Ученые из Океанографического института Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что низкий уровень кислорода в морской воде может ослепить некоторых морских беспозвоночных.
Эти результаты, недавно опубликованные в Журнале экспериментальной биологии, являются первой демонстрацией того, что зрение морских беспозвоночных очень чувствительно к количеству доступного кислорода в воде.
Уровни кислорода в океане глобально меняются в результате естественных и антропогенных процессов. Многие морские беспозвоночные зависят от зрения, чтобы найти пищу, укрытие и избежать хищников, особенно на ранних стадиях жизни, когда многие из них являются планктонными. Особенно это касается ракообразных и головоногих моллюсков, которые являются обычной добычей других животных и чьи личинки мигрируют в толще воды.
Исследования наземных животных показали, что низкий уровень кислорода может влиять на зрение. Фактически, люди могут потерять зрительную функцию в условиях низкого содержания кислорода. Например, было показано, что у пилотов, летающих на большой высоте, ухудшается зрение, если самолет не пополняет кабины дополнительным кислородом. Кроме того, проблемы со здоровьем, такие как высокое кровяное давление и инсульты, связанные с потерей кислорода, могут повредить зрение.
«Учитывая все эти знания о влиянии кислорода на зрение наземных животных, я задалась вопросом, будут ли морские животные реагировать аналогичным образом», - сказала Лилиан Маккормик, ведущий автор исследования, финансируемого Национальным научным фондом, и аспирантка в Океанография Скриппса.
Результаты потрясли ее. Изучая четырех местных калифорнийских морских беспозвоночных - рыночного кальмара, двухточечного осьминога, тунцового краба и брахиуранского краба - она обнаружила, что зрение снижается на 60-100 процентов в условиях низкого содержания кислорода..
Используя личинок, собранных в водах Скриппса, Маккормик проверил острую реакцию - кратковременную реакцию на воздействие пониженного содержания кислорода - в видении личинок. Она работала с Николасом Ошем, исследователем факультета психологии Калифорнийского университета в Сан-Диего, над разработкой установки для таких маленьких образцов.
«Большая часть работы в лаборатории направлена на решение биомедицинских вопросов зрения млекопитающих», - сказал Оеш. «Поэтому было интересно перейти к менее традиционным системам моделирования и применить наши методы в совершенно другой области».
Помещенные на предметный столик микроскопа с проточной морской водой с постепенно снижающимся уровнем кислорода, личинки подвергались воздействию световых условий, которые Маккормик мог использовать для получения зрительных реакций. Она измерила эти ответы с помощью электродов, подключенных к сетчатке личинок. Этот метод называется электроретинограммой.
«Представьте себе устройство как электрокардиограф для глаз», - сказал Маккормик. «Вместо измерения электрической активности сердца мы смотрим на часть глаза, называемую сетчаткой».
Как только доступность кислорода начала снижаться по сравнению с хорошо оксигенированными уровнями, такими как на поверхности океана, Маккормик увидел немедленную реакцию личинок. Это было особенно верно для крабов и кальмаров-брахиуран, которые потеряли почти все свое зрение при самых низких испытанных условиях кислорода, около 20 процентов от уровня кислорода на поверхности. Осьминоги продержались дольше, а реакции сетчатки снижались только после того, как кислород был снижен до определенного уровня, в то время как тунцовые крабы были довольно устойчивыми. Известно, что взрослые тунцовые крабы хорошо переносят воду с низким содержанием кислорода.
«Я был удивлен, увидев, что даже в течение нескольких минут после воздействия низкого содержания кислорода некоторые из этих видов практически ослепли», - сказал Маккормик.
К счастью, когда уровень кислорода был восстановлен, у большинства образцов восстановились некоторые зрительные функции, что указывает на то, что повреждение может быть непостоянным в течение краткосрочных периодов низкого содержания кислорода.
Маккормик интересуется, как это ослабленное зрение может повлиять на поведение животных, особенно тех, у которых наблюдается наиболее серьезная потеря зрения. Эти животные полагаются на сигналы света, и неспособность обнаружить эти сигналы может повлиять на их выживание. Одним из примеров является миграция. Личинки этих видов мигрируют вертикально, погружаясь на более глубокие глубины днем и поднимаясь на поверхность ночью, и используют изменения интенсивности света в качестве своего сигнала миграции.
Кроме того, личинки полагаются на зрение, чтобы найти добычу и избежать хищников. Личинки кальмаров охотятся на быстроплавающую добычу, например веслоногих, и их зрение имеет для этого решающее значение. Скорость реакции сетчатки личинок кальмаров замедлялась при воздействии низкого содержания кислорода, что указывает на то, что это нарушение зрения может подавлять способность личинок обнаруживать копепод и питаться. Потеря способности реагировать на изменения интенсивности света - например, на тень хищника - или визуально видеть добычу может снизить выживаемость этих хорошо видящих личинок. Рыночные кальмары в Сан-Диего могут быть особенно восприимчивы, потому что они откладывают яйца в местах с низким содержанием кислорода, например, на морском дне возле каньона у Ла-Хойи.
В морской среде уровни кислорода меняются в суточных, сезонных и межгодовых временных масштабах. Есть также большие колебания кислорода с глубиной. Однако эти условия меняются из-за антропогенного изменения климата и даже загрязнения. Атмосферное потепление также меняет температуру в океане, что уменьшает смешивание хорошо насыщенных кислородом поверхностных вод с более глубокими водами. Кроме того, прибрежная среда все больше теряет кислород в процессе, называемом эвтрофикацией, при котором избыток питательных веществ в воде способствует цветению планктона, который затем истощает доступный кислород, растворенный в воде. Это может привести к гибели рыб и других морских животных. Эвтрофикация часто является результатом загрязнения прибрежных районов, например, сельскохозяйственных стоков или сточных вод. Потери кислорода особенно заметны в районах естественного низкого содержания кислорода и апвеллинга, например, у побережья Калифорнии.
Эти результаты основаны на острых реакциях, и Маккормику любопытно, как длительное воздействие низкого содержания кислорода может повлиять на этих животных в дикой природе. Ее будущая работа будет заключаться в тестировании зрительного поведения в различных кислородных условиях, а также в сравнении результатов физиологических и поведенческих исследований с кислородными и световыми условиями в океане с течением времени.