Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследования приспособительных реакций у млекопитающих к радионуклидному загрязнению среды обитания (литературный обзор)
Глава 2. Материал и методы
2.1 Радиоэкологическая характеристика района исследований 35
2.2 Экологическая характеристика объектов исследования: малая лесная мышь, красная полевка, обыкновенная слепушонка 40
2.4 Методы отлова, лабораторного содержания и камеральной обработки грызунов 56
2.5 Биохимические методы исследования 58
2.6 Методы статистического анализа данных 64
Глава 3. Сравнительный анализ метаболического гомеостаза грызунов, обитающих на фоновых участках вне зоны радиоактивного загрязнения 66
Глава 4. Особенности метаболического гомеостаза грызунов, обитающих на территории ВУРСа
4.1 Малая лесная мышь 73
4.2 Красная полевка 98
4.3 Обыкновенная слепушонка 105
4.4 Сравнение радиационного воздействия на показатели исходного уровня метаболизма у трех видов мелких грызунов 111
Выводы 118
Список литературы 120
- Радиоэкологическая характеристика района исследований
- Малая лесная мышь
- Сравнение радиационного воздействия на показатели исходного уровня метаболизма у трех видов мелких грызунов
Введение к работе
Актуальность темы. Комплексный анализ биологических последствий радиоактивного загрязнения окружающей среды включает исследования у разных видов животных особенностей метаболических реакций, обусловливающих возможность адаптации к неблагоприятным условиям.
Общие закономерности антропогенной эволюции животных, в частности, селекция, исследованные при воздействии нерадиоактивных поллютантов (Большаков, Моисеенко, 2009), играют важнейшую роль в микроэволюционных преобразованиях популяции под влиянием хронического облучения. Ряд авторов (О генетических процессах..., 1972; Ильенко, Крапивко, 1989; Новые материалы..., 2002) полагают, что у мелких млекопитающих на радиоактивно загрязненных территориях в ряду поколений развивается генетическая радиоадаптация, другие исследователи (Тестов, 1993) подчеркивают роль физиологической адаптации, развивающейся в онтогенезе в рамках каждого поколения.
К настоящему времени в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа - ВУРСа (Радиационная авария..., 1989) исследуются популяционные и морфофизиологические характеристики мелких млекопитающих (Популяции млекопитающих..., 1993; Тестов, 1998; Жизнеспособность популяций..., 2000; Мамина, Жигальский, 2000; Тарасов, 2000; Чибиряк и др., 2005; Григоркина и др., 2008), феногенетические и цитогенетические особенности (Васильев и др., 1996; Гилева, 2002; Феногенетический анализ..., 2003; Ялковская, Григоркина, 2009), иммунологические и гематологические изменения (Тарахтий, Кардонина, 1995; Любашевский, Пашнина, 2002).
Эколого-биохимический анализ метаболизма (Кудяшева, 1996; Биохимические механизмы..., 1997; Бурлакова и др., 2001; Шевченко, 2001; Устинова, Рябинин, 2003, 2005; Биологические эффекты..., 2004) актуален как базис для расшифровки механизмов адаптации организмов и популяций к хроническому облучению. Исследования на экологически различающихся видах грызунов, позволяют анализировать эффекты хронического облучения в зависимости от функционально-метаболических особенностей вида и степени радиоактивного загрязнения среды обитания.
Цель работы: изучить особенности метаболического гомеостаза в популяциях трех видов мелких грызунов разной экологической специализации,
определяющие стратегии физиологической адаптации к радионуклидному загрязнению среды обитания. Задачи исследования:
Изучить исходный уровень метаболических процессов в организмах трех видов мелких грызунов - малой лесной мыши, красной полевки, обыкновенной слепушонки, обитающих на контрольных фоновых участках вне зоны радиоактивного загрязнения.
Определить особенности метаболических реакций изучаемых видов грызунов на обитание в зоне ВУРСа.
Оценить значимость исходного уровня метаболических процессов в формировании адаптационной стратегии организмов к хроническому облучению.
Выявить взаимосвязь метаболических изменений с концентрацией Sr в костной ткани, полом животных, годом их отлова, временем содержания в виварии.
Научная новизна. Сформирован комплекс биохимических показателей для оценки метаболического гомеостаза, позволяющий впервые исследовать на клеточно-тканевом и организменном уровнях стратегии физиологической адаптации к неблагоприятным факторам среды обитания.
