Молекулярный и клеточный уровни биоиндикации

Молекулярный уровень. Высокую степень сходства молекулярноклеточной организации и биохимических превращений по сравнению с более высокими уровнями организации удается проследить при переходе от самого низкого уровня организации живого к высшему. Ответные реакции разных организмов, относящихся к одному семейству или роду, при действии токсических веществ на молекулярном уровне не будут сильно различаться. Это в свою очередь дает возможность экстраполировать результаты, полученные в опытах с одними организмами на тканевом или организменном уровне.

 

Показательные повреждения молекулярного уровня

Для биоиндикации решающее значение имеют действия стрессоров на следующие этапы обмена веществ:

концентрация макромолекул (например, изменяется количество ферментов);

активность макромолекул (например, ферментативная) - в целом отмечается увеличение их активности при низких концентрациях загрязняющих веществ и снижение - при высоких;

снижение энергетического баланса;

нарушение процесса фотосинтеза;

продуцирование веществ с защитными функциями (например, пролина), увеличение сахарозы и фруктозы с целью самозащиты;

преждевременное включение механизмов старения организма: характерным признаком является увеличение содержания гормонов, регулирующих созревание плодов, старение и опадение листвы и т.д. (этилен, абсцизовая кислота и др.);

 

Остановимся более подробно на биоиндикационных признаках молекулярного уровня Концентрация (количество) ферментов, пигментов

а) хлорофилл - в качестве биоиндикаторного признака у растений используют уменьшение содержания хлорофилла, уменьшение соотношения хлорофиллов а и б, увеличение содержания феофитина. Снижение содержания зеленых пигментов в листьях может происходить вследствие разрушения хлорофиллов и превращения их в феофитины под влиянием стрессоров, которые воздействуют на ферменты катализирующие образование этого пигмента.

 

б) соотношение каротиноидов – в листьях и хвое, подвергшихся действию фотоокислителей (фотохимического смога) и газодымовых выбросов двуокиси серы, содержание лютеина повышается, а бета-каротина снижается.

 

в) металлотионеины - процессы детоксикации некоторых тяжелых металлов у многих видов идут путем их связывания с металлотионеиновыми белками; при действии ртути в концентрации 5 мкг/л на лосося было обнаружено значительное увеличение концентрации ртути в тканях; при действии ртути в концентрации 1 мкг/л подобного эффекта не наблюдалось, по-видимому, потому, что весь металл образовывал комплексы с металлотиопеинами

 

г) стероиды - обнаружена достоверная корреляция между влиянием сублетальных концентраций некоторых загрязняющих веществ и концентрацией стероидных гормонов у птиц, рыб и морских млекопитающих. Сублетальные концентрации загрязняющих веществ могут повлиять на ферментные системы, ответственные за стероидогенез, который в свою очередь определяет функционирование гомеостатического механизма животных.

 

2. Клеточный уровень Химический состав клетки

а) аккумуляция вредных веществ - поглощаемые организмом вредные соединения могут быть либо преобразованы, либо включены в общий метаболизм. Однако большинство элементов вредных веществ пригодно лишь в небольших количествах и присутствует в незагрязненных организмах лишь в виде следов (хлор, тяжелые металлы - свинец, кадмий, цинк). Их аккумуляция выше может быть использована в качестве индикационного признака для определения уровня стрессовой нагрузки. Обнаружена тесная связь между содержанием свинца в листьях растений и интенсивностью движения в городах.

 

б) белки и аминокислоты - уменьшение растворимых белков - индикаторный признак; причина - повышение их распада до аминокислот. В высших растениях пролин участвует в осуществлении водного баланса, считается индикатором стресса, в особенности водного; количество свободного пролина увеличивается.

 

в) липиды - с ростом загрязнения происходят значительные изменения состава жирных кислот, которые входят в состав липидов, особенно увеличивают свою концентрацию линолевые кислоты; повышение их концентрации отмечено в стареющих листьях растений, поэтому нельзя исключить ускоряющее воздействие стрессоров на процессы старения.

 

2.2 Состояние органоидов

а) биомембраны. SO2 диффундирует, подобно СО2 через мембраны клеток, растворяется в воде клеточной стенки, образует ионы, которые разрушают клеточную мембрану. Эти нарушения проявляются в повышении проницаемости, изменении рН, ферменты, связанные с мембраной, высвобождаются и переходят в другие участки. В норме клетка предохранена от изменений рН. Поглощение SO2 и его превращение в сернистую кислоту, изменяет буферную емкость клетки, чаще всего она значительно снижается.

 

б) изменение внутриклеточных структур - грануляция цитоплазмы и разрушение хлоропластов (SO2, Cl);

 

в) стабильность лизосом. Лизосомный комплекс образует внутриклеточную пищеварительную систему, которая способна катаболизировать как эндогенные клеточные компоненты, так и экзогенные вещества. В норме основной функцией лизосом является расщепление цитоплазматических компонент внутри вакуоли. В стрессовых условиях лизосомы могут перейти на гетерофагию, которая включает эндоцитоз (пиноцитоз и фагоцитоз). Таким путем может происходить внутриклеточное потребление внеклеточных веществ. Обнаружено, что лизосомы некоторых позвоночных, моллюсков и рыб способны накапливать ароматические углеводороды, асбест, кремнезем, производные аминоазобензина, бериллит, металлические порошки и вирусы, a также ионы меди, железа, свинца, цинка, никеля, серебра, ртути и плутония.

 

г) изменения размеров клетки - уменьшение клеток эпидермиса листьев (SO2);

 

д) плазмолиз - отслаивание плазмы от клеточной стенки (действие кислот и SO2);

 

Хромосомные нарушения

Например, присутствие загрязняющих веществ может изменить состав генетического пула, что в условиях генетической изменчивости в пределах популяции приведет в результате адаптации к изменению усредненного фенотипа популяции.