Биология

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРАТОРЫ - ВАЖНАЯ ЧАСТЬ БИОСФЕРЫ

Исследования экологии живых организмов ведут к более глубокому пониманию сложнейших процессов функционирования биосферы Земли. Человечество пока далеко даже от попыток установить с ней гармоничные отношения.

Между тем постоянно нарастающие масштабы разрушения техногенной цивилизацией природных комплексов требуют революционных подходов к их сохранению.

Вот почему важно изучать существующие взаимосвязи и взаимодействия живых организмов.

Одну из важнейших ролей в этом "оркестре" играют многочисленные беспозвоночные, фильтрующие воду и тем очищающие ее. В какой степени на эту их способность влияют химические вещества-загрязнители?

В известном фильме российского кинорежиссера Андрея Тарковского (1932 - 1986) "Солярис", поставленного по одноименному роману польского писателя Станислава Лема (1921 - 2006), один из главных участников драматических событий на орбитальной станции - таинственный мыслящий океан, покрывающий поверхность далекой планеты. Вся жизнь на ней представлена этим единым огромным существом. И книга, и фильм так убедительны, что заставляют поверить в существование всеобъемлющего в размерах и одинокого из-за своей уникальности живого организма. Невольно задаешь себе вопрос: нет ли какого-то скрытого, но фундаментального сходства биосферы нашей планеты с ее раздробленностью на множество существ и гипотетического Соляриса? И он не кажется совсем уж наивным, когда глубже узнаешь, сколь многочисленны и тесны взаимосвязи различных земных организмов.

ПЛИМУТ: МИДИИ

Планктонные организмы - фильтраторы воды.
Планктонные организмы - фильтраторы воды.

В 1990-е годы я написал серию писем зарубежным ученым, устанавливая новые научные контакты. Среди тех, кто откликнулся, был Питер Донкин из Морской биологической лаборатории в городе Плимут на юге Англии, предложивший подготовить совместный научный проект. Ему с коллегами удалось наладить метод измерения фильтрационной активности мидий - широко распространенных в морских водах Северного и Южного полушарий двустворчатых моллюсков - с помощью счетчика Култера. Этот прибор с высокой точностью определяет концентрацию в воде одноклеточных водорослей, зависящую от фильтрационной способности моллюсков, помещаемых на дно экспериментальных сосудов.

К тому времени мной был накоплен опыт биотестирования химических соединений из поверхностно-активных веществ (ПАВ). К ним относится обширный класс органических соединений (синтетические моющие средства и др.), уменьшающих поверхностное натяжение воды, что усиливает ее моющие свойства. Их молекулы при взаимодействии с клетками выбирают в качестве мишеней биологические мембраны. После попадания в водную среду часть этих веществ разрушается, но некоторые, обладая высокой устойчивостью, проходят через стандартные сооружения биологической очистки. Кстати, синтетических ПАВ в мире производят в огромных количествах - только в России до 1 млн. т ежегодно. Я уже много раз испытывал такие вещества, используя в качестве изучаемых объектов бактерии, водоросли, высшие растения, а также пиявок и личинок моллюсков Mercenaria mercenaria. Все они реагировали на ПАВ, причем негативно. Эти результаты позволили мне выдвинуть гипотезу, что данные вещества будут ингибировать фильтрационную активность мидий, и я предложил Донкину совместно проверить предположение.

Мидии Mytilus edulis. Видны края мантии (мягкие ткани организма) и сифоны. Благодаря приоткрытым створкам моллюски фильтруют воду.
Мидии Mytilus edulis. Видны края мантии (мягкие ткани организма) и сифоны. Благодаря приоткрытым створкам моллюски фильтруют воду.

Фильтрация воды мидиями Mytilus edulis снижает концентрацию водорослей Isochrysis galbana.
Фильтрация воды мидиями Mytilus edulis снижает концентрацию водорослей Isochrysis galbana.

