Карибский регион включает сотни островов и представляет значительный интерес для морских биологов в силу длительной изолированности и сложной геологической истории этого региона, а также слабой изученности его обитателей. Изучение уникальных и хрупких коралловых сообществ Карибского моря важно для понимания того, как возникали, эволюционировали и расселялись его обитатели, как формировались сами сообщества, как взаимодействуют друг с другом обитающие в нем виды и, наконец, какие болезни и паразиты встречаются у обитателей этих сообществ. Такие исследования особенно актуальны в условиях наблюдаемых в последние годы изменений температурных условий и других условий среды обитания, активного вылова прибрежных ресурсов и загрязнения сточными водами. Особый интерес представляют слабо изученные, но массовые и разнообразные, микроскопические беспозвоночные, вступившие в особые симбиотические отношения с кораллами, губками и иглокожими, определяющих уникальный облик прибрежных сообществ Карибских островов. Характер симбиотических отношений морских беспозвоночных во многих случаях остается неисследованным. Однако симбиотические отношения могут быть определены как паразитические (симбионт наносит вред хозяину), комменсальные (симбионт извлекает пользу без нанесения вреда хозяину) и даже мутуалистические (животные приносят взаимную пользу). Очевидно, что изучение особенности симбиотических отношений малоизученных групп беспозвоночных поможет восполнить пробелы в наших представлениях о жизни и устойчивости коралловых сообществ Карибского региона в условиях современной эпохи – Антропоцена.
Следует отметить, что при изучении и оценке состояния коралловых и других сообществ Мирового океана обычно исследуют только макрофауну, то есть достаточно крупных животных, хорошо различимых невооруженным глазом. К этим группа относятся такие группы животных, как кораллы, морские губки, морские ежи, лилии и звезды, крупные моллюски и ракообразные, а также ряд других таксонов беспозвоночных. К наиболее массовым и разнообразным обитателям морских сообществ относятся также наименее исследованные, обнаруживаемые с помощью микроскопа беспозвоночные, такие как веслоногие ракообразные (копеподы или Copepoda) и круглые черви (нематоды или Nematoda), длина тела которых варьирует от одной десятой до одного-двух миллиметров. Несмотря на мелкие размеры, общая численность этих групп беспозвоночных превышает численность любой другой группы беспозвоночных, обитающих на планете, включая насекомых. Копеподы и нематоды хорошо известны как свободноживущие обитатели и паразиты разнообразных морских рыб и теплокровных животных. Однако, как показали обзоры литературных источников и базы данных, подготовленные нами в ходе российско-кубинского проекта, поддержанного РФФИ, разнообразные копеподы и нематоды обитают внутри и на поверхности практически всех крупных беспозвоночных Карибского моря: мадрепоровых кораллах, морских веерах, морских губках, звездах, ежах, змеехвостках, лилиях, и т.д. Среди симбиотических копепод и нематод выявлены разнообразные паразитические формы, питающиеся тканями хозяев, обитающие в тканях хозяина, в некоторых случаев, вызывающие у них галловые разрастания. Некоторые из симбионтов, как оказалось, могут вызывать болезни кораллов. Возможно, что микроскопические симбионты, особенно имеющие колюще-сосущий ротовой аппарат, способны переносить болезнетворные бактерии и вирусы, так же как кровососущие клещи и насекомые.
Целью проекта группы морских биологов, включающей сотрудников, аспирантов и студентов МГУ имени М.В. Ломоносова и Университета Гаваны, является проведение оценки состояния видового разнообразия и выяснение особенности строения и биологии копепод и нематод, обитающих на массовых видах беспозвоночных коралловых рифов Карибского региона. Для реализации этой цели участникам необходимо провести сбор и анализ данных, накопленных за историю исследований Карибского моря и других регионов Мирового океана. Необходимо также организовать водолазные сборы материала на глубинах до 40 метров в разных частях Кубы и на других островах региона, а также провести исследование молекулярного и морфологического разнообразия собранных копепод, нематод, а также их хозяев. Решение этих задач оказалось возможным благодаря опыту участников проекта в исследовании копепод и нематод, а также благодаря владению методами легководолазных сборов, методами электронной микроскопия и опытом в исследовании ДНК.
