Эти результаты, недавно опубликованные в Журнале экспериментальной биологии, являются первой демонстрацией того, что зрение у морских беспозвоночных очень чувствительно к количеству доступного кислорода в воде.
Уровни кислорода в океане во всем мире меняются в результате естественных и антропогенных процессов. Многие морские беспозвоночные зависят от зрения, чтобы найти пищу, укрытие и избежать хищников, особенно на ранних этапах жизни, когда многие из них являются планктонными.
Это особенно верно в отношении ракообразных и головоногих моллюсков, которые являются обычной добычей для других животных и чьи личинки сильно мигрируют в толще воды.
Исследования на 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, летящих на большой высоте, ухудшается зрение, если самолет не снабжает кабины дополнительным кислородом. Кроме того, проблемы со здоровьем, такие как высокое кровяное давление и инсульты, связанные с потерей кислорода, могут повредить зрение.
«Имея все эти знания о влиянии кислорода на зрение у наземных животных, я задавался вопросом, будут ли морские животные реагировать аналогичным образом», – сказала Лилиан МакКормик, ведущий автор исследования, финансируемого Национальным научным фондом, и аспирантка Scripps Oceanography.
Ее результаты шокировали ее.
Изучая четырех местных морских беспозвоночных в Калифорнии – рыночных кальмаров, двухточечных осьминогов, тунцов и крабов-брахюранов – она обнаружила, что зрение ухудшается на 60-100 процентов в условиях низкого содержания кислорода.
Используя личинок, собранных в водах у Скриппса, Маккормик проверил острую реакцию – краткосрочную реакцию на воздействие пониженного кислорода – в глазах личинок. Она работала с Николасом Ошем, исследователем из отдела психологии Калифорнийского университета в Сан-Диего, чтобы разработать установку для таких небольших образцов.
«Большая часть работы в лаборатории направлена на решение биомедицинских вопросов зрения млекопитающих», – сказал Оеш. "Так что было интересно перейти к менее традиционным модельным системам и применить наши методы в совершенно другой области."
Помещенные на предметный столик микроскопа с проточной морской водой с постепенно сниженным уровнем кислорода, личинки подвергались воздействию света, который Маккормик мог использовать для вызова зрительных реакций. Она измерила эти ответы с помощью электродов, подключенных к сетчатке личинок.
Эта методика называется электроретинограммой.
«Представьте себе устройство как аппарат ЭКГ для глаза», – сказал МакКормик. «Вместо того, чтобы измерять электрическую активность сердца, мы смотрим на часть глаза, называемую сетчаткой."
Как только доступность кислорода начала снижаться по сравнению с уровнями, насыщенными кислородом, такими как на поверхности океана, Маккормик заметил немедленную реакцию личинок. Это особенно характерно для брахиуранских крабов и кальмаров, которые потеряли почти все зрение при самом низком кислородном тестировании, около 20 процентов от уровня кислорода на поверхности. Осьминоги продержались дольше, реакция сетчатки снижалась только после того, как кислород был снижен до определенного уровня, в то время как тунцовые крабы были довольно устойчивыми. Взрослые тунцовые крабы хорошо переносят воду с низким содержанием кислорода.
«Я был удивлен, увидев, что даже в течение нескольких минут после воздействия низкого уровня 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 краткосрочные периоды низкого содержания кислорода.
Маккормик интересуется, как это ухудшение зрения может повлиять на поведение животных, особенно тех, которые испытывают наиболее резкую потерю зрения.
Эти животные полагаются на световые сигналы, и неспособность обнаружить эти сигналы может повлиять на их выживание. Один из примеров – миграция.
Личинки этих видов мигрируют вертикально, опускаясь на более глубокие глубины в течение дня и поднимаясь на поверхность ночью, и используют изменения интенсивности света в качестве миграционного сигнала.
Кроме того, личинки полагаются на зрение, чтобы находить добычу и избегать хищников. Личинки кальмаров охотятся на быстро плавающую добычу, как веслоногие рачки, и их зрение имеет для этого решающее значение. Скорость реакции сетчатки у личинок кальмаров снижалась при воздействии низкого уровня кислорода, что указывает на то, что это нарушение зрения может препятствовать способности личинок обнаруживать веслоногих ракообразных и питаться.
Потеря способности реагировать на изменения интенсивности света – например, тень хищника – или визуально видеть добычу может снизить выживаемость этих зрительных личинок. Торговые кальмары в Сан-Диего могут быть особенно восприимчивыми, потому что они откладывают яйца в местах с низким содержанием кислорода, таких как морское дно возле каньона у Ла-Холья.
В морской среде уровни кислорода меняются в суточных, сезонных и межгодовых временных масштабах. Также наблюдаются большие колебания содержания кислорода с глубиной.
Однако эти условия меняются из-за антропогенного изменения климата и даже загрязнения. Атмосферное потепление также приводит к изменению температуры 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, когда избыток питательных веществ в воде способствует росту 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, сточных вод с сельскохозяйственных угодий или сточных вод.
Потери кислорода особенно заметны в районах с естественным низким содержанием кислорода и апвеллингом, например, у побережья Калифорнии.
Эти результаты основаны на острой реакции, и Маккормику любопытно, как длительное воздействие низкого содержания кислорода может повлиять на этих животных в дикой природе.
В своей будущей работе она будет проверять зрительное поведение в различных кислородных условиях, а также сравнивать результаты физиологических и поведенческих исследований с кислородными и световыми условиями в океане с течением времени.