Биохимические и физиологические реакции на клеточном и субклеточном уровне

Биоиндикация на разных уровнях живого.

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого (клеточном, организменном, популяционном-видовом, сообществ, экосистем и биосферы в целом). Обычно, биоиндикаторы низших по рангу уровней организации прямые и специфичные, а высших косвенные и неспецифичные. Возможны следующие процессы и реакции доступные индикации того или иного биологического уровня.

На клеточном уровне биондикация практически смыкается с обычными физико-химическими методами, поскольку основана на узких пределах ряда биохимических и физиологических процессах в клетках и макромолекулах. К таким реакциям относятся: изменения проницаемости клеточных мембран, концентрации и активности ферментов, аминокислот и др. макромолекул, аккумуляции вредных и синтез защитных веществ и т.д. Приведем некоторые примеры.

Сернистый газ, проникая в лист через устьица и растворясь в воде, образует кислоту, разрушающую мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяется её кислотность. Другие окислители, такие как озон и пероксиацетилнитраты также нарушают проницаемость мембран. Накопление ионов тяжелых металлов усугубляет действие окислителей. Во всех случаях наиболее сильно страдают мембраны хлоропластов листьев, их разрушение причина снижения фотосинтеза. Определяя с помощью хроматографа, спектрофотометра и флуориметра и др., интенсивность фотосинтеза, флуоресценцию хлорофилла и соотношение хлорофилла А и В, в контрольной и исследуемой выборке растительных клеток можно оценить степень загрязнения среды.

Способов действия загрязнителя, которые, нарушают процесс нормального соединения фермента и макромолекулы (субстрата), три: 1) к ферменту вместо субстрата присоединяется поллютант.; 2) загрязнитель ингибирует фермент, нарушая его связь с субстратом; 3) присоединясь вместе с ферментом к субстрату поллютант ингибирует его действие. Мы уже рассматривали изменение газобмена кислорода при связывание CО и гемоглобина. Присутствие SO₂, тормозит ассимиляцию углекислого газа в процессе фотосинтеза. Сернистый газ связывается с активным центром рибулозодифосфаткарбоксилазы, ключевого фермента фотосинтеза вместо CО₂, тормозя его фиксацию (цикл Кальвина).

В клетках под действием нарушений накапливаются защитные вещества, изменяется содержание пигментов, аминокислот, белков, углеводов. Хорошим биоиндикационным признаком являются многочисленные видимые на организменном уровне и физиологические проявления, связанные с пигментами фенольной природы [2]. Основная функция этих пигментов окраска и защита, — они накапливаются в органах растений в неблагоприятных и стрессовых условиях среды. Так, в хвое ели повышение содержания фенольных веществ под влиянием сернистого газа наблюдалось за месяц до повреждения хвои, т. е. явилось как бы предвестником видимых хлорозов и некрозов. Другой индикатор стресса — аминокислота пролин имеет повышенное содержание в листьях некоторых видов широколиственных (тисс, каштан) подверженных городскому загрязнению. Содержание аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) показатель жизнеспособности клетки. По отношению («показатель энергетического заряда») между содержанием АТФ и суммарным содержанием менее энергоёмких АДФ и АМФ, можно судить о неблагоприятных условиях среды. В клетках таких растений как сосна и водоросль требоуксия обнаружено снижение энергетического заряда с ростом концентраций сернистого газа. При газовых выбросах растет содержание глюкозы и фруктозы в листьях гороха.

Как уже сказано, негативное влияния среды на процессы в клетки чаще всего специфично. Избыток минеральной и органической взвеси в воде, ведет к загрязнению пор водного организма, поэтому нарушаются общие условия осморегуляторных функций водного организма важные для стабилизации тоничности внутренней среды, т.е. реакция организма не специфична. Специфичная реакция клетки (селективность) определяется катионным составом воды: повышенное содержание Са²⁺ уплотняет клеточную оболочку, а Na⁺ повышает её проницаемость. На уровне клетки же можно заметить как синергизм, так и эмерджентость реакций: повышение концентраций кальция и калия по одиночке действует на оболочку клетки водного организма однонаправлено, но при одновременном повышении они себя не проявляют (т.н. аполярность действия).

Достоинством биоиндикации на клеточном и субклеточном уровне, является то, что первые нарушения среды проявляются именно здесь. Например, негативное действие повторяющихся малых доз радиации на человека, сводится к увеличению проницаемости мембран клеток и пониженному их сопротивления, как к последующему облучению, так и действию вирусов, приводя к дефициту иммунитета.

