В качестве адаптивных перестроек на уровне популяций можно рассматривать как ускорение размножения (даже на фоне увеличения смертности особей), так и увеличение продолжительности жизни особей (на фоне возможного угнетения размножения), отмечаемые при различной степени загрязнения.
На уровне сообществ и экосистем адаптивными являются замещения чувствительных видов более резистентными к сложившемуся уровню загрязнения вод, и существенные увеличения биомассы некоторых видов при сокращении видового разнообразия. Итогом таких перестроек может явиться не только угнетение, но и, в некотором диапазоне загрязнения, возрастание продуктивности и уровня обменных процессов (Филенко, 2007).
Адаптация водорослей к токсикантам
Хорошим биоиндикатором является водоросль Ностак сливовидный. Наличие этого вида говорит о чистой воде. Первый признак тревоги - измельчение и нарушение правильной округлой формы изумрудных «шаров» этой водоросли.
Бурное развитие других сине-зеленых водорослей, например, осциллятории - хороший индикатор опасного загрязнения воды органическими соединениями.
Лучший индикатор опасных загрязнений - прибрежное обрастание, располагающиеся на поверхностных предметах у кромки воды. В чистых водоемах эти обрастания ярко-зеленого цвета или имеют буроватый оттенок. Для загрязненных водоемов характерны белые хлопьевидные образования. При избытке в воде органических веществ и повышения общей минерализации обрастания приобретают сине-зеленый цвет, так как состоят в основном из сине-зеленых водорослей. При плохой с избытками сернистых соединений могут сопровождаться хлопьевидными налетами нитчатых серобактерий - теотриксов (http://www.bibliofond.ru).
Фитопланктон наиболее распространенная и хорошо изученная из всех экологических групп водорослей. Состав фитопланктона имеет большую видовую насыщенность. Анализ видового состава, обилия и количественного развития видов фитопланктона входят во все программы экологического мониторинга водоемов.
Изучение фитопланктона водоемов производится путем сбора проб на установленных станциях.
Для определения видового состава фитопланктона из пробы на предметное стекло наносится капля материала, закрывается покровным стеклом и анализируется под микроскопом. Идентификация видов осуществляется с помощью определителя (http://www.bibliofond.ru).
Сине-зеленые водоросли - прокариотические организмы, встречаются повсеместно и могут обитать в таких экстремальных биотопах, как горячие источники и каменистые пустыни. Некоторые виды сине-зеленых водорослей могут вызвать токсичное «цветение» в эвтрофированных метообитаниях, представляющие опасность для человека и домашнего скота.
Диатомовые водоросли - микроскопические организмы, встречаются во всех видах вод. Образуют основную массу состава продуцентов в водоеме, они являются началом пищевой цепи. Их поедают беспозвоночные животные, некоторые рыбы и молодь. Массовое развитие некоторых диатомовых водорослей может иметь и отрицательные последствия (влияют на качество воды, вызывают гибель личинок рыб, забивая им жабры). Многие диатомеи можно использовать как индикаторы качества воды водоема.
Зеленые водоросли - один из самых обширных отделов водорослей, в котором имеются все известные у водорослей структуры, кроме амебоидной и тканевой.
Эвгленовые водоросли - Распространены исключительно в пресных водоемах, богаты органическими веществами, в клетках содержит многочисленные кроваво-красные гранулы. Пи массовом развитии эти виды образуют на поверхности воды налет: красный - на солнечном свету, зеленый в тени или после захода солнца, некоторые виды вызывают «цветение» воды, окрашивая ее в коричневый цвет (http://www.bibliofond.ru).
Золотистые водоросли - преимущественно пресноводные водоросли, чаще всего встречаются в чистых водоемах. Обычно они развиваются в холодное время года.
Криптофитовые водоросли - наиболее обширные порядок криптомонодальные включает водоросли, распространенные в пресных водах и морях. Среди бесцветных криптомонадовых наиболее известен часто встречающийся в загнивающей воде род Хиломонас.
Динофитовые водоросли - существуют в пресных водах и в морях. Среди них существуют паразиты которые уничтожают личинок устриц, есть виды вырабатывающие яд, смертельный для рыб. Кроме, того разлагаясь после своего массового развития, так называемых «красных приливов», они могут отравлять воду на многие километры вредными продуктами распада, взывая замор рыбы и других водных животных.
Желто-зеленые водоросли - большинство видов пресноводные, широко распространены в различных местообитаниях (http://www.bibliofond.ru).
Адаптация простейших
Инфузории - это одноклеточные эукариотические организмы, то есть у них есть ядро (а у многих видов инфузорий даже два ядра). Почти все клетки человека и других высших животных имеют ядра, а бактерии - прокариоты (безъядерные). Инфузории были одним из любимых объектов биологов еще лет сто назад, но и сейчас они остаются в центре внимания. Совсем недавно расшифровали геном инфузорий из рода Tetrahymena (рис. 2), состоящий из 27 тысяч генов. Кстати, геном человека содержит примерно столько же генов - 25 тысяч (http://elementy.ru).
Рис. 3. Инфузория Tetrahymena thermophila, геном которой полностью расшифрован. Изображение: «Химия и жизнь»
Эти одноклеточные - в основном свободноживущие организмы, которые в воде и почве поедают бактерии и водоросли. Они - необходимое звено в трансформации органики, их вклад в биологический круговорот веществ не менее важен, чем у бактерий. Живут инфузории практически везде: в пресных и соленых водах, почве, и число их видов, по разным источникам от 7 до 10 тысяч (http://elementy.ru).
Характерная особенность инфузорий - относительно быстрая изменчивость, которая позволяет им адаптироваться к самым разным условиям. Инфузории живут и в тундровых озерах, и в тропиках, и даже в горячих источниках с температурой до 50°С. Они приспосабливаются и к разному минеральному и органическому составу среды, а также к присутствию растворенных газов. Например, Paramecium caudatum (рис. на заставке) может жить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Эту высокую адаптивную способность обеспечивает колоссальное количество генов, большинство которых в повседневной жизни инфузориям не нужны, но включаются, когда условия меняются (http://elementy.ru).
По мере того как простейшие адаптируются к условиям среды, перестраиваются все их жизненные функции, изменяются скорость движения, темп размножения и способность поглощать пищу, а также форма и размеры тела. Но если среда не меняется, то свойства инфузорий остаются стабильными, это и позволяет использовать их как тесты. Конечно, это относится только к инфузориям, культивируемым в лабораторных условиях.
В биотестах на инфузориях проще всего фиксировать изменение подвижности, гибель и скорость размножения. Например, можно смотреть изменение подвижности за 15-30 мин; гибель отдельных клеток за 1-4 часа; снижение скорости размножения за 1-3 суток; гибель популяции за 4-30 суток. Зачем так много параметров? Дело в том, что наблюдать за изменением подвижности недостаточно для оценки токсичности. Поскольку на движение у простейших расходуется всего 1% энергии общего обмена, то подвижность только незначительно отражает те изменения, которые происходят при отравлении токсичными агентами. Гибель отдельных клеток - достаточно надежный показатель, но с его помощью невозможно выявить низкие концентрации токсикантов. Оценка скорости размножения - биотест с большей чувствительностью, по нему можно определять и небольшие концентрации вредных веществ. Если сочетать все тесты, то результат получается надежный.
В большинстве методик биотестирования просто подсчитывают клетки до начала и в конце опыта. Как правило, это делают визуально под микроскопом, что весьма утомительно. Естественно, такая технология не нашла широкого применения.
На кафедре биохимии МГУ Прикладной биотехнологии разработали прибор (рис. 3), в котором клетки подсчитывает специальная компьютерная программа. Такая автоматизация существенно облегчает биотестирование, тем более что прибор позволяет использовать два вида инфузорий - Tetrahymena pyriformis и Paramecium caudatum (их размеры 0,03 Ч 0,05 мм и 0,06 Ч 0,35 мм). Тест проводят в два этапа: Paramecium caudatum, также известную как инфузория-туфелька, используют для предварительного выбора концентраций, а по динамике роста тетрахимен судят о воздействии на клетку какого-то вещества или пищевого продукта (http://elementy.ru).
