«Канарка, кіт і дафнія»

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 53

Троє названих у заголовку, а також чайки, мідії, лишайники, бджоли… Що спільного може бути у таких різних істот? Всі вони — живі індикатори, які попереджають людину про небезпеку.

Коли жити неможливо

Експерименти шотландського фізіолога Джона Скотта Холдейна (1860-1936) з вивчення токсичного впливу різних газів на організм людини я б ні за що не став відтворювати. Він перетворив своє тіло на лабораторію: вдихав хлор, метан, вуглекислий і чадний гази, чисті кисень і азот, гірчичний газ, щоразу відзначаючи, який вплив та чи інша речовина чинить на організм. Іноді мова йшла про кількості, небезпечні не тільки для здоров’я, а й для життя дослідника; однак, на щастя, йому вдалося не повторити долю Карла Шееле, який спробував на смак синильну кислоту.

Однією з рекомендацій Холдейна щодо безпечної праці в шахтах була пропозиція використовувати в якості датчиків на шахтні гази канарок — маленького птаха потрібно менше газу для смертельного результату. Вона отруюється швидше, ніж середньостатистичний шахтар, який, побачивши, що пташка перестала співати, встигне евакуюватися з забою до того, як вміст газів під землею стане небезпечним і для нього. Зараз пташок у шахтах вже не труять, але датчики на чадний газ у шахтах досі називають «канарками». А канарок ми можемо вважати першими біоіндикаторами — організмами, поведінка яких дозволяла людині оцінювати екологічну обстановку.

Крім канарок, такими датчиками на чадний газ мимоволі стали домашні коти, які, вдихнувши чадного газу, починали поводитися неадекватно. Присказка «Что ты мечешься как угорелый?» когда-то звучала немного иначе: «Що ти мечешся як угорілий кіт?» У 1950-ті роки коти японського міста Мінамата знову спробували попередити господарів про прийдешню небезпеку. Жителі міста стали помічати, що місцеві коти поводяться дивно — вони не могли рухатися з точки А в точку Б по прямій, а переміщалися якимись непередбачуваними стрибками. Потім і деякі люди почали рухатися подібним чином. Причиною «лихоманки танцюючих котів» виявилася присутність метилртуті в стічних водах місцевого хімічного підприємства. Ртутьорганика накопичувалася в рибі і молюсках, якими харчувалися люди і кішки, і, знову-таки через меншу масу, тварини раніше відчули симптоми ртутного отруєння. Гостре отруєння ртуттю, після цих випадків отримало назву «хвороба Мінамату», вразило кілька тисяч осіб, але, якби лікарі та хіміки не пов’язали воєдино аномальну поведінку котів і людей, наслідки могли бути набагато важчими.

Датчиками, що відстежують стан навколишнього середовища, побували десятки видів тварин, рослин, грибів. Фактично на цю роль підходить будь-який біологічний вид. Хіміки, екологи та біологи отримують подібну інформацію від білих ведмедів, білоголових орланів і дельфінів. Однак цих представників фауни незручно використовувати для досліджень, присвячених всебічному вивченню навколишнього середовища, і тому називати їх «біодатчиками» складно.

Ті види, які дослідники схильні вважати живими датчиками, повинні мати досить простий обмін речовин; якщо вони не зустрічаються в живій природі, то їх розведення не повинно бути складним і дорогим; і найголовніше — вони повинні давати передбачуваний і вимірюваний відгук на зміни середовища. На суші цим вимогам відповідають лишайники, що ростуть на каменях і деревах, і стадні тварини, наприклад олені. У прісній воді це крихітні дафнії і лососеві риби, в прибережних морських і океанських водах — мідії, а у відкритому морі — чайки і морські ссавці.

Гарний приклад того, як птахи реагують на зміни в умовах навколишнього середовища, — історія з ДДТ. Так, популяції білоголових орлів і багатьох інших птахів у США скорочувалися під час активного застосування ДДТ, однак після того, як у 1972 році застосування цієї речовини в США заборонили, чисельність птахів знову почала зростати. Таким чином, підрахунок чисельності певних біологічних видів дозволяє відстежити джерела речовин, що забруднюють навколишнє середовище, шляхи їх переміщення і розподілу в біосфері, а також їх кінцеву долю. Вся ця інформація буває критично необхідна для вирішення екологічних проблем, як сучасних, так, можливо, і майбутніх.