Недостатком индикации клеточного уровня служит сложность аппаратуры и физико-химических методов определения реакции. Поэтому на клеточном уровне используются относительно простые методы определения интенсивности фотосинтеза, флуоресценции хлорофилла; оценивается изменение ферментативной активности, изменение в пигменте (обычно фенольной группы), накопление серы в листья, измерения концентраций некоторых защитных органических веществ, вырабатывающихся под действием стресса (аминокислоты- пролин, аланин, пероксидаза).

17.3.2 Организменный уровень: морфологические, биоритмические и поведенческие реакции.

Одним из самых распространенных методов индикации загрязнения среды- это наблюдения за морфологическими изменениями растений, выражающиеся в

а) изменения окраски листьев: хлороз - бледная окраска листьев между жилками наблюдается при избытке в почве тяжелых металлов, водянистость (как при заморозке) при действии пероксиателнитратов; под действием сернистого газа из накопления антоциана возникает покраснение и др.

б) отмирание участков ткани листа - некрозы. Различают точечные и пятнистые, межжилковые, краевые некрозы и верхушечные некрозы и их сочетания. Побурение и побронзовение, побеление листьев часто означает первую стадию некрозов. Хвоинки пихты и сосны буреют под действием SO₂, верхушки листьев гладиолусов становятся белым под действием HF. Отдельные некрозы специфичны: некрозы под действием озона на листьях табака BEL W3, не наблюдаются на устойчивом сорте BEL В. При значительном содержании соли для таяния льда, на листьях липы возникают ярко-желтые краевые зоны, затем край листа отмирает, а желтая зона передвигается к середине листа. Разработана бонитировочная шкала, позволяющая по степени нарушения листовых пластинок липы оценить уровень засоления почв.

в) дефолиация обычно наблюдается после хлорозов и некрозов. Осыпаются: хвоя ели и сосны при общем загрязнении воздуха, листья смородины под действием сернистого газа, липы и каштана при засолении почв. При индикации загрязнения атмосферного воздуха по продолжительности жизни хвои из средней части кроны условно одновозрастных деревьев срезают ветви, по мутовкам определяют возраст хвои на побегах разного возраста. Поскольку хвоинки в норме живут 4 года, то двух-четырехлетние побеги должны быть ими покрыты в той же степени как и побеги первого года, если среда благоприятная. Бонитировочная шкала некрозов и продолжительности жизни хвои позволяет количественно оценить степень загрязнения среды.

г) изменения размеров органов, формы количества и положения органов. У кресс-салата высаженного вдоль автострад отчетливо снижается длина проростков. У ягодных кустарников уменьшается длина листьев. В загрязненном воздухе хвоинки первого года укорочены и сближены в результате ухудшения роста побега.

д) изменение жизненной формы и жизненности. Кустовая или подушечная форма свойственна многим лиственным породам при устойчивом загрязнении воздуха и почв. Бонитет деревьев снижается с 1-2 до 4-5 класса, сопровождаясь изреживанием кроны и уменьшением линейного и радиального прироста. Измеряют прирост стволов, длины побегов, листьев, диаметр таллома лишайника и т.д.

е) изменение плодовитости обнаружено у многих растений. Снижается образование плодовых тел у грибов, лишайников.

В животном мире индикация на организменном уровне значительно сложнее, чем у растений. Чаще всего биондикаторами является личиночные стадии насекомых, моллюски, молодь гидробионтов.

а) морфологические изменения. Отличие в размере и пропорции тела достоверно найдены у ряда тлей, размеров раковинок почвенных моллюсков. При наличие токсиканта в питании насекомых обычно уменьшается размеры их личинок и имаго. Изменение окраски (т.н. промышленный меланизм) отмечается у пяденицы берёзовой, повышается доля черных форм двухточечной божьей коровки. В загрязненной водной среде из-за нарушений в процессе онтогенеза увеличивается количество рыб с нарушением формы тела, пигментации, с «оплавленными» и уменьшенными плавниками, «мопсовидной» головой, с редуцированным зрачком, бельмами и слепотой и т.д. Поскольку уродства резко уменьшают выживаемость мальков, то количественная оценка спектра аномалий осуществима лишь на самых ранних стадиях их развития.

б) физиологические изменения наиболее ярко фиксируются на примере личинок водных насекомых поденок (ручейников). На жабрах (брюшке) этих личинок расположены клетки, поглощающие анионы Сl^-. Организм подстраивается так, что при каждой линьке число клеток, способных поглощать эти ионы соответствует изменениям в солености воды.

