривых индукции флуоресценции хлорофилла индивидуальных клеток. Форма кривых индукции флуоресценции хлорофилла (кинетика интенсивности флуоресценции хлорофилла в ответ на облучение объекта, предварительно адаптированного к темноте, интенсивными световыми потоками) является результатом ряда переходных процессов, протекающих в фотосинтетических мембранах в ответ на включение света (Караваев, Кукушкин, Ризниченко, Рубин, Тихонов, Govinjee, Papageorgiou, Strasser, Lazar, 1975−1999). Однако, несмотря на большое внимание к механизмам процессов, определяющих форму кривой индукции флуоресценции, многие закономерности этого явления пока не получили однозначной интерпретации.

Популяция микроводорослей состоит из клеток, находящихся в различных физиологических состояниях и отличающихся по реакциям ФСА на действие света, что отражается в различных формах кривых шщукции флуоресценции хлорофилла клеток. Микрофлуориметрический метод позволяет регистрировать кривые индукции флуоресценции одиночных клеток. Совокупность таких кривых может быть показателем функциональной неоднородности особей в популяции [30,33,34].

В силу того, что индукция флуоресценции хлорофилла не имеет видовой специфичности, кластерный анализ природной популяции Pyrocystis pseudonoctiluca — одного из массовых пелагических видов фитопланктонного сообщества центральной Атлантики (23 рейс НИС «Витязь», 1991 г. Рис. 1А), проводили аналогично лабораторным культурам водорослей (раздел З.1.). Для выявления различий клеток Р. pseudonoctiluca, вызванных долговременной адаптацией ФСА к условиям подводной освещенности- данные измерения индукции флуоресценции хлорофилла объединили в четыре группы: 10−15, 40−50, 70−80 и 120−150 м. Результаты кластерного анализа популяции Р. pseudonoctiluca в зависимости от глубины обитания приведены на рис. 1Б. Проекция распределения по типам кривых индукции флуоресценции этих клеток представляет области, соответствующие различию функциональной структуры популяций на разных глубинах.

Аналогичный алгоритм был использован также для исследования функциональной структуры черноморской популяции водорослей вида Ceratium f usus. Имея данные химического анализа воды на станциях отбора проб, содержащих С. fusus, можно было разделить их по содержанию азота. Содержание азот" на глубине 10 м в пробах води вблизи о. Змеиный и на Филлофорном поле более, чем в 50 раз превышало значение этого показателя в центральной части Черного моря в приповерхностном слое. Результаты кластерного анализа показали значительные различия состояния ФСА популяций водорослей, адаптированных к различным внешним условиям, в частности, к содержанию в воде азота. При этом кривые индукции флуоресценции хлорофилла некоторых клеток из разных популяций могут практически совпадать. Различия между ними проявляются в относительном обилии клеток, имеющих соответствующий тип кривой индукции флуоресценции.

Таким образом, разработанный нами алгоритм многомерного кластерного анализа, позволяющий классифи

-0.4 0.0 0.4 Координата

0.8 1.

Рис. 1. Станции сбора проб мнкроводорослей Pyrocyylis pseudonoc-tlluca (А) (цифрами указаны номера станций и в скобках их обозначение) и проекция функциональной структуры популяции, полученная для разных горизонтов (Б).

40−50 м цировагь клетки водорослей с определенным типом ответной реакции ФСА на световое воздействие, может быть использован для анализа функциональной структуры популяции в природных популяциях водорослей.

1.2. Исследование динамики распада цветения № 1"с/иа

Массовое увеличение численности водорослей — «цветение» происходит в определенные сезоны и приводит к значительным изменениям биотических и абиотических показателей водной среды. Весной 1988 г. в центральной части Черного моря наблюдалось цветение диатомовых водорослей и, в частности, ЫИгзсЫа (?еИсаЧь^та, коща этот вид абсолютно доминировал по численности и биомассе в фитопланкгонном сообществе (15 рейс НИС «Витязь»), По оценкам состава и численности фитопланктона, (Суханова др. 1991), в начале марта «цветение» N. ¿еИсаИзята сформировалось достигнув стационарной фазы и распространилось на весь верхний перемешанный слой воды (на глубинах от О до 60 м). В апреле происходил «распад цветения» — снижение численности водорослей, начавшееся с верхних горизонтов. На рис. 2 представлены изменения распределения содержания ХЛ в водной толще н распределения по относительной переменной флуоресценцией ХЛ клеток N. ¿еИсатйпа в марте и апреле для центральной части Черного моря в зависимости от глубины. На больших глубинах (40−58 м) в градиентном слое воды распределение клеток по переменной флуоресценции мало отличается от исходного.