Проект получил грант Европейской организации по окружающей среде, и в 1995 г. работа закипела. В огромных стеклянных шарах выращивали желтоватые одноклеточные водоросли Isochrysis galbana, которые добавляли в сосуды с мидиями Mytilus edulis - их друзы мы с Питером заранее привозили в лабораторию, сняв с морских скал. Снижение концентрации клеток давало информацию о темпе фильтрации воды. Впечатляет сама скорость этого процесса. Так, одна небольшая мидия размером всего в несколько сантиметров за час профильтровывает 2 л воды и более. По оценкам некоторых авторов, моллюски, обитающие на участке дна в 1 м2, за сутки пропускают через себя, очищая, от 1 до 10 м3 воды. Стало понятно, что это активнейшие участники важных процессов в биосфере. И есть все основания с большим уважением относиться к этим организмам, согласившись с русским поэтом Афанасием Фетом (1820 - 1892), который с восхищением отзывался о них:

 Расписные раковины блещут
 В переливах чудной позолоты.

В результате опытов наша гипотеза о способности ПАВ ингибировать (подавлять) соответствующую активность моллюсков нашла убедительное подтверждение.

СЕВАСТОПОЛЬ: МИДИИ И УСТРИЦЫ

Возникла новая идея: проверить ту же гипотезу на другом виде мидий, обитающем в Черном море, - Mytilus galloprovincialis. Возможность провести опыты на этих организмах в Институте биологии южных морей мне предоставили севастопольские коллеги - член-корреспондент Национальной АН Украины Георгий Шульман, доктора биологических наук Галина Финенко и Александр Солдатов. В опытах использовали другие водоросли - Monochrysis lutheri, а для подсчета уровня концентрации их клеток - спектрофотометр. В результате, как и в опытах, проведенных ранее в Великобритании, зафиксировано ингибирование фильтрационной активности мидий при воздействии ПАВ. Кроме того, я проверил результаты воздействия на моллюсков аналогичных веществ, содержащихся в смесевых препаратах - синтетических моющих средствах. Оказалось, они подавляли фильтрационную активность черноморских мидий, а также устриц Crassostrea gigas. Отметим: оба этих вида очень важны как объекты марикультуры. Она быстро развивается во всем мире и важно иметь информацию о том, какие виды загрязнения среды особенно опасны для культивируемых организмов. И в 1999 - 2006 гг. соответствующие исследования удалось провести именно благодаря плодотворному сотрудничеству с учеными Севастополя.

ОТ БЕРЛИНА ДО САНТА-ФЕ: КОЛОВРАТКИ

Профессор Норберт Вальц из Института пресноводной экологии в Берлине, куда я был приглашен в 1998 г. для чтения лекций, при встрече рассказал о налаженном у них методе культивирования коловраток Brachionus calyciflorus (представители зоопланктона, еще одна группа беспозвоночных-фильтраторов) в условиях турбидостата (в данном приборе поддерживается стационарный уровень вносимых одноклеточных водорослей). Это позволяет довольно точно регистрировать потребление ими корма - зеленых водорослей. К тому времени вместе с коллегой из МГУ, кандидатом биологических наук Наталией Карташовой мы уже провели на биологическом факультете нашего университета работу на другом виде коловраток - Brachionus angularis. И концентрация ПАВ на уровне 0,5 мг/л оказала на них некоторый, хотя и не очень четкий, негативный эффект: снижение поглощения ими водорослей Chlorella sp.

Учитывая это, я предложил Вальцу провести новый опыт на коловратках в турбидостате. Мы должны были совместно проверить, можно ли расширить гипотезу о возможном подавлении катионным* ПАВ активности фильтраторов и приложить ее не только к моллюскам, но и коловраткам. В 2000 г. от фонда "Открытое общество" мной был получен грант на проведение изысканий и поставлен соответствующий опыт в лаборатории Вальца. В турбидостате, куда добавляли суспензию одноклеточных водорослей, культивировали коловраток Brachionus calyciflorus. При питании они извлекали из воды одноклеточные водоросли (размером 1,5 - 6 мкм) Nannochloropsis limnetica (это сравнительно недавно описанный, но достаточно массовый вид семейства Eustigmato-phyceae). Оказалось, тот же катионный ПАВ, который ранее мы изучали с Карташовой, подавлял активность коловраток. Итак, наши опыты подтвердили гипотезу о роли ПАВ как ингибиторов фильтрации воды. Результаты мы опубликовали в журнале "Доклады Академии наук" (2003 г.).

Словом, стало ясно: механизм биологического устройства экосистем неустойчив - они очень уязвимы даже при действии сравнительно низких концентраций загрязняющих веществ. Новые представления о самоочищении вод пригодились при организации в 2000 г. научной сессии в городе Санта-Фе (США), где автору данной статьи удалось объединить ученых Израиля, Китая, Нидерландов, России, США и ФРГ, а в 2001 г. - при организации аналогичного симпозиума в Копенгагене (Дания). Разработанная нами теория помогла предсказать существование других аналогичных биологических эффектов.

Двустворчатые моллюски-фильтраторы
Двустворчатые моллюски-фильтраторы:
1 - мидия гигантская Crenomytilus grayanus;
2 - мидия съедобная Mytilus edulis;
3 - саксидомус Saxidomus purpuratus;
4 - обыкновенная, или съедобная устрица Ostrea edulis;
5 - гигантская устрица Crassotrea gigas;
6 - виргинская устрица Crassostrea virginica;
7 - листоватая устрица Ostrea denselamellosa;
8 - большой гребешок Pecten maximus;
9 - приморский промысловый гребешок Pecten yessoensis.
Скорость фильтрации с участием устриц Ostrea edulis достигает 8,8 л/ч в расчете на 1 г сухой массы их мягких тканей (без раковин).

МОСКОВСКАЯ ОБЛАСТЬ: ПРЕСНОВОДНЫЕ МОЛЛЮСКИ-УНИОНИДЫ

Успех в исследовании морских моллюсков заставил задуматься о том, имеет ли место выявленное нами свойство ПАВ в случае пресноводных организмов? Наши опыты (в ряде из них помощь оказала кандидат биологических наук Наталия Колотилова из МГУ) с обитающими в подмосковных реках перловицами семейства унионид Unio pictorum подтвердили предположение. Проверяли воздействие представителей всех трех основных классов ПАВ - анионных, катионных и неионогенных детергентов (моющих средств). Была также определена способность пресноводных моллюсков, фильтруя воду, извлекать из нее бактерии. Для чего в два сосуда с 3 л воды, где содержали объект изучения, добавили по 30 мл суспензии кишечной палочки Escherichia coli. После 24 ч инкубации измерили концентрацию бактерий. В сосуде с моллюсками она составила 150 тыс. клеток в 1 мл, в контрольном (без перловиц) - 480 тыс. клеток. Следовательно, благодаря унионидам концентрация бактерий в воде уменьшилась в три раза.

Таким образом, на очередном примере еще раз была доказана благотворная роль фильтраторов в очищении вод. Это особенно важно для современной России, где качество водоемов* и водотоков, служащих источником питьевого снабжения населения, далеко не всегда соответствует гигиеническим нормативам: более 20% взятых из них проб не отвечают предъявляемым требованиям.

КИШИНЕВ: ДРЕЙССЕНЫ

На одной из научных конференций в МГУ я познакомился с доктором биологических наук Еленой Зубковой (Институт зоологии АН Молдовы). Она с сотрудниками изучала процесс накопления моллюсками металлов - железа, меди, цинка, марганца и др. А благодаря нашим совместным усилиям активизировались исследования дрейссен Dreissena polymorpha. Эти небольшие по размеру моллюски, обитающие в пресных и солоноватых водах, в том числе в реках, водохранилищах и озерах, имеют интересную окраску створок раковин - характерные полоски (при известной фантазии их можно посчитать схожими со шкурой зебры). Вместе с тем они оказались агрессорами - быстро расселяются, захватывая новые водоемы и водотоки, где достигают огромной численности. Добавим: дрейссена - типичный пример интро-дуцентов (вселенцев), стремительное расселение которых по всему земному шару - одна из остроактуальных экологических проблем современности. Поэтому максимально полное изучение всех сторон жизни подобных видов важно для практики.

С молдавскими коллегами в 2006 г. мы исследовали роль дрейссен и других моллюсков в биогенной миграции химических элементов в водных экосистемах, в чем активное участие принял академик-секретарь Отделения биологических, химических и экологических наук АН Молдовы Иван Тодераш.

Участница поиска, доктор биологических наук Оксана Мунжиу (Институт зоологии АН Молдовы) использовала предложенную мной методику работы с моллюсками в приложении к дрейссенам. Было показано: некоторые тяжелые металлы подавляют их фильтрационную активность. Кстати, результат согласуется с серией опытов, осуществленных нами с черноморскими мидиями Mytilus galloprovincialis в Севастополе в 2001 -2005 гг.

Совместный с молдавскими специалистами труд стимулировал наш интерес к изучению роли моллюсков в миграции веществ в биосфере. Это направление детализирует концептуальные положения, высказанные академиком Владимиром Вернадским в книгах "Биосфера" (1926 г.) и "Химическое строение биосферы Земли и ее окружения" (написана в 1935 - 1943 гг., опубликована в 1965 г.), - об исключительно большой роли живых существ в перемещении вещества, которое он называл биогенной миграцией атомов в биосфере.

Скорость фильтрации воды мидиями при нарастающих концентрациях добавленного поверхностно-активного вещества (первый столбик - контроль, далее при нарастании концентрации ПАВ в диапазоне 0,05 - 5 мг/л). Цифры над столбиками - процент от контроля.
Скорость фильтрации воды мидиями при нарастающих концентрациях добавленного поверхностно-активного вещества (первый столбик - контроль, далее при нарастании концентрации ПАВ в диапазоне 0,05 - 5 мг/л). Цифры над столбиками - процент от контроля.

К ПОЗНАНИЮ "АППАРАТА" БИОСФЕРЫ

В 1986 г. автор данной статьи опубликовал книгу "Введение в биохимическую экологию", где впервые упомянута концепция биосферы как эколого-биохимического континуума. Слово "биохимический" употреблено при этом с новым смысловым оттенком - с акцентом на взаимодействия между химическим веществом и биологическим организмом. Прошедшие годы подтвердили адекватность такого видения биосферы, особенно в условиях антропогенного воздействия его носителями все чаще становятся многочисленные химические вещества.

В той же книге впервые введены ранее не применявшиеся термины - экологические хеморегуляторы и экологические хемомедиаторы, обозначающие очень широкий класс веществ, вырабатываемых одними организмами и способных оказывать яркое биологическое воздействие на другие, например токсины, феромоны, пищевые антифиданты (последние снижают пищевую активность животных), фитоэкдизоны (вещества растений, обладающие гормоноподобным воздействием на животных). Изучением некоторых таких веществ (цитотоксичных, антибактериальных и др.) плодотворно занимается ряд институтов в Российской Федерации, в том числе Тихоокеанский биоорганической химии ДВО РАН (Владивосток).

Получила значительное развитие и углубление идея тесного взаимодействия видов живых организмов в сообществах (синэкологический подход). Выдвинута концепция этой кооперации, подчеркивающая важность многообразных форм функциональной ассоциации видов друг с другом.

Подтверждением реалистичности данного подхода служит, например, выявление все новых и новых примеров симбиотических ассоциаций видов в водных биоценозах. Так, в 2008 г. в Екатеринбурге опубликована книга члена-корреспондента РАН Олега Бухарина и доктора медицинских наук Наталии Немцевой (Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН) "Микробиология биоценозов природных водоемов". В ней собрано много примеров симбиотических ассоциаций нескольких типов, в том числе между водорослями и бактериями (скажем, зеленых водорослей Chlamydomonas reinhardtii с бактериями нескольких видов, в том числе Rhodococcus terrae, Micrococcus roseus, Bacillus sp.), водорослями и простейшими (водоросли Chlorella vulgaris и простейшие Paramecium caudatum) и т.д.

В цикле статей, опубликованных в "Докладах Академии наук" в 2000 - 2004 гг., и нескольких монографиях ("Биологические эффекты поверхностно-активных веществ в связи с антропогенными воздействиями на биосферу", 2000; "Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы", 2001; "Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод. Элементы теории и приложения", 2004; "Загрязнение, самоочищение и восстановление водных экосистем", 2005. - М.: МАКС-Пресс; "Biological Effects of Surfactants". CRC Press. Taylor & Francis. Boca Raton, London, New York, 2006; "Гидробиологическое самоочищение вод: от изучения биологических механизмов к поиску эко-технологий" (серия "Академические чтения", вып. 48). - М.: Нефть и газ, 2007) мы начали формулировать элементы экологической теории - в ней систематизированы факты и обобщающие положения, выявляющие, что практически все основные группы водных организмов вносят существенный и полифункциональный вклад в очищение воды. Усилия моллюсков-фильтраторов, затраты их энергии настолько велики, что можно говорить об экологическом налоге, выплачиваемом ими экосистеме, - налоге на стабильное местообитание. Четкость и взаимовыгодность кооперации, степень сбалансированности и скоординированности их усилий настолько велика, что для обозначения этой функционирующей системы автор предложил термин "biomachinery" (биомашинерия), который был позитивно воспринят международной научной общественностью.

