Изучение возможности адаптации животных к хроническому нефтяному загрязнению среды

Беспрецедентные масштабы и темпы добычи нефти и газа в Тюменской области сопровождаются значительными потерями углеводородного сырья. Интенсивное развитие нефтеперерабатывающей отрасли промышленности привело к тому, что популяции живых организмов вынуждены длительное время находится в условиях нефтяного загрязнения и приспосабливаться к хроническому действию токсических веществ. Неспособные к такому приспособлению особи элиминируются из популяции, т. е. в каждой природной или экспериментальной популяции идет отбор на нефтеустойчивость.

В лабораторных условиях на кафедре экологии и генетики Биологического факультета Тюменского госуниверситета были отселектированы 2 линии плодовой мушки Drosophila melanogaster, способные жить и размножаться в условиях хронического нефтяного загрязнения. Мухи, начиная с 1994 года, содержатся на стандартной питательной среде с добавлением нефти в полулетальной концентрации (5% от состава среды) и половина от полулетальной (2,5%). К настоящему времени линии мух прожили на загрязненной нефтью среде около 400 поколений. Регистрировали основные показатели приспособленности: выживаемость, потенциальную и реальную плодовитость, частоту гибели отложенных яиц, крыловые морфозы типа вырезок.

Анализ выживаемости мух показал, что в первых поколениях жизнеспособность мух, развившихся и содержащихся на среде с добавлением нефти в полулетальной концентрации (5%), резко снижена (табл.1). Гибель мух родительских поколений в течение первых 3-х недель эксперимента сохраняется в течение 15 поколений непрерывного содержания мух на среде. К 15 поколению у потомков, хронически содержащихся в условиях нефтезагрязнения, выживаемость на 6 день составляла около 38% от уровня контроля, а на 12 день — около 12%. Более низкая концентрация нефти в среде (2,5%) у особей первого поколения не вызывала полной гибели мух в течение 18 дней эксперимента, но существенно снижала их жизнеспособность. Полная гибель мух на среде с полулетальной концентрацией нефти и высокая гибель на среде с концентрацией нефти 2,5% связаны, по всей видимости, с токсическим действием нефти на соматические и половые клетки дрозофилы. Элиминация большей части популяции при действии нефти связана с низкой устойчивостью мух к высоким концентрациям такого сложного многокомпонентного токсиканта, как нефть Начиная с 25 поколения, жизнеспособность мух в среде с заданными концентрациями нефти начинает постепенно увеличиваться по сравнению с 15 поколением мух, содержащихся в соответствующих концентрациях. Появляются первые положительные сдвиги в сторону увеличения жизнеспособности мух. Жизнеспособность мух, содержащихся на среде с полулетальной концентрацией нефти, достигает контрольного уровня только к 65 поколению. Различия между опытными вариантами по выживаемости мух существуют по 60-тое поколение включительно: более высокая концентрация нефти в среде более значимо снижает жизнеспособность мух, статистически значимо отличаясь от контрольного уровня в начале эксперимента, к настоящему времени существенного не отличаются от стандартных. У дрозофил, в ходе длительного содержания на среде с нефтью в полулетальной концентрации (5%), возникла стойкая генотипическая адаптация к нефтяному загрязнению. Все основные показатели жизнедеятельности мух (выживаемость, плодовитость, поведенческие реакции) находились на уровне контроля.

Полученные в ходе эксперимента результаты, свидетельствуют о возможности нормальной жизнеспособности мух в условиях высоких концентраций нефтяного загрязнения. Достигаются подобные эффекты достаточно медленно (45-е или 65 поколение мух при хроническом действии 2,5 и 5% концентрации соответственно). При длительном развитии мух в условиях нефтезагрязнения происходит отбор и размножение особей с устойчивыми генотипами. Сдвиги в направлении повышения уровня жизнеспособности особей начинают отмечаться с 35−40 поколения.

В экспериментах мы анализировали уровень полиморфизма в нефтеустойчивых линиях по морфологическим и цитогенетическим характеристикам. Учитывали изменения в цвете и форме глаз, форме крыльев и брюшка, количестве и форме щетинок, цвете и размерам тела. Выявлен высокий уровень изменчивости практически всех проанализированных морфометрических показателей. Особенно значимый уровень полиморфизма установлен у мух первого поколения, развившихся в среде с добавлением нефти в полулетальной концентрации. По мере приспособления к условиям нефтяного загрязнения у мух уровень изменчивости хотя и снижался, но был выше среднестатистического по популяции. Показано увеличение спектра генетической активности у мух нефтеустойчивых линий, анализируемое по частоте встречаемости и размерам пуфов в политенных хромосомах. Показано, что ряд пуфов у личинок являются, вероятно, неспецифическими, так как их появление зафиксировано при различных стрессовых воздействиях на дрозофил. Однако ряд пуфов являются строго специфичными для нефтяного загрязнения. Изменялся и размер пуффированных зон у мух по мере адаптации особей к нефтяному загрязнению.

При переводе мух на чистую питательную среду в первом поколении основные показатели приспособленности несколько возрастают, а во втором поколении резко снижаются по сравнению с уровнем контроля. Возвращение мух в условия нефтезагрязнения стабилизирует их показатели жизнедеятельности. Это свидетельствует о возможности генотипической адаптации организмов к нефтяному загрязнению среды.

Проведение гибридологического анализа позволило выявить доминирование нефтеустойчивости. Установлено, что нефтеустойчивость определяется не менее 3 генами. Два гена локализованными во 2 и 3 хромосоме соответственно и имеют разную степень экспрессивности. Основные гены нефтеустойчивости локализованы в Х-хромосоме дрозофил и определяют разную степень нефтеустойчивости самок и самцов.

Таблица 1.

Основные показатели приспособленности мух при хроническом действии нефти.

Условные обозначения:

• *-статистически достоверные различия между опытом и контролем
• — статистически достоверные различия между опытными вариантами

Проведено изучение пределов нефтеустойчивости мух к высоким концентрациям нефти в среде (8 и 10%). Показано, что мухи, адаптированные к более низкой концентрации нефти имеют больший резерв нефтеустойчивости по сравнению с мухами, адаптированными к полулетальной концентрации нефти в среде. Можно указать, что длительное пребывание мух в загрязненной среде, безусловно, ведет к развитию генотипических адаптаций к нефтезагрязнению. Обеспечение нормального функционирования механизмов нефтеустойчивости связано с большими функциональными нагрузками для организмов и ведет к снижению резерва нефтеустойчивости мух.

Наряду с дрозофилами, изучение хронического действия нефтяного загрязнения проводили на дафниях (Daphnia magna) и инфузориях туфельках (Paramecium caudatum). В экспериментах с дафниями оценивали влияние хронического (в течение 2 месяцев) действия водорастворимой фракции нефти (ВРФН) в полулетальной концентрации (1% раствор ВРФН) и возрастающих концентраций (от 0,5% до 3,5%) токсиканта, растворенного в воде. В экспериментах растворы меняли каждые 5 дней, сохраняя прежнюю полулетальную концентрацию (1%) или увеличивая концентрацию на 0,5%. Учитывали выживаемость рачков, их реальную плодовитость, линейные размеры особей, особенности поведенческих реакций (зоны предпочтительного обитания, двигательную активность). Показано, что ряд анализируемых показателей статистически значимо изменяется по сравнению с показателями интактных особей. Наиболее заметные отличия касались поведенческих реакций рачков и их плодовитости. В ходе эксперимента было показано, что первичный контакт дафний с токсикантов в концентрации 3,5% приводит к немедленной гибели рачков. В ходе постепенного повышения концентрации ВРФН дафнии смогли жить и размножаться в среде, концентрация токсиканта в которой превосходила полулетальную в 3,5 раза. Это достигается, вероятно, за счет постепенной перестройки в организмах рачков физиологических механизмов, ответственных за адаптацию. Достигнув определенных пределов (в наших экспериментах — 4% ВРФН в среде), системы физиологической адаптации, ответственные за нефтеустойчивость, не выдерживали нагрузки и организмы массово погибали.

Аналогичные механизмы адаптации к нефтяному загрязнению грунта выявлены у инфузорий. В отличии от дафний у парамеций на ряду с физиологическими, в адаптации большую роль играют генетические механизмы адаптации (отбор устойчивых особей). Наряду с напряженной работой систем физиологической адаптации, обуславливающих выживаемость инфузорий при возрастании концентрации нефти в грунте, отмечена элиминация только части наиболее чувствительных особей. Выжившая часть популяции инфузорий имела, вероятно, приспособления на генетическим уровне к действию токсиканта в возросшей концентрации. Отмечено наличие у парамеций длительного сохранения эффектов от обработки как у особей кратковременно контактировавших с тестируемым токсикантом, так и у потомков, полученных от обработанных в течение короткого времени родителей. Эффекты от нефтяной обработки сохранялись у инфузорий в течение 40 поколений после воздействия.