Впервые проведен сравнительный анализ исходного уровня основных составляющих метаболического гомеостаза (липидного, углеводного, белкового обмена и окислительных, энергообразующих, процессов) у видов разной экологической специализации - малой лесной мыши, красной полевки и обыкновенной слепушонки.
Установлены особенности метаболических реакций трех видов мелких грызунов разной экологической специализации на обитание в зоне ВУРСа.
У обыкновенной слепушонки впервые изучены метаболические реакции на обитание в зоне ВУРСа.
Впервые показана динамика метаболического гомеостаза мелких грызунов из зоны ВУРСа в зависимости от времени разобщения с радиоактивной средой (при содержании отловленных животных в виварии).
Впервые определен вклад исходных параметров метаболизма и концентрации Sr в костной ткани мелких грызунов в формирование стратегии физиологической адаптации к радиоактивной среде обитания.
Теоретическое и практическое значение. Выявление различий исходного уровня метаболизма у мелких грызунов разной экологической специализации и особенностей метаболических реакций на обитание в зоне ВУРСа являются вкладом в комплексный анализ биологических последствий радиоактивного загрязнения окружающей среды и механизмов адаптации к неблагоприятным факторам. Сформированный комплекс биохимических показателей может быть использован для тестирования функционально-метаболических изменений при хроническом радиационном воздействии и прогнозирования путей и стратегий адаптационных процессов. Материалы диссертации используются в Институте органического синтеза им. И.Я. Постовского УрО РАН для изучения механизмов действия вновь синтезированных медикаментозных средств коррекции физиологического состояния облученных млекопитающих и человека.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Радионуклидное загрязнение среды обитания в зоне ВУРСа вызывает
существенные сдвиги показателей метаболического гомеостаза у грызунов
разной экологической специализации (малая лесная мышь, красная полевка,
обыкновенная слепушонка).
2. Особенности метаболических реакций трех изучаемых видов грызунов на
обитание в радиоактивной среде базируются на различиях в исходном уровне
метаболизма, концентрации Sr в костной ткани животных и формируют
стратегии физиологической адаптации.
3. Выраженные метаболические сдвиги, являющиеся лишь частью
морфофункциональных изменений при данном уровне радионуклидной
нагрузки, недостаточны для изменения сформированных в процессе эволюции
видовых особенностей гомеостаза.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Всероссийских конференциях молодых ученых в ИЭРиЖ УрО РАН в 2002-2008 гг.; на международной научной конференции «Экологические проблемы горных территорий» (Екатеринбург, 2002); III международном симпозиуме «Механизмы действия сверхмалых доз» (Москва, 2002); III съезде физиологов Урала «Актуальные проблемы иммунофизиологии» (Екатеринбург, 2006); IV молодежной научно-практической конференции «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (Озерск, 2007); международной
конференции «Радиоэкология: итоги, современное состояние и перспективы» (Москва, 2008); IV съезде физиологов Урала (с международным участием) (Екатеринбург, 2009); III международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (Томск, 2009); международной конференции «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, 2009).
Личный вклад автора. При непосредственном участии автора собран и обработан весь необходимый материал, проведена статистическая обработка данных и проанализированы полученные результаты, осуществлена подготовка к печати научных работ, освещающих итоги проведенных исследований.
Публикации. По теме диссертации было опубликовано 18 печатных работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы, включающего 494 наименования, из которых 65 на иностранных языках. Объем работы составляет 172 страницы, содержит 16 таблиц и 27 рисунков.
Радиоэкологическая характеристика района исследований
В результате интенсивного развития атомной промышленности с начала 50-х годов прошлого столетия постепенно возрастает радиационный фон биосферы Земли за счет поступления в нее техногенных радионуклидов. Наиболее ощутимый вклад в загрязнение биосферы вносят такие отрасли, как добыча и переработка ядерного топлива, атомная энергетика, ядерные взрывы мирного и военного характера, захоронение радиоактивных отходов. Урал отличается мощным развитием атомной промышленности с использованием ядерных технологий (Изучение вклада..., 1998; Булатов, 1996; Радиоактивные беды..., 2000; Урал. Радиация..., 2004).