Итак, каков общий итог исследований, о которых шла речь? В теоретическом плане один из главных результатов состоит в следующем. В книге академика Вернадского "Биосфера" промелькнуло понятие "аппарата" биосферы, образованного совокупностью живых организмов и их функций. Ученый упомянул это выражение, но практически никак не детализировал его. Думается, указанные в данной статье исследования вносят вклад в расшифровку такой концепции. Как представляется, именно раздробленность биосферы на множество индивидуальных особей создает предпосылки для специализации и распределения между ними функций, полезных для нее в целом. Наличие огромного числа индивидуумов дает основу для построения утонченного и полифункционального механизма, или, точнее, множества механизмов поддержания жизни. Один из них - очищение воды с участием беспозвоночных животных-фильтраторов. Но множественность механизмов и сверхмножество организмов-деталей порождают проблему баланса и управления сложным оркестром. По крайней мере, часть координирующих воздействий опосредуется химическими веществами. Восприимчивость к их действию, в свою очередь, создает особый вид уязвимости биосферы. Опасность связана с негативными воздействиями загрязняющих синтетических химических веществ, созданных человеком.

Вышеописанные опыты доказали: существует риск, порождаемый синтетическими моющими препаратами при их воздействии на моллюсков-фильтраторов*. Серьезная опасность в том, что с понижением их фильтрационной способности ухудшается очищение воды. Другой важный факт - моллюски выделяют большое количество отфильтрованного из воды материала в виде пеллет (комочков). В итоге происходит перенос органического материала из толщи воды на дно, где накапливаются большие его запасы. Поскольку органическое вещество взвесей в толще воды образуется в ходе фотосинтеза из растворенного в воде СO2, то всю цепочку переносов углерода с участием фильтраторов можно представить в такой последовательности: СO2 в атмосфере → СO2 в воде → фотосинтез → фитопланктон → изъятие последнего фильтраторами → пеллеты → органическое вещество донных осадков.

Эта цепь важна для поддержания определенной концентрации СO2 в атмосфере, что имеет принципиальное значение для климатической системы Земли. Следовательно, нарушение фильтрации воды беспозвоночными создает новый вид опасности для стабильности климата планеты.

Теперь лучше видится сеть многочисленных взаимодействий химических веществ и организмов в составе биосферы. Объединяет их то, что они участвуют в создании огромного числа дополнительных связей между живыми существами. В результате мы лучше видим, с одной стороны, детали аппарата биосферы, а с другой - интегрированность организмов в единое целое. И различие между биосферами Земли и вымышленного Соляриса уже не представляется непреодолимо большим.

Таковы общетеоретические результаты наших работ. В практическом плане один из итогов состоит в построении более адекватной системы критериев оценки степени опасности антропогенных воздействий, в выявлении новых ее видов. Это нарушение связей между организмами, а также их функций, полезных для поддержания чистоты воды.

В заключение добавлю: автором вместе с аспиранткой Еленой Соломоновой начато создание эко-технологий снижения опасностей химического загрязнения. С использованием знаний и опыта, полученных во время командировки в США (Университет штата Джорджия и Агентство по охране окружающей среды, 2005 г.), мы разрабатываем фитотехнологии с применением водных растений для очищения вод. К этой работе проявляют интерес и студенты биологического факультета МГУ. На основе разработанной теории самоочищения водных экосистем нами выдвинута новая концепция зооремедиации загрязненных экосистем - использовании животных (речь идет о водных беспозвоночных) для очищения воды.


Доктор биологических наук Сергей ОСТРОУМОВ, биологический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

О клубе вулкан 90% посетителей http://politometr.ru которые пришли к нам впервые остаются с
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD