О моей диссертации, экспериментах с рыбками и планах на будущее

Месяц назад вышла статья с моим участием в научно-популярном журнале Финляндии (Yliopiston lehti). Статья написана на финском языке и представляет интерес для широкого круга читателей. Работа с журналистами и фотографом помогла посмотреть на научный процесс под другим углом и осознать, что важно не только получать научные данные, но и уметь ими делиться с общественностью.

Сергей Морозов диссертацияЭто событие вдохновило меня, и я решил подробнее рассказать о том, чем сейчас занимаюсь в науке.

Чему посвящена диссертация?

Я поступил в аспирантуру Университета Хельсинки летом 2013 года. Темой моей научной работы является изучение меж- и внутрипопуляционных различий в обмене веществ и скорости плавания у рыб. Исследования подобного рода находятся на стыке трех классических биологических дисциплин: физиологии, генетики и экологии. Они, в свою очередь, сформировали раздел науки, который называется экофизиология (или эволюционная физиология).

Теоретическую составляющую будущей диссертации можно выразить при помощи нескольких фундаментальных вопросов:

  • как условия окружающей среды влияют на обмен веществ?
  • какие физиологические адаптации выгодны для выживания в тех или иных местах обитания?
  • отличаются ли потребление кислорода и скорость плавания у популяций рыб из разных водоёмов?
  • имеют ли эти различия генетическую основу, и если да, то какие гены отвечают за эти признаки?
  • каким образом обмен веществ (метаболизм) и строение тела (морфология) определяют максимальную скорость плавания?

На часть из этих вопросов у меня уже есть ответы, но на большинство из них лишь догадки и гипотезы, которые предстоит подтвердить или опровергнуть. Для этого мы будем использовать методы количественной и популяционной генетики, генетического картирования, и биомеханики. Не будем более останавливаться на теоретических аспектах диссертации, а перейдем к практической части: почему мы изучаем именно рыб, каким образом измеряем обмен веществ и скорость плавания, какие проекты запланированы и каков прогресс?

Почему я изучаю рыб?

Объектом изучения является маленькая рыбка - трехиглая колюшка (Gasterosteus aculeatus). Колюшки ведут стайный образ жизни, являются кормовым видом для более крупных рыб. Они повсеместно распространены в озерах, реках и морских прибрежьях Евразии и Северной Америки. В зависимости от места обитания популяции этого вида рыб могут сильно отличатся друг от друга как морфологически, так и поведенчески. Например, тело большинства морских популяций покрыто броней из костных пластинок, в то время как у озерных колюшек боковые пластинки частично или полностью отсутствуют (подобнее о любопытных особенностях биологии трехиглой колюшки будет написано в отдельной статье). Несмотря на то, что физиологические различия были отмечены в ряде научных работ, комплексных экофизиологических исследований по-прежнему не хватает.

Трехиглая колюшка диссертация

Помимо интересных биологических особенностей, колюшек выгодно использовать в экспериментальной биологии. Эти рыбки хорошо живут и размножаются в неволе, что позволяет скрещивать особей из разных популяций в лабораторных условиях. Они относительно дешевы в содержании (по сравнению с крысами или мышами), неприхотливы, и занимают немного места. Например, в нашей лаборатории одно время было около 3.000 рыб, которые умещались в комнате 16 м2.

Аквариум с колюшками

Все это позволяет проводить длительные эксперименты с несколькими поколениями и большим количеством особей, что обеспечит статистическую значимость будущих результатов. По этим причинам трехиглая колюшка стала одним из самых популярных модельных организмов в эволюционной биологии, популяционной генетике и этологии.

Как можно измерить обмен веществ?

Обмен веществ (метаболизм) - это сложная сеть химических реакций, протекающих в клетках и тканях, позволяющих организму расти, выживать и размножаться. Обмен веществ играет ключевую роль в приспособляемости организма к условиям окружающей среды, а также внутри и межвидовой борьбе за существование. В моей диссертационной работе я не буду рассматривать механизмы метаболических реакций (этим занимаются классические физиологи и биохимики), а ограничусь лишь измерением общего количества потребляемой организмом энергии.