в) размножение, онтогенез и продолжительность жизни. Плодовитость при загрязнении обычно падает[3]. При действии тяжелых металлов и ДДТ, уменьшается кладка, повышается смертность зародышей (из-за утончения скорлупы) и птенцов у птиц. При загрязнении у бабочек уменьшается количество окуклившихся гусениц и процент вылета имаго. Удлиняется личиночная стадия: у совки Scotia segetum при выпадениях меди и у непарного шелкопряда в атмосфере с превышением фторида водорода

Характерным является изменение поведенческих реакций организмов: при падении значений окислительно-восстановительный потенциала Еh до отрицательных величин, личинки Сhironomus dorsalis меняют знак фототаксиса с минуса на плюс и всплывают на поверхность. Двигательная активность рыб зависит от содержания кислорода.

17.4. Популяционно-видовой уровень: флористические и фаунистические изменения.

Популяция естественная пространственная группировка особей одного вида и характеризуется плотностью, половозрастной и экологической структурой, особенностями динамики.

В порядке возрастания толерантности к загрязнению растительные организмы располагаются в следующий ряд: грибы, лишайники, хвойные, травянистые растения, листопадные деревья. Внутри каждого семейства также есть свои градации, так сильно чувствительны к загрязнению салат, люцерна, злаковые и крестоцветные, менее чувствительны подорожник, кукуруза, виноград, розоцветные. Отсюда следует, что сравнивая плотность и структуру расположенных по градациям наиболее распространенных представителей «чистой» и «грязной» среды можно быстро оценить состояние среды. Следует отметить, что указанные градации групп растений не являются одинаковыми для всех видов загрязнителей среды, т. к. их воздействие различно, поэтому выявление специфических рядов биоиндикаторов является одной из практических задач контроля среды на данном уровне. Лишайники, например не требовательны к большинству факторов внешней среды, но чувствительны к загрязнению воздуха, поскольку: а) у лишайников отсутствует непроницаемая кутикула, и обмен газов происходит через всю поверхность; б) атмосферная вода впитывается всем слоевищем (талломом). Лишайники накапливают в своём слоевище многие загрязнители (серу, радиоактивные вещества, тяжелые металлы). Накипные (леканора, фисция), листоватые (пармелия) и кустистые (уснея, эверния) жизненные формы лишайников: различаются по степени дымостойкости: если первые выдерживают среднее загрязнение[4], то вторые исчезают при небольшом, а последние встречаются только в очень чистом воздухе. Поскольку лишайники способны избавляться от пораженных частей таллома ежегодно, то по площади проективного покрытия относительно устойчивого Lecanora conizaeoides можно судить об интенсивности многолетнего загрязнения городов.

Возрастная структура популяций растений (соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями) омолаживается, если смертность растет, а стадии развития укорачиваются (сенокосные луга, газоны) или стареет, при нарушении возобновления (под действием сернистого газа в широколиственных лесах).

Сущность экологической структуры популяции заключается в том, что природные популяции обычно состоят из нескольких экотипов — групп особей, приспособленных к условиям среды, что дает популяции шанс на выживание при изменении условий местообитания. Распространение устойчивых к антропогенным воздействиям экотипов, видно из сужения спектра изменчивости мака-самосейки всего за 30 лет интенсивной химизации сельского хозяйства. Злак полевица побегоносная растет по морским побережьям и переносит засоление, полевица тонкая такими экотипами не обладает, поэтому очевидно, что последняя не приспособлена к городским условиям. Очевидно, и то, что лиственница японская, растущая вблизи вулканов, более устойчива к сернистому газу, чем европейская, т.е. первая предпочтительна в зеленых насаждениях промышленных городов. В глобальном масштабе особенности экотипов ведут к изменению ареалов растений: сокращение лесных видов и распространение сорных рудеральных типов и галофитов.

В животном мире, отклонение плотности популяций от нормы, — это чувствительный специфичный и неспецифичный индикатор нарушения среды: сокращение популяции хищных птиц из-за аккумуляции ДДТ; тяжелые металлы в сочетании с SО₂ приводят к резкому сокращению численности дождевых червей; рост колоний озерных чаек в Европе обусловлен эфтрофированием водоемов сточными водами; под действием выхлопных газов, из-за уменьшения количества врагов и изменения биохимии растений-хозяев, увеличивается количество тлей. Изменению среднего значения плотности популяций под действием среды всегда сопутствуют изменение пространственно-временной структуры популяции (частоты случаев с превышением определенного порога плотности): рудеральные, навозные и компостные виды коллембол имеют большую плотность в городе, причем пик их численности ранневесенний из-за существенного увеличения температуры почв; распределение особей более мозаичное из-за их концентрации на менее нарушенных участках.