В 2019 и 2020 гг. участники проекта провели сбор материала на южном и северном побережье острова Куба (у городов Гавана и Тринидад, в бухте Кочинос), а также вокруг острова Бонэйр, расположенного в южной части Карибского моря, недалеко от Венесуэлы. Данный материал существенно дополнил собранный ранее российскими участниками проекта на Карибских островах Синт-Эстатиус и Кюрасао. Весь материал собран с применением легководолазного снаряжения и подводной фототехники, и исследуется в научных лабораториях МГУ и Университета Гаваны молекулярными и микроскопическими методами. Все данные об исследованиях и собранном ранее уникальном материале, исследуемом в МГУ, сведены в единую базу данных, доступную через интернет на международном портале GBIF. База данных включает информацию о 390 пробах симбионтов 47 видов 28 семейств кораллов, иглокожих и морских губок, собранных в 63 местах на четырех Карибских островах.
Участник проекта подготовили обзорную статью, основанную на анализе оригинальной базы данных о всех известных находках симбиотических копепод – симбионтов кораллов, морских губок и иглокожих Карибского региона. В общей сложности обнаружено более 500 находок 115 видов симбиотических копепод, найденных на 80 видах 17 семейств беспозвоночных. Показано, что разнообразие и экология симбиотических копепод в Карибском бассейне представлены таксонами и жизненными формами копепод. Показано, что симбиотические копеподы этого региона исследованы неравномерно, как по регионам, так и по хозяевам. Наименее изученными в Карибском море оказались копеподы, обитающие на разнообразных демоспонгиевых губках.
Общий вид микроскопической самки веслоногого ракообразного с колюще-сосущим ротовым аппаратом, обнаруженного на рифообразующих кораллах Карибского моря. Сканирующий электронный микроскоп
Анализ данных, накопленных за все историю исследования нематод, обитающих на морских беспозвоночных Мирового океана, позволил составить полное представление о разнообразии и состоянии изученности нематод, находящихся в симбиозе с морскими беспозвоночными. Выявлены общие особенности эволюционного освоения нематодами морских беспозвоночных, отличающие их от нематод, связанных с наземными и пресноводными беспозвоночными. Дело в том, что на суше стартовым биотопом в эволюции паразитизма нематод были сапробиотические очаги (гниющая растительность, компост, навоз) с повышенной плотностью бактериального населения. Обитая в таких субстратах, предки современных паразитических нематод освоили задние отделы кишечника наземных беспозвоночных и позвоночных, где условия сходны с сапробиотическими (высокая концентрация бактерий, дефицит кислорода, часто усиленная активность ферментов и повышенная температура), а также выработали специальную расселительную личинку, выдерживающую длительные периоды обезвоживания. Из заднего отдела кишки нематоды освоили физиологически более активные отделы средней кишки и смогли проникнуть во внутренние органы. В море эволюция паразитизма нематод шла по другой траектории. Поскольку морская среда гораздо более гомогенна, и даже внутренние жидкости тела беспозвоночных по составу и концентрации солей мало отличаются от окружающей воды, то переход из внешней среды в полость тела животного-хозяина, минуя агрессивную среду желудка и кишечника, происходил сравнительно легко и не потребовал специальных физиологических и морфологических преобразований. В море у нематод наибольшее распространение получили два типа ассоциаций с крупными организмами-хозяевами – эктокомменсализм / эктопаразитизм на поверхности тела хозяина (явление, невозможное в наземной среде) и паразитирование в полости тела и внутренних органах, но не в кишечнике. Интересные особенности приспособления нематод к симбиозу с морскими беспозвоночными отличаются от таковых копепод и, очевидно, обусловлены разными условиями среды обитания их предков, обитавших в, а не у поверхности донных грунтов.
Сбор и исследование материала позволил участникам проекта существенно дополнить представление о распространении Синдрома множественных пурпурных пятен у морского веера Gorgonia ventalina, который вызван, как оказалось, комплексом ранее неизвестных видов галлообразующих паразитических копепод семейства Lamippidae. Следует подчеркнуть, что данный синдром было описан в Карибском море уже много лет назад и, как утверждалось, вызывается грибковой инфекцией. Однако именно работа участников проекта наглядно показала, что данные пятнистые образования вызывают именно копеподы нового комплекса видов. Более тщательное изучение ДНК и морфологии этих копепод, проведенное в ходе проекта, выявило наличие не одного, а не менее трех ранее неизвестных видов копепод Sphaerippe, а также ранее неизвестные для копепод особенности строения их конечностей и кутикулы. Анализ выявил неполную изоляцию двух из трех видов копепод, обитающих на северном и южном побережье Кубы и отсутствие неполной изоляции у копепод третьего вида, обитающего в западной части Карибского бассейна. Эти необычные для Карибского моря зоогеографические отличия паразитических копепод при довольно однородном ДНК их хозяина могут быть объяснены более слабой способностью к распространению у личинок этих копепод.
