V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Особенности стайного поведения аквариумных рыб

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Демидов М.Д. 1

---

1АНО "ШКОЛА "ПРЕЗИДЕНТ"

Гурьев Д.В. 1

---

1АНО «ШКОЛА «ПРЕЗИДЕНТ»

Работа в формате PDF

25.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Уже давно проводится изучение поведения рыб в естественных и лабораторных условиях. За рыбами наблюдают с помощью эхолотов, видеотехники, подводных аппаратов. В лабораториях ученые изучают экспериментальным путем физиологические и экологические особенности многих видов рыб. Одним из важнейших направлений современной ихтиологии является изучение поведения рыб. Результаты исследований в данной области являются основой для решения в будущем прикладных задач, связанных с культивированием, промыслом, охраной и восстановлением запасов рыб.

Исследования в области сенсорных систем и поведения, и рыб интенсивно развиваются во многих странах мира и являются весьма актуальными в современном мире. К примеру, только на запрос «Fish behavior» поисковая система Google дает более 27.5 млн. ответов. В этой области не только развиваются исследования, но и происходит смена приоритетных направлений, усиливается интерес к познанию тех или иных механизмов поведения, особенностям сложных форм поведения рыб при многофакторных воздействиях и многим другим. Лично для меня актуальность проблемы стайного поведения дыб состоит в более детальном понимании механизмов, регулирующих активность аквариумных рыб.

Цель исследования – экспериментальным путем доказать стайный образ жизни аквариумных рыб вида Danio Rerio. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- Проанализировать различные источники литературы по данному вопросу.

- Описать имеющиеся опытные исследования поведения рыб данного вида.

- Провести экспериментальную часть работы с исследованием стайного поведения рыб.

Гипотеза –в поведении рыб вида Danio Rerio превалируют механизмы, свойственные стайному образу жизни рыб.

ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ РЫБ вида danio rerio

Объект изучения и его характеристики

Данио Рерио (научное название: Danio Rerio), которых также называют Данио Зебра (Zebra Danio), являются по многим причинам одними из самых популярных тропических рыб. Они привлекательны на вид, выносливы и обычно обитают группами из 6 или более рыб. Благодаря тому, что они переносят широкий диапазон водных параметров, рыбы Данио Рерио являются отличными экземплярами для содержания и разведения в аквариумах (см. таблицу1).

Таблица 1. Характеристики рыб вида Danio Rerio

Интересные факты

В последние годы рыб вида Danio Rerio стали использовать как модельный организм для различных биологических исследований благодаря их особым преимуществам над другими видами живых организмов (мухи-дрозофилы, крысы, мыши). Эмбрионы рыб вида Danio Rerio очень быстро развиваются и проходят стадии от яйца до личинки всего за 3 дня. Данио Рерио очень быстро растут и становятся самостоятельными: эмбрион развивается от яйца до личинки и все этапы взросления проходит отдельно от матери, поэтому их удобно изучать. К тому же рыбы оптически прозрачны, что легко визуализирует их клеточную морфологию и структуру движений, также они легко проницаемы для небольших молекул, добавленных в инкубационную среду. К примеру, раньше рыб Danio Rerio использовали в качестве индикатора степени загрязненности воды, но теперь зачастую ученые используют данный вид для поиска маркеров раковых заболеваний человека, так как многие из генов этой рыбы функционируют схожим с человеком образом. Кроме того, высокая степень соответствия между геномом человека и рыб данного вида позволяет исследовать токсичность различных лекарственных препаратов на этих модельных организмах.

В 2013 году испанские учёные внедрили в генотип рыбки специальный ген, заимствованный у мышей, – в итоге у испытуемых рыб появились конечности, подходящие для перемещения по суше, почти как у древних кистеперых рыб.

В Америке выведены трансгенные Данио Рерио, названные GloFish, которые благодаря стараниям ученых светятся в темноте – в ультрафиолетовом свете. Когда эти рыбки были еще икрой, в их гены добавили гены медузы. Размножаются эти рыбы уже без вмешательства генетиков. Это одна из немногих рыб, побывавших в космосе, и важный организм для изучения развития и функций генов позвоночных.

ГЛАВА 2. методы исследования

История изучения

Говоря об истории изучения пищевого поведения рыб, важно упомянуть, что первые настоящие научные наблюдения за реакциями рыб во время поиска пищи были начаты еще в XIX веке. Е. Аронсон в 1884 г., Дж. Штейнер в 1888 г. и В. Бейтсон в 1889 г. проводили опыты по определению восприятия запаха пищи золотой рыбкой, акулой и морским налимом. В настоящее время исследования различных аспектов поведения и рецепции рыб проводятся в Институте биологии внутренних вод РАН, Институте эволюционной физиологии и биохимии РАН, Мурманском морском биологическом институте РАН, Иркутском госуниверситете.

Изучение реакций рыб на визуальные объекты

Рыбки рода Данио являются стайными, поэтому исследователи давно проявляют интерес к изучению стайного поведения этих рыб в аквариуме. При этом они результаты и выводы исследований подразумевают последующую экстраполяцию на промысловых рыб, ведущих именно стайный образ жизни.

Главный вопрос при изучении любой стаи: за счет чего в ней достигается взаимодействие отдельных особей? Для большинства рыб, и в частности для рыб рода Данио, важнейшим параметром является зрение. Они могут вступить в стайные взаимоотношения, только если видят друг друга. И рыбкам не требуется иных сигналов: осязательных, химических, электрических и т.д. Этот вывод доказывают опыты в аквариуме, проведенные еще в 1946 г. американскими учеными Ф. Халперном и К. Бредером. Исследователи изучали реакцию рыбок на визуальные картинки, используя простые прямоугольники различных размеров. Маленькие совпадали по размеру с самими рыбами, средние были в 4-8 раз крупнее и большие в 16 раз превышали размеры тела Данио Рерио.

В результате рыбы приближались к мелким картинкам, старались держаться подальше от крупных и вели себя неуверенно у средних. Эти факты свидетельствуют о явной попытке рыб «вступить» в стайные отношения с маленькими прямоугольниками, основываясь лишь на их зрительном соответствии предметов с размерами собственного тела.

Асимметрия защитных реакций рыб

Опыт, проведенный учеными, включал полупрозрачный барьер в аквариуме с находящейся в нем стаей рыб. За барьером размещалась модель крупной рыбы. Результаты показали групповую асимметрию обхода стаей барьера и тенденцию стаи в направлении обхода рассматривать опасный объект правым или левым глазом.

Моторная асимметрия быстрой защитной реакции, или С-старт, подразумевает особый С-образный изгиб туловища рыб в ответ на неожиданную стимуляцию или приближение хищника. Изгиб происходит в горизонтальной плоскости и последующим броском, уводящим их от источника опасности. Об асимметрии С- старта говорят в том случае, если в повторных экспериментах рыба изгибается преимущественно в одну и ту же сторону – влево или вправо.

Обучение рыб

Особое место занимает такое назначение стайности рыб, как сигнализация, или передача информации о наличии пищи. Именно в этом плане изучали рыб данио рерио ученые А. А. Дарков и В. Р. Протасов. Они выявили, что особи в стае сильно влияют друг на друга, при виде пищи эта взаимосвязь приводит к быстрому общему возбуждению стаи. Рыбы хлопают жаберными крышками, сжимают тело, возбужденно двигаются. Затем они бросаются всей стаей на корм, затевают драки, хватают корм, гоняются друг за другом. Подобные интересные опыты, включающие также исследование сигнальной роли обычного светового стимула в поведении рыб, имеют особое значение для познания сложных механизмов передачи информации в стае.

Для рыб рода Данио, оказывается, можно создать и звуковой условный раздражитель, используя звук в качестве сигнала «есть подано», что и осуществила еще в конце 60-х годов в своих опытах Н. Сихарулидзе, сотрудница академика И. С. Бериташвили. При обучении рыб реагировать на звук вначале звучал сигнал, сразу после него рыб подгоняли сачком к особо отведенному месту в аквариуме, где им сразу же давали корм. Затем рыб отгоняли обратно, когда пища заканчивалась. Примерно через 22-25 таких кормлений, рыбки данио рерио приучались плыть к кормушке, едва заслышав звуковой сигнал.

Т. С. Лещева обнаружила у рыб вида данио рерио еще одну важную способность: чему-то научить друг друга (опосредованное обучение). В ходе опытов выяснилось, что рыбы могут реагировать на корм, которого не видят сами, и на условный сигнал, которого тоже не слышно и не видно. А видеть они могли только возбуждение соседних рыб. Опыт проводился так: аквариум разделялся на три отсека, в каждый из которых помещалась по стайке данио рерио. Одна перегородка в аквариуме была прозрачной, другая - непрозрачной. Две стаи рыб, разделенные прозрачной перегородкой, образовывали как бы общую группу. И когда в крайнем отсеке одной из стай давали корм и включали рядом лампочку, то другая, видя через стекло все происходящее, тоже приходила в возбуждение и собиралась у себя в отсеке поближе к лампочке. В результате через некоторое время одно лишь включение лампочки приводило в возбуждение обе соседние стаи рыб.

Затем перегородку между ними сделали непрозрачной. Теперь, когда включали лампочку, обе стаи, не видя друг друга, шли прямо на ее свет, каждая в своем отсеке. Таким образом, произошло обучение рыбок в среднем отсеке. Они уже «знали», что лампочка обещает кормление.

Далее непрозрачную перегородку между средним отсеком и третьим с ничего не подозревающими рыбками заменили на прозрачную. Но лампочку эти третьи по-прежнему видеть не могли. После ее включения рыбы в среднем отсеке уже заученно приходили в возбуждение и двигались на свет. В свою очередь, в третьем отсеке рыбы, наблюдая пищевое возбуждение соседей, тоже волновались, хотя не видели ни пищи, ни светового сигнала. Но тем не менее о наличии корма они все-таки узнали.

Так было доказано, что жизненно важная информация, каковой являются сигналы о наличии корма, может «кодироваться» и передаваться у данио рерио чисто поведенческим путем через особенности стайного поведения и способности рыб к обучению и подражанию.

ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение

Реакция рыб на визуальные объекты

Целью эксперимента являлось исследование стайного поведения рыб и взаимодействие отдельных особей.

Опыт проводился с использованием аквариума объемом 40 л и стаей рыбок рода Данио из 12 особей. По примеру ученых Ф. Халперна и К. Бредера, мы изучали реакцию рыбок на размещенные в аквариуме прямоугольники различных размеров (рис. 1).

Рис. 1. Использование прямоугольников различных размеров.

Исследование выявило особое значение такого анализатора рыб, как зрение. Дольше всего данио рерио задерживались около мелких нейтральных или продольно-полосатых объектов, зрительно соответствующих размерам тела рыбок. Возле крупных прямоугольников рыбы вели себя настороженно и уплывали подальше. Таким образом, опыт подтверждает попытку рыб образовать стаю с подобными им маленькими прямоугольниками, привлекающими рыб не только схожим размером, но и продольно-полосатой расцветкой: самцы имеют желто-черные полоски. Важно также отметить, что поперечнополосатые объекты вызывали настороженность у рыб, из чего мы делаем вывод о том, что поперечные полосы символизируют агрессию у рыб.

При использовании модели рыбы крупного размера, наблюдали моторную асимметрию быстрой защитной реакции в ответ на неожиданную стимуляцию или приближение хищника. В аквариуме была размещена модель крупной рыбы (рис. 2). Результаты показали групповую асимметрию и обход опасного объекта справа или слева.

Рис. 2. Модель крупной рыбы.

Вместе с тем, мы усовершенствовали образцы и проводили эксперимент с использованием разных по размеру «рыбок» (рис. 3): маленькие – нейтральные и полосатые (продольные или поперечные полосы), совпадающие по размеру с самими рыбами, и большие (в 4 раза превышающие размеры тела рыб).

В результате рыбы приближались к мелким картинкам, старались держаться подальше от крупных и вели себя неуверенно у средних. Продольно-полосатые объекты привлекали внимание рыб, тогда как поперечно-полосатые отпугивали их, символизируя агрессию и опасность.

Рис. 3. Различные по размеру объекты, имитирующие рыб.

Поведение рыб в искусственных укрытиях

Данный эксперимент проверяет возможность привлечения рыб в искусственные заросли. Для этого был использован аквариум объемом 40 л., который был поделен на четыре квадранта, нанеся пунктирные линии по дну, и отгорожен сверху непрозрачной ширмой. Опыт заключался в том, что в один из квадрантов каждый раз помещали новое укрытие для рыб. При этом в аквариуме плавало 12 рыбок данио рерио, способных прятаться.

Укрытия были разные (рис. 4). Во-первых, искусственный риф – битая черепица и нагромождения крупного гравия. Во-вторых, для укрытия был использован имитатор растений – легкие вертикальные пластмассовые нити темно-зеленого цвета. Остальные три квадранта в аквариуме оставались свободными.

Шесть часов подряд рыбы свободно плавали по аквариуму. Каждые полчаса фиксировалось их распределение по всем четырем квадрантам емкости. Опыты многократно повторялись, в том числе укрытие перемещалось из квадранта в квадрант для исключения элемента случайности.

Эксперимент предполагал, что в отсутствие укрытия рыбы одинаково часто появляются в разных квадрантах, точнее, в каждом квадрате должно быть по 25% всех рыб.

Рис. 4. Один из видов укрытия для аквариумных рыб (вид сверху).

Если для квадранта с установленным укрытием это число возрастает – значит, рыбы торопятся в укрытие. Если данное число, наоборот, уменьшается, следовательно, рыбы избегают посещать укрытие.

Исследование выявило, что рыбки данио рерио стабильно избегали все виды укрытий. Причем хуже всего рыбы восприняли именно укрытия в виде живых растений, уклоняясь от такого укрытия заметно сильнее. Живые растения, таким образом, служат естественным препятствием для разных проявлений стайного образа жизни, как это часто встречается в живой природе. Избегание укрытий мы отнесли за счет выраженной стайности рыб, для которой любые укрытия будут помехой.

Таким образом, опыт с визуальными объектами показал особенности стайного поведения рыб Данио рерио, сходные с установленными ранее в опытах Ф. Халперна и К. Бредера параметрами, демонстрируя явную попытку рыб «вступить» в стайные отношения с маленькими прямоугольниками, основываясь лишь на их зрительном соответствии предметов с размерами собственного тела.

Опыт сискусственными укрытиями показал одинаковое игнорирование рыбками любых видов укрытий и более всего – искусственных растений, как препятствий для ведения стайного образа жизни.

Выводы

В результате проведенной работы мы выявили, что рыбы вида Данио рерио являются стайными, хорошо переносят изменения содержания, неприхотливы и выносливы, поддаются наблюдению и хорошо приспособлены для использования в лабораторных условиях в целях изучения такого параметра, как стайное поведение.

Список литературы

Лисица А.В., Петушкова Н.А., Никитин И.П., Згода В.Г., Карузина И.И., Мошковский С.А., Ларина О.В., Скипенко О.Г., Полищук Л.О., Thiele H., Арчаков А.И. Биохимия, – 2009, С. 190-200;

Кисриева Ю.С., ПетушковаН.А., ЧернобровкинА.С. Исследование белкового профиля эмбрионов рыб вида Danio Rerio с использованием одномерного электрофореза и масс-спектрометрии // Биомедицинская химия, 2011, Т. 57, вып. 6, С. 593-603;

Радаков Д.В. Стайность рыб как экологическое явление. М.: Наука, 1972, 174 с.;

Westerfield M. The zebrafish book. A guide for the laboratory use of 
zebrafish (Danio rerio), University of Oregon Press, – 2000.