17.5. Индикация на уровне биоценозов и экосистемы.

Биоценотический и экосистемный уровни биоиндикации наиболее приемлемы для комплексной оценки текущего качества среды, но редко представляют возможность мониторинга фактора физико-химического и биологического воздействия до момента явного проявления следствий воздействия. Сообщества (или биоценозы) представляют собой совокупность видов растений, животных, микроорганизмов, грибов определенного местообитания. Известно, что для описания сообществ используют следующие показатели: общая численность, видовое богатство и разнообразие, видовая и экологическая структуры (спектры жизненных форм и биотопических групп). В нарушенной среде, происходят следующие отклонения показателей биоценоза от нормы:

а) общая численность обычно падает, а если повышается, то за счёт немногих устойчивых видов. Так в городе численность птиц поддерживают стаи воробьев, ворон и голубей. На полях численность насекомых возрастает при вспышках вредителей.

б) видовой состав и разнообразие сообществ. При слабом нарушении, количество видов часто растет из-за открытости сообщества для рудеральных и синантропных видов, при более значительном начинается выпадение редких форм и чувствительных к нарушению видов. Например, в зоне влияния выбросов комбината «Североникель» (Капица и др., 2001) видовой состав тундровых сообществ можно разделить на 5 групп соответственно увеличению техногенной нагрузки: от фоновой в среднем с 12 видами растений и 8 видами лишайников, до зоны критической зоны с двумя и одним видом, соответственно. При исследовании общей фитомассы тундры обнаружилось, её небольшое увеличение её абсолютных значений (с 0, 8 до 1 кг/м²) при переходе от зон «фоновых» экосистем к слабонарушенным и резкое падение (в 5-6 раз) в средненарушенных и критических экосистемах.

Кроме абсолютных значений фитомассы и проективного покрытия важна их видовая структура, т.е. распределение по жизненным формам (лишайники, кустарники, деревья, мхи). В том же примере, в фоновых районах тундры разнообразие чувствительных лишайников рода Cladina сопровождается их значительной долей в фитомассе, тогда как в загрязненных районах их нет. Кустарнички Betula nana и Salix glalica встречаются на всех стадиях нарушения и доля их в фитомассе при увеличении воздействия растет. При сильном воздействии (вблизи комбината) среди кустарников остается только, Salix glalica и при отсутствии конкуренции возрастают и абсолютные значения его фитомассы. Таким образом, при нарушениях среды наблюдается замещение одних жизненных форм растительного сообщества другими. Приведем пример из животного мира: при рекреации в сообществе коллембол начинают исчезать группы подстилочной жизненной формы, но сохраняются почвенная и поверхностно-обитающая группы. Антропогенное воздействие приводит к изменению спектра биотопических групп с заменой специализированных видов сообщества на эврибионтные, дальнейшее усиление нагрузки на сообщество ведет к преобладанию рудеральных и синантропных видов. При наблюдениях сообществ подверженных длительной нагрузке загрязнителя первой наблюдается смена доминирующих видов сообщества, затем жизненных форм и далее биотопических групп.

На экосистемном уровне индикатором состояния среды служит баланс веществ и поток энергии в цепи биологического круговорота, начинающейся с поступления (запаса) биогенных веществ (кг/м², кг/м³) и солнечной энергии (Вт/м²) и состоящей по крайней мере из трех звеньев: продуцентов, консументов и редуцентов органического вещества. Биологический круговорот характеризуется емкостью — биомассой и скоростью — количеством живого вещества, образующимся и разлагающимся в единицу времени.