Радиоэкологическая обстановка в Южно-Уральском регионе определяется, прежде всего, деятельностью ПО «Маяк». Наибольший вклад в загрязнение территории внесла Кыштымская авария 1957 г., а также ветровой перенос радиоактивного ила и песка с берегов оз. Карачай в 1967 г., выбросы радионуклидов из организованных источников ПО «Маяк» (Заключение комиссии..., 1991).
Кыштымская авария. В 1957 г. в результате взрыва емкости хранилища жидких радиоактивных отходов в окружающую среду было выброшено около 740 ПБк (20 млн. Ки) радиоактивных веществ, из которых более 10 % поднялось в атмосферу и было рассеяно в окружающей среде по мере прохождения радиоактивного облака. Осаждение радионуклидов из облака, перемещающегося под действием ветра в северо-восточном направлении, привело к загрязнению части территорий Челябинской, Свердловской, Тюменской областей. Общая площадь (15-23 тыс. км2), подвергшаяся радиоактивному загрязнению, получила название Восточно-Уральский радиоактивной след (ВУРС) (Радиационная авария..., 1989; Заключение комиссии..., 1991; Последствия техногенного..., 2002). В момент взрыва примерно 66 % радиоактивной смеси изотопов в выброшенном материале были представлены 144Се+ 144 Рг (периоды полураспада, соответственно, 282 дня и 17.5 минут); 24.9 % - Zr + Nb (периоды полураспада, соответственно, 65 и 37 дней); 5.4 % - 90Sr +90Y, (периоды полураспада, соответственно, 29.1 года и 60 часов).
Исключительно важное радиобиологическое значение имело присутствие в составе смеси долгоживущего стронция, что и предопределило длительную опасность этого радиоактивного загрязнения (Никипелов и др., 1989; Романов, Воронов, 1990; Алексахин и др., 1993).
Ветровое рассеяние радиоактивного ила и песка с берегов озера Карачай произошел в 1967 г. Озеро с 1951 г. использовалось ПО «Маяк» для хранения жидких отходов со средним уровнем активности. Комплекс метеорологических условий зимы-весны 1966-1967 гг. (недостаточное количество атмосферных осадков в течение зимы, ранняя и сухая весна, наличие сильных порывистых ветров) привел к рассеянию порядка 2.2-10 Бк радионуклидов, содержащихся в донных отложениях озера, на расстояние до 75 км. Изотопный состав смеси радиоактивных веществ включал в себя 90Sr и 90Y - 34 %, 137Cs - 48%, 144Се и 144Рг - 18 %. Загрязненная ветровым рассеянием в 1967 г территория в основном совпала с пострадавшей в результате аварии 1957 г. (Заключение комиссии..., 1991; Последствия техногенного..., 2002).
Организованные выбросы радионуклидов в атмосферу ПО «Маяк» производил через трубы высотой 150 м (25 шт.), предназначенные для рассеивания радионуклидов на значительные площади. Активность проходивших через трубы бета-излучающих нуклидов составляла в середине 50-х гг. 3.7-1012 Бк/сутки, в середине 60-х гг. - от 3.7-109до 3.7-1010 Бк/сутки, далее на 1-2 порядка величин ниже к середине 70-х. Пик организованных выбросов совпал со временем Кыштымской аварии (Последствия техногенного..., 2002).
К 1991 г. загрязнение территории ВУРСа на 99.3 % было обусловлено Sr (Заключение комиссии..., 1991). В настоящее время плотность загрязнения почвы этим радионуклидом в 6 км от эпицентра аварии составляет 29000 кБк/м2, в дальнейшем она постепенно снижается прежде всего с увеличением расстояния от источника загрязнения (Современное состояние..., 2008), на расстоянии 100 км от источника загрязнения содержание 90Sr в почвах составляет 70 кБк/м2, что более чем в 20 раз превышает уровень контрольных значений, принятых по Уральскому региону (Радионуклиды в зонах..., 1998; Анализ современного..., 2007).
Являясь остеотропным элементом, 90Sr концентрируется в значительных количествах в скелете позвоночных животных, тогда как лишенные кальцинированных образований беспозвоночные животные накапливают этот радионуклид незначительно. Основным фактором, определяющим накопление 90Sr животными, является концентрация его в почве. При одинаковой плотности загрязнения почвы кинетика скелетного депонирования 90Sr у отдельного животного зависит от индивидуальных, видовых и экологических особенностей, таких как специфика пищевого рациона, интенсивность обмена вещества, размер животного, его возраст, продолжительность проживания в биоценозе, подвижность, степень участия в размножении (Ильенко, Романов, 1967; Ильенко, Покаржевский, 1972; Ильенко, 1974, Ильенко, Крапивко, 1989; Стариченко, Любашевский, 1993; Экологические последствия..., 1999; Тарасов, 2000).