Рнс. 2. Распределение содержания ХЛ по глубинам в центральной части Черного моря в марте и апреле 1988 г (А) и распределение клеток 1ЧИ&сШа /?еПаик-я'/па по значениям переменной флуоресценции на разных глубинах (Б).

Рис. 3. Распределение флуоресцентных показателей ХЛ по глубине в северо-восточной части Черного моря в августе 2000 г.

На этом горизонте не происходит и значительного изменения содержания ХЛ в фитопланктоне водной толщи и численности клеток водорослей. В го же время наблюдается значительное снижение численности N. deUcatissima в верхних горизонтах, которое сопровождается уменьшением среднего значения переменной флуоресценции на клетку и значительной асимметрией распределения по этому показателю. Такие изменения параметров флуоресценции XJI характерны для повреждения ФСА клеток культур водорослей при действии света высокой интенсивности (разделы 2.1. и 2.2.). Вероятно, что ведущее значение в процессе весеннего «распада цветения» в Черном море имеет фотоповреждение. В этот период на фоне значительного повышения уровня инсоляции происходит обеднение верхних горизонтов элементами минерального питания за счет их поглощения быстро растущим фитопланктоном. Это создает дефицит минерального питания, который приводит сначала к фотоингибированюо, а затем и фотодеструкции ФСА водорослей и гибели клеток. Конечно, такое объяснение несколько упрощает сложные явления сезонной сукцессии, в которой большое значения имеют многие факторы среды, в том числе и биотические. Тем не менее, наши исследования продемонстрировали основные закономерности изменения функциональной структуры природной популяции при действии неблагоприятных условий, сопровождающих «распад цветения».

Таким образом, использование предлагаемого нами способа определения функционального состояния ФСА индивидуальных клеток в условиях эпизодического отбора проб фитопланктона позволяет оценить направленность развития доминирующих видов водорослей и прогнозировать динамику их численности при относительной стабильности внешних условий в ближайшем будущем.

1.3. Исследования функционального состояния фитопланктона

Черного моря 1998−2002 гг. В 1998 — 2002 гг. были проведены измерения вертикального распределения содержания фотосинтетических пигментов и эффективности работы ФСА фитопланктона северо-восточной части Черного моря методом зондовой флуорометрии. В 2000 -2002 гг. кроме зондирования водной толщи проведено обследование функционального состояния ФСА клеток массовых видов водорослей, в районе Геленджикской и Голубой бухт.

Флуоресцентное зондирование широко используется для определения состояния фитоплалк-тонного сообщества в различных водоемах, в том числе и в Черном море (Маторин и др., 1996- Falkowski, 1998- Kolber et al., 1998- Антал и др., 1999). Зондирование флуоресценции ХЛ в северо-восточной части Черного моря проводили в характерных точках гидродинамических структур, выбранных на основе анализа спутниковых данных о распределении температур в поверхностном слое. В качестве основы рис. 3 использована спутниковая карта поверхностных температур (данные NOAA), отражающая гидродинамическую ситуацию в районе исследований.

Из приведенных данных следует, что наибольшие величины содержания фитопланктона приурочены к шельфовой зоне и водам Основного Черноморского Течения. По вертикали область высоких значений флуоресценции в этих районах находится в относительно теплом поверхностном перемешанном слое, толщина которого достигает 40 м. В холодных водах на периферии дивергентной зоны (ст. 164 и 166) происходит закономерное снижение интенсивности флуоресценции пигментов фитопланктона в поверхностном слое и существенная перестройка вертикального распределения фитопланктона (Ко). Толщина верхнего перемешанного слоя в Этих районах сокращается до 18−20 м, а область относительно высоких значений Ио достигает глубин 35−36 м. При этом, на кривой вертикального распределения Ро в холодных водах дивергентной зоны прослеживается глубинный максимум флуоресценции (рис.3). Он расположен в нижней части сезонного термоклина (32−36 м). Наличие глубинного максимума флуоресценции, по-видимому, связано со скоплениями диатомового фитопланктона, неоднократно наблюдавшимися в таких условиях (Ратысова и др., 1989). Вертикальные профили Ро описывают наиболее характерные черты распределения пигментов и биомассы фитопланктона, отмеченные ранее при гидробиологических исследованиях северо-восточной части моря (Суханова, Беляева, 1980- Суханова и др., 1987- Ведерников, Демидов, 1997).