Трофическая структура экосистемы может слагаться из 5-7 звеньев, включая первичных, вторичных консументов и паразитов, но пищевая цепь всегда начинается с наземных растений или водорослей, производящих живое органическое вещество и замыкается на почвенной или донной микрофлоре (бактериях и низших грибах) минерализующей мертвое органическое вещество. Ввиду сложности наблюдений промежуточных звеньев пищевой цепи, наиболее рационально определять показатели биологического круговорота на начальной и конечной его стадии, т.е. тогда, когда происходит аккумуляция неорганического вещества и энергии в биомассу и тогда, когда

Среди различных возможностей мониторинга фитомассы, остановимся на одном факте, дающем возможности космического мониторинга фитоценозов различного ранга от отдельных биотопов до биоценозов континентов. Известно, что хлорофилл, за фотосинтез, отражает больше в ближней инфракрасной зоне спектра (0,7-0,8 мкм), чем в красной видимой области спектра (0,6-0,7 мкм)— это уникальная способность зеленых растений. На этом основано применение нормализованного разностного индекса вегетации NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Если L_вк и L_ик отраженная солнечная радиация на длинах волн в видимом красном участке и ближнем инфракрасном участке, NDVI

(1)

Нормализация в (1) на L_вк + L_ик необходима удаления эффектов, связанных с изменением угла наклона солнца и угла наблюдения между последовательными сериями наблюдений со спектральной аппаратурой спутников (Landsat, NOAA, ЕОS). Из (1) следует, что диапазон значений NDVI от –1 до +1. Значения NDVI всегда положительны, если в пикселе изображения присутствуют зеленые растения (Таблица 1) и существенно растет при увеличении количества хлорофилла в клетках.

Таблица 1. Распределение NDVI здоровых и нарушенных участков тундры Кольского полуострова.

Тип растительного сообщества	NDVI
Каменистая тундра с накипными лишайниками до 50%	0,37±0,17
тоже с накипными лишайниками 100%	0,69±0,11
Лишайниковая тундра, здоровая с участием кустарничков	0,71±0,07
тоже, здоровая	0,58±0,07
тоже, поврежденная	0,45±0,08
Кустарничковая тундра здоровая	0,71±0,07
Поврежденная	0,30±0,07

Наличие многих космических платформ позволяет рассчитывать индекс вегетации с разрешением не менее 4×4 км² по всей планете ежедневно, ведя мониторинг фотосинтетической активности (скорости прироста биомассы) естественной и культурной растительности.

Скорость разложения органических веществ, также индикатор интенсивности круговорота. Вблизи комбинатов цветной металлургии, расположенных в таежной зоне нарушение трофической структуры, из-за угнетения почвенных беспозвоночных необходимых для ускорения разрушения подстилки[5], приводит к тому, что толщина последней достигает 20 см, превышая норму в 3-4 раза. Подстилка представлена мертвыми растениями и содержит тяжелые металлы как «законсервированные» в органах растительности, так и привнесенные атмосферными осадками. Абсолютные значения содержания тяжелых металлов в подстилке в зонах атмосферного загрязнения обычно превышают соответствующие значения в почве и растениях в несколько раз, что свидетельствует о высокой информативности этого компонента экосистем для оценки загрязнения. Поскольку скорость разложения органических веществ на поверхности почвы является показателем интенсивности биологического круговорота, то для характеристики состояния экосистемы используется опадо-подстилочный коэффициент К_п, равный отношению М_НО неразложившихся органических остатков, накопившейся на поверхности почв в виде подстилки или торфа, к массе М_ГО органических остатков поступающих ежегодно с опадом на ту же площадь.

(2)

Значения К_п измеряются в единицах времени (месяц, год), означая то, что К_п сути аналог ранее рассмотренного условному периоду водообмена τ, и можно назвать условным периодом (интенсивность) биологического круговорота, τ_Б≡К_п. Очевидно, что наибольшее τ_Б значения[6] (≈0,1 год т.е. около одного месяца) достигаются при достаточном обеспечении теплом и влагой, т.е. во влажных субтропических лесах. Угнетение организмов-редуцентов по любой из причин, увеличивает τ_Б и ведет к тому, что с одной стороны увеличивается время выведения органического загрязнения (в т.ч., тяжелых фракций нефти), а с другой, из-за роста слоя подстилки, к накоплению вредных неорганических веществ. В России наблюдается τ_Б от 50 лет в болотных промерзающих почвах Западной и Восточной Сибири до 5-0,7 лет в зоне выщелочных черноземов лесостепи. Отсюда следует, что антропогенное замедление скорости биологического круговорота наиболее критично для северных почвенно-биоклиматических областей и провинций. О роли почвенных беспозвоночных для индикации состояния экосистемы говорит следующий факт: при лесной рекультивации отвалов угледобычи посаженные деревья не образуют настоящих лесов спустя 30 лет — комплекс сапрофагов-разрушителей лесной подстилки в них отсутствует.

Дата добавления: 2014-01-04