Одним из самых точных способов количественной оценки уровня обмена веществ у животных является измерение потребляемого организмом кислорода. Для этой цели существуют специальные приборы - респирометры (лат. respiro дышать + греч. metreo измерять). Они могут быть разной формы, размеров и конструкций, но принцип работы остается неизменным: животное помещают в камеру, внутри которой находится датчик кислорода; затем перекрывают сообщение с внешней средой, и считывают изменения концентрации кислорода внутри изолированной камеры за определенный период времени.

Респирометр для рыб

На фотографии Вы видите респирометр, которым я пользовался на протяжении двух лет. Однако, у него есть одна дополнительная функция, позволяющая измерять не только минимальный уровень обмена веществ (когда животное находится в состоянии покоя), но и потребление кислорода при физических нагрузках. При помощи пропеллера, расположенного внутри камеры мы можем регулировать скорость потока воды, увеличивая или уменьшая нагрузку на организм. Данные о ежесекундном изменении количества кислорода внутри камеры через датчик передаются на компьютер и записываются в виде электронных таблиц.

Скорость плавания, как показатель силы и выносливости у рыб

Помимо обмена веществ, я также измерил уровень "физической подготовки" у каждой особи. В зависимости от того, участвует ли кислород в синтезе энергии или нет, физические нагрузки условно делятся на два типа: аэробные и анаэробные. Первый тип нагрузок преимущественно определяет выносливость организма, а второй - краткосрочные силовые и скоростные качества. Оценить уровень физической подготовки у рыб можно при помощи тестов на скорость плавания. Для этого были измерены два параметра: критическая скорость (Ucrit) и взрывная (Uburst) скорости плавания.

Критическая скорость плаванияКритическая скорость - это максимальная скорость плавания, которую рыба способна поддерживать в течении как минимум 10 минут (аэробная нагрузка). Ее измеряют, как правило, также внутри респирометра, постепенно увеличивая скорость течения, пока рыба не выдохнется и не перестанет плавать.

Взрывная скорость плаванияВзрывная скорость плавания - это максимальная скорость, которую рыба в состоянии поддерживать не более 20 секунд. Она играет важную роль в борьбе за существование, так как помогает мгновенно реагировать на угрозу хищника, увеличивая тем самым шансы на выживание. Взрывная скорость основана преимущественно на анаэробном сжигании углеводов, поэтому не имеет смысла измерять ее внутри респирометра. Для измерения максимальной взрывной скорости я имитировал атаку хищника при помощи пинцета, слегка щипая рыбку за хвост. Реакция была записана на высокочастотную камеру, установленную сверху аквариума, и впоследствии покадрово проанализирована с использованием компьютерной программы Tracker 4.82.

Что сделано и что будет сделано...

Прежде чем перейти к планам, подведем итог методологической части. В ходе экспериментов были получены данные для каждой особи о минимальном и максимальном уровне обмена веществ, критической и взрывной скоростях плавания. После чего все рыбы были усыплены и сфотографированны для последующих морфологических измерений (об этом будет отдельная статья). Кроме этого, были изъяты образцы ткани для генетического анализа. Всего участвовало в физиологических экспериментах около 700 особей.

На данный момент лабораторная работа завершена. Все рабочее время уделяется анализу полученных данных и написанию публикаций. Диссертация будет включать несколько научных статей на базе полученных экспериментальных данных. Для каждой из публикаций я напишу статью на этом сайте, где простыми словами постараюсь рассказать, что мы исследовали, какими методами пользовались и что интересного обнаружили. Тем, кто заинтересуется, можно будет почитать оригинал на английском или задать вопросы в комментариях на сайте.

Вот такие результаты, вот такие планы. Надеюсь, эта статья была интересной и помогла составить общее представление о том, чем я занимаюсь в науке, какие эксперименты провожу и на какие фундаментальные вопросы в области эволюционной физиологии мне хотелось бы ответить.

Спасибо за проявленный интерес и внимание!

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *