Биоиндикационная чувствительность органов

И физиологических систем животных

У высших животных, включая человека, при всем разнообразии индивидуальных адаптаций развитие ее характеризуется общими закономерностями. Выделяются два этапа: первоначальный — срочной, но несовершенной адаптации и последующий этап — долговременной совершенной адаптации. Для обеспечения дополнительных энергетических затрат организма в процессе эволюции сформировался специальный физиологический механизм, описанный впервые Г. Селье и названный стрессом или общим адаптационным синдромом (ОАС). Стресс обеспечивается деятельностью гормонов надпочечников и половых желез. По совокупности физиологических показателей и состоянию надпочечных желез выделяют три стадии стресса: активации, тренировка, истощение или дистресс (Селье, 1960). Дистресс наступает в том случае, если орган, физиологическая система или весь организм не справляется с воздействующими на него факторами, что приводит к различного типа патологиям — заболеваниям.

В развитии всего адаптационного комплекса организма можно выделить индивидуальный тип адаптивных реакций, направленный на самосохранение, выживание, и видовой — связанный с сохранением вида и популяции. К видовому типу адаптации относятся физиологические системы и органы, ответственные за воспроизводство, — мужская и женская половые системы и весь комплекс физиологических механизмов, ответственных за нормальное воспроизводство потомков.

Наиболее чувствительными к влиянию стрессоров являются гипоталамус — отдел головного мозга, ответственный за запуск стрессового механизма физиологических реакций, кора надпочечных желез, щитовидная железа, система желудочно-кишечного тракта, система крови, система сперматогенеза и женская половая система.

Следовательно, независимо от типа влияния естественного или антропогенного фактора при условии превышения его физиологического уровня в организме, развивается общий адаптационный синдром или стресс. Определение уровня стрессированности организма животных и человека можно проводить по хорошо известным биохимическим и морфологическим методикам состояния надпочечных желез. Углубление стрессовой ситуации приводит к развитию симптомов язвенной болезни и нарушению как в системе сперматогенеза, так и функционировании гонад.

Последующее усиление отрицательно действующего фактора стимулирует патологическое изменение органа- мишени: воспаление легких, сердечная недостаточность, цирроз печени, пиелонефриты, язвенные заболевания, и развитие раковых заболеваний. Появление и развитие злокачественных заболеваний животных используется в качестве биотеста, указывающего на полное несоответствие окружающей среды адаптационным возможностям организма.

Так при хроническом действии электромагнитных полей характерны раковые заболевания кожи, мозга, грудных желез. При действии радиации — канцерогенные заболевания крови — лейкозы. Выхлопные газы автотранспорта и аэрозоли угольной, нефтяной промышленности — рак легких. Тяжелые металлы, пестициды и органические загрязнения — рак желудка, печени и почек. Полициклические ароматические соединения — рак мошонки.

В качестве примера рассмотрим ситуацию с судаком, запущенным в 1963–1964 гг. в качестве промысловой рыбы в озеро Балхаш, на берегу которого находился один из крупнейших в СССР горнометаллургических комбинатов, сливавший все свои неочищенные отходы в озеро. Выпущенный судак интенсивно размножился. Являясь хищником, активно стал накапливать канцерогенные вещества, и в течение 1967–1969 гг. произошло массовое поражение данного вида рыбы злокачественными новообразованиями на голове, спине, брюшной стороне, видимое невооруженным глазом. Последующая массовая гибель судака облегчила его страдания, но не изменила тяжелой экологической ситуации озера Балхаш.

Необходимо отметить, что различные органы в зависимости от их функционального назначения обладают способностью к накоплению радионуклидов, тяжелых металлов и токсических соединений. Например, стронций и цезий активно накапливаются в костях животных и печени. В печени и почках количество нуклидов может превышать их содержание по сравнению с мышцами в радиоактивно загрязненных районах в 1000 раз. Метилртутные и ртутьорганические соединения, накапливаясь в печени животных, легко проникают через гематоэнцефалический барьер мозга и вызывают нейротоксические эффекты. В 1972 г. был разработан метод, позволяющий по оценке количества ртути в птичьих перьях оценивать общую загрязненность ртутью среды обитания птиц (Vermeer, Armstrong, 1978). Кадмий, являясь одним из самых ядовитых тяжелых металлов, способен долго сохраняться в организме животных, и поэтому в печени у долгоживущих видов рыб и птиц его концентрация способна возрасти в 30 000 раз. Нитраты, накапливаясь в печени и почках, поступая в кровь, связываются с гемоглобином, препятствуют связыванию гемоглобина с кислородом и могут быть определены методами спектрального анализа.

Следовательно, биоиндикация органов и физиологических систем организма носит, как правило, неспецифический характер на всех уровнях устойчивости организма. В то же время дифференцированная способность к накоплению различными органами организма вредных техногенных веществ, позволяет весьма успешно, при использовании физико-химических методов, выявлять уровни загрязненности среды обитания.

Организменный уровень биоиндикационной

Чувствительности

Основной наблюдаемой единицей на уровне организмов является особь, семья или группа особей. Наиболее чувствительной реакцией — комплекс поведенческих изменений, позволяющих выжить особи при изменившихся внешних условиях. Хорошо выраженные реакции можно наблюдать у пресноводной амебы в зависимости от концентрации растворенных в воде химических веществ. При низкой концентрации токсических веществ амеба сокращает свои ложноножки, при увеличении концентрации она превращается в клубок и затем погибает.

Под микроскопом можно наблюдать за увеличением частоты сокращений так называемой пульсирующей «вакуоли» амебы в зависимости от концентрации токсических веществ в окружающей организм среде. Основная функция сократительной вакуоли — регуляция осмотического давления внутри тела простейшего, поэтому при попадании токсических веществ в организм амебы сократительная активность пульсирующей вакуоли увеличивается.

Большое разнообразие в поведении характерно для пауков. В настоящее время насчитывается около 50–60 тысяч видов пауков, заселивших практически все возможные экологические ниши, занятые насекомыми. Являясь хищниками, пауки концентрируют в своем организме токсические вещества, изменяющие их поведение. Особый интерес в биоиндикационном отношении представляет строительная деятельность пауков. Пауки строят свои ловчие сети на деревьях, траве, в норках. Паутиной обернуты и коконы с яйцами у бегающих пауков. Из паутины строятся семейные домики, в которых паучата проводят свои первые 2–3 личиночные стадии. Вся строительная деятельность пауков может быть промерена, сфотографирована, снята на видеокамеру в природных условиях с различной антропогенной нагрузкой и в модельных условиях при дозированных воздействиях физических, химических и биологических факторов.

Особый интерес представляют структурированные сети, т.е. ловчие сети пауков, имеющих вполне определенную структуру, характерную для каждого вида крестовиков (Araneidae). Ловчую сеть пауки-крестовики начинают строить после выхода из семейного домика — третья личиночная стадия. Для каждой возрастной стадии пауков существует, как нам удалось установить, типично-характерная структура паутины. С наступлением половозрелости ловчие колесовидные сети плетут в основном только самки, самцы заняты поиском самок и выполнением своей репродуктивной функции. Восстановление ловчих сетей происходит при отсутствии дождя ежедневно. Нарушенные в течение предыдущего дня участки паутины съедаются, т.к. паутинные нити преимущественно состоят из аминокислот. Как правило, восстановление паутины происходит в утренние предрассветные часы: в 5–7 часов (рис. 5, 6).

Повсеместная распространенность пауков-крестовиков от тундры до пустыни, хорошая наглядность ловчих сеток, особенно утром, когда капельки росы как бы проявляют тонкую структуру паутины, небольшое количество времени, необходимое для набора статистического материала, — все это делает ловчую сеть пауков одним из привлекательных биоиндикационных экспресс-методов. В России обитает от 10 до 18 видов рода крестовиков (Araneus). Наиболее распространенным и, по нашему мнению (Карташев, Галкин, 1991), являются пауки: крестовик-обыкновенный и крестовик мраморный. Экологическая приспосабливаемость крестовика мраморного шире приспосабливаемости крестовика обыкновенного. Наличие специального убежища из свернутых листьев и сигнальной нити позволяет крестовику мраморному строить свои сети как в лесу, так и на открытых местах, не рискуя быть заметной добычей для птиц на ловчей сети, что характерно для крестовика обыкновенного. Строя свои сети на относительно открытых пространствах, пауки подвергаются влиянию тех антропогенных факторов, которые существуют в данной местности: радиации, электромагнитных полей, химических веществ, аэрозолей, которые вместе с конденсатом накапливаются на клейких ловчих сетках паука и поедаются вместе с нарушенными участками ловчей сети. Являясь хищниками, пауки способны концентрировать в своем теле тяжелые металлы и токсические вещества, нарушающие поведение животного. Необходимо отметить, что все алгоритмы пищевой деятельности животного фиксируются в структуре ловчей сетки. При необходимости можно легко узнать, чем и в каком количестве питается паук, т.к. жертвы удачной охоты также фиксируются с помощью паутины. Ежедневное возобновление строительства ловчих сеток позволяет проследить динамику влияния одного либо комплексного действия антропогенных факторов. Анализ структуры паутины необходимо проводить рано утром, когда она еще покрыта росой, хорошо заметна и не нарушена попавшими в нее насекомыми. В искусственных условиях пауки хорошо плетут паутины в садках размером 1 куб. м из марли или оконной сетки с выдвигаемыми стенками. В таких садках можно исследовать дифференциальную чувствительность, устойчивость пауков и форму структуры их ловчих сеток в зависимости от концентрации токсичных веществ или уровня физических воздействий. Экспериментальное построение аналогичных калибровочных кривых значительно повышает достоверность интерпретации биоиндикационных оценок в природных условиях.

Схема типичной ловчей сети паука-крестовика представлена на рис. 7.

Центральная зона заплетена неклейкими нитями, и количество витков в центральной зоне является видовым признаком рода пауков-крестовиков. Далее следует незаплетенный промежуток так называемой свободной зоны, после которой следуют клейкие витки ловчей зоны, натянутые на радиусы, исходящие из центральной зоны. Для количественной оценки структуры ловчей сети пауков-крестовиков нами использовались следующие показатели: высота центра над землей, число радиусов — верхних, нижних, длина радиусов, число витков центральной зоны, вертикальный и горизонтальный диаметры центральной зоны, вертикальный и горизонтальный размеры свободной зоны, вертикальный и горизонтальный размеры ловчей зоны, число ловчих нитей в секторах — по горизонтали и вертикали, расстояние между ловчими нитями, количество и тип отклонений или «аномалий» в структуре ловчей сетки паука. Анализ примерно 10 тысяч ловчих сетей пауков-крестовиков (A. mormoreus) позволил нам выделить достаточно типичные аномалии в структуре ловчих сетей (рис. 8, 9, 10, 11).

Полностью аномальная сеть, сектор которой представлен на рис. 9, А, характерна для патологически больного паука, на которого экологическая среда, токсические вещества или радиация повлияли в такой степени, что животное не способно плести нормальную сеть и скорее всего умрет. Изменения в структуре ловчих сетей, определенные нами как «аномалии», отражают нарушения в поведении паука.

Следовательно, вся картина дифференцированной адаптации, позволяющей различить тип воздействующего фактора, протекает в диапазоне структурных различий ловчей зоны пауков от К до А (рис. 9). В экспериментальных условиях при искусственном облучении пауков в дозе от 10 до 100 Р/час нами были получены аномалии типа F, проявляющие себя в незаплетении одного, двух или трех секторов ловчей зоны пауков-крестовиков. Необходимо отметить, что пауки очень устойчивы к действию радиации.

В наших экспериментах пауки на 100 % погибали только при дозе облучения, равной 1500 Р/час, в то время как нормальной фоновой дозой является 12 мкР/час. При искусственном облучении возрастает количество различного типа аномалий — чем выше доза, тем чаще встречаются аномалии типа F и А (рис. 9). При обследовании одного из районов Петропавловска-Камчат-ского нами было обнаружено увеличение частоты встречаемости «радиационных» аномалий. Последующее выяснение обстановки привело к локализации одной из баз атомных подводных лодок.

Т а б л и ц а 2

1 234