Малая лесная мышь
Малая лесная мышь является наиболее многочисленным видом на исследуемых нами участках ВУРСа и фоновой территории (Популяции млекопитающих..., 1993; Мелкие млекопитающие..., 2007). Это позволило собрать достаточное количество материала для получения информации о влиянии радиоактивного загрязнения среды обитания на состояние метаболического гомеостаза организмов. На примере этого вида в данном разделе представлены особенности ответных реакций исследуемых показателей в зависимости от пола животных, года отлова, времени содержания отловленных животных в виварии.
Уровень углеводного обмена у лесных мышей, отловленных на территории ВУРСа, более высокий, чем у животных фонового участка. Установлена более низкая концентрация глюкозы в плазме крови, более высокая активность глюкозофосфатизомеразы в эритроцитах при постоянном уровне гликогена печени (табл. 5). Результаты показывают более выраженный, чем в контроле, расход глюкозы в тканях в качестве источника энергии для функциональной активации, а также направленность метаболизма на восстановление запасов углеводных резервов (глкжонеогенез). Такие изменения в организме животных характерны для хронического стресса и направлены на сохранение энергетического потенциала тканей и органов при длительном воздействии неблагоприятных факторов окружающей среды (Mayer, Rosen, 1977; Панин, 1978; Калашникова, Фадеева, 2006).
Повышенный уровень окисления глюкозы в тканях животных из радиоактивно загрязненной среды отмечен в работах (Биохимические механизмы..., 1997; Устинова, Рябинин, 2005) и свидетельствует о более высокой, чем в контроле, активности лактатдегидрогеназы в печени и миокарде. Выявленные сдвиги также соответствуют эффектам, наблюдаемым Таблица 5 - Показатели углеводного обмена в тканях малой лесной мыши, отловленной на контрольной и загрязненной радионуклидами (ВУРС) территориях (результаты ковариационного анализа)
Показатели Скорректированные средние Средний квадрат F (1.76)
Контроль ВУРС MSB MSR Концентрация глюкозы в плазме крови, мг% 130.0 80.6 46116.0 353.63 130.4
Активностьглюкозофосфатизомеразы в эритроцитах, пКат/мг гемоглобина 233.8 395.2 491641.4 584.60 840.9
Содержание гликогена печени, мг/г массы тела 3.93 3.95 0.008 0.010 0.08
Примечание - полужирным шрифтом выделены статистически значимые (р 0.05) различия при облучении животных в лабораторном эксперименте (Кендыш, Федотова, 1967; Пегель и др., 1970), что авторы связывают с изменениями гормонального фона, обусловленного активацией секреторной функции поджелудочной железы и стимулирующим действием глюкокортикоидов на процессы глюконеогенеза в организме.
Показатели липидного обмена в тканях малой лесной мыши контрольной и загрязненной радионуклидами территорий представлены в табл. 6. В печени, надпочечниках и плазме периферической крови животных ВУРСа выявлено увеличение концентрации как общих липидов, так и вторичных продуктов их перекисного окисления (МДА). В миокарде на фоне повышения продукции ПОЛ наблюдается, напротив, снижение концентрации общих липидов. Полученные изменения в исследованных органах следует рассматривать с учетом специфики выполняемых функций и роли липидного метаболизма в их реализации. Рост общих липидов и продукции ПОЛ в печени отражает усиление в гепатоцитах процессов утилизации жирных кислот, освобожденных в процессе липолиза жировой ткани организма, и их последующую трансформацию, которая осуществляется по перекисному механизму при активном участии митохондриальных и микросомальных структур клетки (Гепатоцит..., 1985; Mortensen, 1980; Fawcett, 1981; Osmundsen et al., 1991).
Сравнение радиационного воздействия на показатели исходного уровня метаболизма у трех видов мелких грызунов
Методы многомерной статистики позволили сравнить уровни ответных реакций у трех видов грызунов на обитание в зоне ВУРСа, оценить их изменчивость в зависимости от степени радиационной нагрузки и особенностей эволюционно сформировавшихся исходных параметров метаболизма.
Для сравнения уровней отклонений метаболического гомеостаза красной полевки и малой лесной мыши был использован дискриминантный анализ. Биохимические показатели, включенные в модель пошагового дискриминантного анализа, представлены в табл. 15. Полученная модель обеспечила 100 % верную классификацию особей. Положение исследованных выборок в пространстве двух дискриминантных канонических функций представлено на рис. 24. Изменчивость по первой дискриминантной канонической функции (DCF 1) объясняет 79 % межгрупповых различий, по DCF 2-13 %, по DCF 3-8 %.
Дисперсионный анализ указывает на зависимость DCF 1 от видовой принадлежности (Р=0.93; рО.0001) и отсутствие - от радиационного фактора ((3=0.15; р 0.10). Следовательно, значение DCF 1 определяет межвидовые различия вне зависимости от среды обитания мелких грызунов (рис. 25). DCF2 связана, как с радионуклидным загрязнением среды ф=0.42; р 0.001), так и с видовой принадлежностью ф = 0.30; рО.001). Эта функция характеризует различия в стратегиях физиологической адаптации у двух видов к условиям ВУРСа, обусловленных исходными особенностями гомеостаза.
1. У трех экологически различающихся видов мелких грызунов (красной полевки, обыкновенной слепушонки, малой лесной мыши) установлены различия исходного уровня метаболического гомеостаза, сформировавшиеся в процессе эволюционного развития:
- для малой лесной мыши установлен средний уровень энергозатрат на функциональную активность клеток и тканей при высокой белок-синтезирующей активности;
- для красной полевки характерны выраженные энергозатратные механизмы приспособительных реакций, направленные на высокую функциональную активность клеток и тканей в результате интенсивного использования углеводных и липидных резервов в окислительном метаболизме при низком уровне белок-синтезирующих процессов;
- у обыкновенной слепушонки определены ресурсосберегающие механизмы с ограниченным использованием углеводных и липидных резервов в окислительном метаболизме, ведущие к низким уровням функциональной активности и белок-синтезирующих процессов.
2. Выявленные особенности метаболического гомеостаза изучаемых видов грызунов в зоне ВУРСа базируются на исходном уровне метаболизма и влияют на формирование стратегий физиологической адаптации к радионуклидному загрязнению среды:
- для малой лесной мыши на базе исходно высокого уровня метаболических резервов и низкой напряженности функционирования клеточно-тканевых систем формируется стресс-реализующая стратегия адаптации с увеличением вклада липидов в окислительные, энергообразующие, процессы и повышением функционирования клеток и тканей;
- для красной полевки на базе исходно низкого уровня метаболических резервов и белок-синтезирующих процессов, высокой напряженности функционирования клеточно-тканевых систем формируется гипобиотическая стратегия с ограничением вклада липидов в окислительные, энергообразующие, процессы и снижением функциональной активности;
- для обыкновенной слепушонки характерен более широкий диапазон метаболических реакций на обитание в зоне ВУРСа с признаками гипобиотической, как у красной полевки, стратегии физиологической адаптации и стресс-реализующей, как у малой лесной мыши.
3. Установлена зависимость стратегий физиологической адаптации от концентрации 90Sr (обыкновенная слепушонка), что исключает влияние различий в исходном уровне метаболизма. Более низкая концентрация 90Sr определила стресс-реализующую стратегию, более высокая концентрация гипобиотическую.
4. Показана зависимость выраженности ответной метаболической mреакции на радионуклидное загрязнение от пола животных, года отлова, их численности (малая лесная мышь). Реакция показателей более выражена в годы высокой численности (2005, 2006 гг.), особенно у самцов.
5. Снятие радионуклидной нагрузки в результате содержания животных в виварии (малая лесная мышь) приводит исследованные показатели метаболического гомеостаза к исходному уровню, что указывает на отсутствие генетически закрепленных изменений изученных показателей и свидетельствует в пользу фенотипической составляющей адаптационного процесса.
6. Выраженные метаболические сдвиги, являющиеся лишь частью морфофункциональных изменений при данном уровне радионуклидной нагрузки, недостаточны для изменения сформированных в процессе эволюции видовых особенностей гомеостаза.