Живі датчики постачають інформацію і по інших стійких забруднювачах — поліхлорбіфенілах, поліциклічних ароматичних вуглеводнях, бромовмісних антипіренах і фтороганічних сполуках. Також вивчення біологічних видів показує вплив на біосферу важких металів, в першу чергу — свинцю, кадмію і ртуті. Біологічні індикатори дають нам можливість спостерігати не тільки забруднення навколишнього середовища, але і вплив людини на кругообіг азоту і фосфору в природі, а також зміни в екологічних системах, пов’язані зі зміною клімату і проникненням в екологічні системи чужих їм біологічних видів.

Звичайно, живі датчики не замінюють традиційну хімічно-екологічну систему відбору проб і їх лабораторного аналізу. Існують довгострокові кампанії з хімічного аналізу та моніторингу вмісту забруднювачів у зразках повітря, води, ґрунту та льодів. Такі дослідження дозволяють визначити, які забруднювачі присутні в навколишньому середовищі, в якій кількості і звідки вони з’явилися, наскільки далеко змогли переміститися від джерела забруднення і як швидко знижується в навколишньому середовищі їх концентрація. Біоіндикатори також дозволяють оцінити динаміку зміни концентрації забруднювачів навколишнього середовища плюс додаткову інформацію про те, як забруднювачі впливають на екосистеми. Нові технології розширюють способи використання живих датчиків — наприклад, сьогодні екологи відправляють дрони брати зразки з фонтанів китів, щоб зрозуміти, чи все добре з цими гігантськими ссавцями.

Важливий елемент сучасної біоіндикації — взаємодія з еволюційною та функціональною екологічною геномікою. Довгий час в біомедичних дослідженнях використовували два види, про які була зібрана детальна інформація, — дрозофіли і нематоди Caenorhabditis elegans. Однак швидкий прогрес геноміки дозволив фахівцям з еволюційної біології, екологам і токсикологам розширити дослідження на інші види. Наприклад, тепер можна вивчати, як симбіотичні зв’язки вірусів, бактерій і грибків з рослинами і тваринами, включаючи Homo sapiens, впливають на біологічне розмаїття і як, з іншого боку, діяльність людини впливає на ці симбіотичні зв’язки. Дослідження подібного роду допомагають зрозуміти, як геноми реагують на зміни навколишнього середовища. Справа в тому, що навіть для найбільш добре вивчених геномів невідомо, яку функцію виконує близько третини генів, експресію яких не проводили в лабораторних умовах. Фахівці вважають, що час використовувати нові підходи: дізнатися, яким чином умови зовнішнього середовища впливають на гени з невідомою функцією.

Далі ми розповімо про деякі біологічні види, які допомагають нам вивчати стан навколишнього середовища.

Дафнії

Дафнії (водяні блохи, Daphnia) — рід планктонних ракоподібних з надзагону ветвистоусих, мешкають у ставках і озерах. Розміри дафній коливаються від 0,2 до 6 мм. Їх кількість у зразку води, розмір і колір — відомі маркери якості води. Натуралісти вивчають дафній з початку XVII століття. Досить давно було встановлено, що ці крихітні рачки — важлива ланка в харчових ланцюгах між водоростями і бактеріями, якими дафнії харчуються, і рибами, які харчуються дафніями. З 1900-х років, коли почали широко використовуватися фармацевтичні засоби, пестициди і продукти нафтопереробки, дафнії стали важливим інструментом токсикологічних скринінгів. Наприклад, вивчення гранично допустимих для водяних бліх концентрацій шкідливих речовин лягло в основу законів, що регламентують безпечний вміст цих речовин і продуктів їх перетворень на прісній воді.

Одна з найцікавіших властивостей дафній полягає в тому, що вони можуть відкладати два типи яєць, і яйця одного типу здатні століттями зберігатися в стані сплячки в донних відкладеннях водойм. Дослідники навчилися добувати ці сплячі яйця і використовувати вилупилися з них дафній, щоб з’ясувати, як впливають на їхні організми і геноми синтетичні речовини, яких ще не існувало, коли яйце було відкладено. Ці дослідження показують, як різні покоління дафній адаптуються до природних і антропогенних змін у круговороті азоту і фосфору, до появи в екологічних системах синтетичних речовин і кліматичних змін. А результати дозволяють екстраполювати небезпеку застосовуваних і планованих до застосування речовин для інших видів рослин і тварин, у тому числі людини. Наприклад, коли вивчали реакцію дафній з озера Міннесоти на пестицид хлорпіріфос, що з’явився на ринку в 1965 році, виявилося, що дафнії з яєць, відкладених в доіндустріальну еру (1301-1646 рр.), в 2,7 чутливіше до цієї речовини, ніж з яєць, відкладених відразу після початку його масштабного застосування (1967-1977 рр.). Це дозволяє говорити про те, що водяні блохи зуміли виробити толерантність до нього. Дафнії ж, що з’явилися зовсім недавно (2007-2011 рр.), коли вміст хлорпірифоса в озері опустився нижче межі визначення, знову втрачають стійкість до цього пестициду (Ecotoxicology, 2015, 24, 488-496).

Чайки

Морські птахи давно служать живими датчиками. Наприклад, сріблясті чайки Larus argentatus з 1970-х років допомагають екологам і токсикологам відстежувати інформацію про речовини, що забруднюють навколишнє середовище, в області північноамериканських Великих озер. Дослідники не ловлять самих птахів, їх цікавлять яйця сріблястих чайок — а також яйця товстоклювих кайр Uria lomvia, дурниць Fulmarus glacialis, мийок Rissa tridactyla, бургомістрів Larus hyperboreus і чистиків звичайних Cepphus grylle. Всі ці пернаті, як правило, гніздяться в арктичних і субарктичних регіонах. Зазвичай на роль живих датчиків вибирають птахів, які гніздяться відокремленими і доступними для людини колоніями, щоб неважко було відбирати «проби» і порівнювати результати для представників одного виду, що живуть в різних ділянках земної кулі.

Одним з головних результатів моніторингу концентрацій найбільш поширених забруднювачів навколишнього середовища, таких як ДДТ, поліхлордіфеніли і діоксини, стала низка заборон 1970-1980-х років на використання одних з них і серйозне обмеження в нормах застосування інших. Вивчення «хімії» в пташиних яйцях показало, що з 1975 по 2003 рік птахи піддавалися впливу значних кількостей бромовмісних антипіренів, а з 2003 року, після того, як з’явилися інші вогнезахисні склади, вміст броморганіки різко знижується. Вміст довгозчіпкових фторалкільних похідних в організмі птахів і їх яєць збільшувався з 1975 по 2009 рік, а після взаємної домовленості хімічних компаній про обмеження їх застосування стало знижуватися. Що ж стосується вмісту ртуті в яйцях морських птахів, то воно зростало з 1975 по 1993 рік, після чого вийшло на плато і припинило змінюватися.

Мідії

Наприкінці 1960-х років було встановлено, що хлоровмісні пестициди, ртутьвмісні сполуки і продукти нафтопереробки стали серйозною загрозою для мешканців прибережних морських і океанічних вод. Для оцінки стану цих вод намагалися використовувати різні види, в тому числі омарів, крабів і риб; однак різноманітні особливості поведінки і раціону непорівнянних один з одним видів ставили під сумнів відтворюваність результатів і правомірність їх порівняння. У 1975 році фахівець з геохімії морських ресурсів Едвард Голдберг запропонував просте рішення: використовувати мідій (програма Mussel Watch). Ця програма стала першим кроком у біологічному моніторингу забруднення прибережних вод.

Мідії, космополітичний вигляд, здатний розвиватися і в прісних, і в солоних водах, поряд з устрицями та іншими їстівними молюсками ідеально підходять для вирішення цього завдання. Вони зустрічаються всюди, їх просто збирати. Крім того, мідій і устриць часто вирощують спеціально для харчової промисловості, що додатково полегшує стеження за станом популяції та проведення аналізів. Харчуються мідії фітопланктоном і, щоб відфільтрувати його, пропускають через себе велику кількість води. Як і багато інших тварин, мідії в процесі еволюції не набули здатності виробляти ферменти, що руйнують забруднювачі, подібні до поліхлорбіфенілів і вуглеводнів, тому вони концентрують у своєму організмі ці речовини, що полегшує аналіз. Через чотири з гаком десятиліття локальна для США програма з визначення токсичних речовин за допомогою мідій стала міжнародною, і завдяки їй відстежують не тільки присутність у прибережних водах сторонніх речовин, але і ступінь їх шкоди для людини.

Лишайники

Лишайники — це симбіотичні асоціації грибів і мікроскопічних зелених водоростей або ціанобактерій. Відомі види лишайників різних розмірів і кольорів. Деякі з них нагадують мініатюрні рослини, інші — плями фарби на каменях і стовбурах дерев. У лишайників немає кореневої системи, вони поглинають поживні речовини безпосередньо з туману, дощу і того, що приносить їм вітер. Отже, у них немає бар’єрів, що захищають від небезпечних речовин, і при посиленні забруднення навколишнього середовища вони вмирають першими. Лишайники, звичайно, шкода, але ця властивість робить їх хорошими живими датчиками.

Лишайники почали застосовувати в цій якості ще з 1860-х років, коли ботаніки в Парижі з’ясували, що лишайники розростаються в областях з чистим повітрям, а там, де повітря брудне, їх колонії починають відчувати себе гірше. Початкові дослідження в основному були присвячені прямому впливу на лишайники діоксиду сірки, що виділяється при згорянні кам’яного вугілля. Через якийсь час виявилося, що лишайники також дозволяють відстежити вплив кислотних дощів — якщо викиди підприємства містять діоксид сірки або діоксид азоту, вони розчиняються в дощових краплях, утворюючи кислоти. Крім того, ці організми можуть служити індикаторами на нітрати та іони амонію, основне джерело яких — сільське господарство. А ще в лишайниках накопичуються метали від цинку до ртуті.

У 1980-ті роки Федеральне лісове управління США запустило програму біомоніторингу, в рамках якої реєструються дані про різноманіття і поширеність лишайників у всіх регіонах країни. Фіксують стан колоній лишайників, проби збирають і аналізують в лабораторіях, щоб визначати ступінь забруднення повітря в тих чи інших областях, виявляти їх причини і при необхідності коригувати норми промислових викидів.

Бджоли

Медоносних бджіл Apis mellifera можна вважати найбільш недооціненими героями природи. Літаючи у своїх справах, збираючи пилок і нектар, вони також запилюють рослини. Самих бджіл складно назвати видом, підходящим для застосування в якості живих індикаторів, — бджоли окультурени, бджолярі піклуються про них, часто в міру розквітання різних медоносів переміщують бджолині сім’ї з однієї ділянки на іншу, після чого буває складно прив’язати дані про речовини-забруднювачі до якоїсь певної області. Однак ці комахи теж вносять свій внесок у вивчення стану навколишнього середовища — для цього аналізують мед.

Масове застосування інсектицидів у сільському господарстві — серйозна загроза для бджіл та інших запилювачів. Наприклад, головні підозрювані у справі про раптове зменшення чисельності бджіл — інсектициди неонікотиноїди, які можуть вражати нервову систему цих комах. Вони впливають на навчання бджіл, їх здатність до розпізнавання запахів і орієнтації в просторі. Все це заважає збирати їжу, знижує чисельність і кількість бджолиних сімей, що в довгостроковій перспективі може знизити врожайність сільськогосподарських культур і стати причиною продовольчої кризи. Останнім часом дослідники навіть почали застосовувати мікродатчики, які прикріплюють бджолам на спинки, щоб відстежувати переміщення окремих комах від вуликів до медоносів, визначити їх здатність досвідити рослини.

Результати опублікованого в цьому році дослідження 200 зразків меду з усього світу показали, що в 75% зразків виявляється принаймні один з п’яти основних неонікотиноїдів, а в 45% — два і більше. Концентрації пестицидів в меді набагато нижче граничного значення, встановленого регуляторами США і ЄС як безпечне для людей, проте в третині зразків було достатньо неонікотиноїдів, щоб завдати шкоди личинкам бджіл (Science, 2017, 358, 6359, 109-111).

Отже, можна сказати, що саме навколишнє середовище приходить на допомогу людині розумній, яка бажає це середовище зберегти, — рослини, гриби, безхребетні і хребетні жертвують собою, щоб розповісти, як дорого природі обходяться технології, що полегшують життя людям. І якщо ми будемо уважно стежити за нашими «канарками», то, можливо, встигнемо врятуватися.