Высокая фотосинтетическая активность, определенная по переменной флуоресценции (ру/рт), в верхнем перемешанном слое прибрежных вод (ст. 160) в данный период соответствует высокому содержанию пигментов фитопланктона. Это характерно для квазистационарных условий существования популяции фитопланктона (минеральное питание, световой режим и др.). В холодных водах дивергентной зоны (ст. 164,166) такой же высокий, как и в прибрежных водах, уровень фотосингетической активности во всем эвфотнческом слое соответствует существенно меньшему содержанию пигментов фитопланктона. Это связано с тем, что высокая фотосинтетическая активность при благоприятных условиях минерального питания не реализовалась в накопление биомассы фитопланктона. Причина несоответствия уровня фотосинтетической активности фитопланктона и его содержания может заключаться в недостатке времени для адаптации фитоцена к быстро меняющимся внешним условиям, характерным для зоны интенсивного поднятия вод. Следует отметить, что в отличие от шельфовых районов высокая фотосинтетическая активность в поднимающихся холодных водах дивергентной зоны наблюдается до глубин 50 м и более. Возможно, это связано с существованием в глубоких слоях сообщества фитопланктона, адаптированного к низким температурам и низкой интенсивности света.

Таким образом, в ряде случаев, данные зондовой флуорометрии вполне достаточны для анализа пространственно-временной изменчивости фитопланктонного сообщества, оценки его функционального состояния и первичной продукции (Антал и др. 1999). В быстроменяющихся условиях среды возможно несоответствие эффективности фотосинтеза величине биомассы водорослей и такие ситуации требуют проведения дополнительных исследований [43].

Данные, полученные при зондовом обследовании в прибрежных районах Геленджикской и Голубой бухт в августе-сентябре 1998−2000 гг свидетельствуют о том, что распределение содержания пигментов и показатели эффективности фотосинтеза по глубине мало различались в течение этих трех лет. На это же указывают и результаты наблюдения сезонной изменчивости XJI, первичной продукции и состава фитопланктонного сообщества (Ведерников, Демидов, 2002- Микаэлян и др., 2002). Распределение фитопланктона было характерным для мезотроф-иых вод с расположением максимума содержания фотосинтетических пигментов на 15−25 м. Активность фитопланктона, измеренная по показателям переменной флуоресценции, находилась на уровне 0,25−0,3 в поверхностных водах и возрастала до 0,5−0,6 с глубиной, достигая максимального значения при 20−25 м, а затем снижалась на нижней границе градиентного слоя. Низкое значение фотосинтетической активности и содержания фитопланктона в верхних горизонтах, видимо, обусловлено фотоингибированием реакционных центров фотосинтеза в условиях интенсивной инсоляции И’недостатке биогенных элементов в этот период. Это подтверждалось тем, что адаптация водорослей верхних горизонтов в темноте в течение 2−3 ч приводила к увеличению переменной флуоресценции до 0,5. На больших глубинах (более 40 м) наблюдаемое снижение функциональной активности водорослей может быть следствием появления в составе фитопланктонного сообщества малоактивных клеток. В этом случае темновая адаптация не изменяла значений переменной флуоресценции. Кроме того, полученные с этих горизонтов клетки водорослей обладали высокой функциональной неоднородностью. При низких средних значениях переменной флуоресценции присутствовали клетки практически лишенные способности к фотосинтезу и высоко активные с (Fm-Fo)/Fm > О.б.Флуорометрические методы могут дать информацию не только об эффективности первичных процессов фотосинтеза фитопланктона и быстрых регуляторных изменениях ФСА, но и о длительной адаптации, обусловленной постоянными условиями обитания. В частности, показано, что величина коэффициента нефотохимического тушения тесно связана со световыми условиями культивирования водорослей (Falkowski, 1992, [46]). С ростом глубины и снижением подводной облученности величина qN фитопланктона растет, достигая на 70 м практически предельно возможного значения (Табл. 1). При этом значение относительной переменной флуоресценции адаптированного к темноте фитопланктона мало зависит от глубины. Таким образом, по величине коэффициента нефотохимического тушения можно оценить, к каким световым условиям адаптированы водоросли. Следует отметить, что адаптация к новым условиям освещения фитопланктона является длительным процессом и требует не менее недели.

I I ' I ¦ I

Температура, °C

Fo, oth. ед.

Рис. 4. Распределение по глубине температуры (Л), содержания пигментов (Б) и переменной флуоресценции XJI фитопланктона (В) в августе-сентябре 2000 и 2002 гг.

Учет этих обстоятельств может иметь большое значение для определения пространственно-временных адаптационных изменений состояния фитопланктона.

Сопоставление результатов зондирования в летне-осенний периоды 1998−2000 и 2002 гт. показало (Рис. 4), что экологическое состояние фитопланктона в северо-восточной части Черного моря летом 2002 претерпело существенное изменение. Во всем северо-восточном секторе моря, в отсутствии значительных мезомасштабных изменений, водные массы верхнего слоя воды до 25−30 метров прогрелись до 25 С° и более. В этих условиях изменилось распределение содержание пигментов и эффективность фотосин