Сравнение жизненных циклов симбиотических нематод, связанных с морскими (слева) и неморскими беспозвоночными
Участники проекта провели исследование таксономического, молекулярного и морфологического разнообразия, а также исследование происхождения копепод большого семейства Asterocheridae, отличающихся колюще-сосущим ротовым аппаратом и обитающих на карибских губках и рифообразующих кораллах. Выявлен целый ряд новых для науки видов и родов копепод. Значительный интерес представляют микроскопические копеподы, найденные в гигантских ярко- оранжевых и мясистых губках рода Agelas и описываемые как новый вид и род. Исследование тонкой морфологии половозрелых самцов и самок этих копепод крайне затруднено их размерами (менее 400 микрон), что потребовало активного использования электронной микроскопии. Выявлено обособленное положение карибских астерохерид на эволюционном древе копепод, а также однократный эволюционный переход астерохерид к симбиозу с рифообразующими кораллами Карибского моря от предков, обитающих на губках. Значительное разнообразие и обилие симбиотических копепод в пробах, собранных на губках, указывает на длительную коэволюцию копепод с морских губками и их, до сих пор невыясненное, значение для жизнедеятельности хозяев.
Исследование образцов губок – хозяев симбиотических копепод, позволило уточнить молекулярные признаки, а также выявить ранее неизвестные особенности строения их скелетов, включающих трехмерные хитиновые каркасы и биологические активные вещества. Результаты опубликованы в двух статьях журнала Marine Drugs ([1]; [2]).
Исследование разнообразия и деталей строения нематод, собранных на демоспонгиевых губках острова Куба, выявило отсутствие крупных представителей семейства Leptosomatidae, обычных в губках умеренной широты Северного и Южного полушария. Оказалось, что в тропических губках преобладают мелкие виды других отрядов. Интересно, что в карибских губках видовое разнообразие нематод ниже, чем в окружающем песчаном грунте, но количественное обилие нематод очень высокое; преобладают виды семейств Desmodoridae и Chromadoridae. Наличие в пробах зрелых яиц в матках самок и многочисленных ювенильных стадий указывают на успешное размножение нематод в губках. Преобладающие в пробах виды (например, представители родов Acanthopharynx, Desmodora, Hypodontolaimus), судя по наличию в ротовой полости мощного подвижного зуба, питаются клетками разнообразных одноклеточных водорослей, грибов и протистов. Однако у исследованных нами особей кишки оказались пустые, что может свидетельствовать и о роли растворённых веществ в питании этих нематод. Интересным открытием может оказаться и находка пигментированных, по-видимому, фототрофных, одноклеточных организмов на поверхности нематоды рода Hypodontolaimus. Подобные ассоциации фотосинтезирующих водорослей с нематодами ранее не отмечали и заслуживают отдельного исследования.
Участники проекта продолжают исследование микроскопических обитателей коралловых сообществ Кубинского архипелага и других районов Карибского региона. Продолжаются работы по описанию новых таксонов, изучению тонкой морфологии и анализу ДНК образцов, собранных на разных хозяевах. Особое внимание при этом уделяется поиску скрытого (криптического) разнообразия и зоогеографических отличий микроскопических симбионтов из разных районов Карибского моря. На базе МГУ при участии кубинских коллег проведены работы по анализу ДНК симбиотических копепод, позволяющие определить их эволюционное происхождение и наиболее вероятный путь проникновения в Карибский регион. Ведутся работы по уточнению дифференциальных диагнозов и исследованию приспособлений симбионтов к обитанию на морских губках, кораллах и иглокожих. По результатам работ будет дана наиболее полная оценка разнообразия и роли микросимбионтов в жизни обитателей коралловых сообществ Карибского моря, а также определены наиболее важные направления дальнейших исследований. Результаты российско-кубинского проекта с участие морских биологов, а также студентов и аспирантов двух стран апробированы на конференциях, представлены в коллекциях и базах данных, опубликованных и готовящихся к печати статьях. Сотрудничество морских биологов России и Кубы, на наш взгляд, целесообразно продолжать и после завершения проекта.