Рис. 4. Внешний вид прибора БиоЛаТ и изображение лунки с инфузориями, которые подсчитывает компьютерная программа. Изображение: «Химия и жизнь»
Адаптация ракообразных
Из ракообразных в настоящее время наиболее часто используют виды: Daphnia magna - стандартный биотест для токсикологических исследований в ряде стран, и Ceriodaphnia affinis, цикл развития которой в 2 раза короче, чем у дафний. Метод с использованием цериодафний при строгом соблюдении условий опыта вдвое короче, чем с использованием дафний. Эксперименты с более мелкой цериодафнией компактны - требуются меньшие объемы растворов и посуды. Однако на более крупных дафниях удобнее вести наблюдения за показателями размножения (четче выявляются патологические отклонения - абортирование яиц, эмбрионов, уродства), производить измерения. В связи с большей требовательностью цериодафний к кислородному режиму среды, они более чувствительны к органическому загрязнению и веществам, снижающим концентрацию растворенного в воде кислорода. По отношению к действию тяжелых металлов видовая чувствительность различна: в одних случаях более устойчивы цериодафнии, в других - дафнии (Филенко, 2007).
Планктонные рачки были выбраны в качестве наиболее перспективных тест-объектов для контроля токсичности жидких сред. Рачок Daphnia magna служит не только «датчиком», позволяющим непосредственно выявлять присутствие токсических агентов в водной среде, но и калибровочным эталоном для других методов и биосистем, рекомендуемых для целей биотестирования токсичности жидких сред. Помимо контроля токсичности сточных и загрязняемых природных вод, этот тест-объект применялся в экспериментальных условиях для оценок токсичноcти загрязненных почв, технологического сырья и изделий из различных материалов, загрязненности атмосферы рабочих помещений и др.
Процедура испытаний с применением дафний не требует использования специального дорогостоящего оборудования, может производиться в обычном лабораторном помещении и в полевых условиях, а также в условиях учебного класса и жилой квартиры. Продолжительность испытаний - от нескольких часов до 14 суток при необходимости получения заключений по влиянию на процессы размножения и для выявления отдаленных последствий) (Филенко, 2007).
Адаптация рыб
В организм рыб большинство отравляющих веществ проникает осмотически - через жабры и кожу, особенно поврежденную. Оральный путь поступления имеет большое значение при хронических отравлениях. Поэтому токсичность в большой степени зависит от растворимости вещества в воде и биологических средах. Соединения, растворимые в воде, более ядовиты, чем нерастворимые. Вместе с тем через жабры, кожу и слизистую кишечника легко проникают и вещества, хорошо растворимые в липидах и тканевой жидкости. Они поступают в кровь и разносятся по всему организму. К ним относятся большинство органических загрязнителей - углеводороды, пестициды, детергенты и др. (http://www.cnshb.ru).
Процесс интоксикации начинается с патогенного действия ядов в местах проникновения (жабрах, коже, слизистых оболочках), а также рефлекторной реакции со стороны нервной системы. В дальнейшем, после попадания в кровь отравляющие вещества, соединяясь с белками, нарушают физико-химические процессы в плазме и клеточных элементах. Затем они фиксируются в различных органах и тканях в соответствии с их сорбционной емкостью и биохимическим средством к отдельным ядам. Механизм действия большинства ядов тесно связан с включением их в различные звенья биохимических процессов, и прежде всего со способностью вступать в реакции с ферментами. Например, фосфорорганические пестициды блокируют фермент холинэстеразу, цианиды подавляют активность цитохромоксидазы, вызывая угнетение тканевого дыхания и т.д. Многие яды способны брать на себя функцию аналога субстрата, взаимодействующего с ферментами.
В зависимости от характера влияния на организм гидробионтов токсические вещества условно делят на яды локального (местного), резорбтивного и комбинированного действия.
Яды локального действия вызывают дистрофические и некробиотические изменения тканей в местах контакта их с гидробионтами, чаще на коже и в жабрах. В результате у рыб нарушается газообмен, накапливается избыток двуокиси углерода (гиперкапния), возникает гипоксия и наступает гибель от удушья. При высоких концентрациях локальным действием обладают свободный хлор, перекись водорода, перманганат калия, неорганические кислоты и щелочи, соли тяжелых металлов, формальдегид, органические кислоты, дубильные вещества, детергенты (http://www.cnshb.ru).