Введение к работе
Актуальность проблеми. Экологический подход к изучению физиологических изменений, происходящих в результате взаимодействия организмов с окружающей средой, имеет в настоящее время первостепотаое значение.
Совокупность биотических и абиотических факторов в сочетании с антропогешыми "корригирующими" воздействиями определяют экологические условия обитания видов л структуру экологических нии в целой /Дхиллер, I98S; Моиаков, 1988/.
В Тезисах Центрального Комитета ІШСС к XIX Всесоюзной партийной конференции подчеркивалось: "Одна из первостепенных забот - активизация усилий по охране природной среды, осуществление комплекса кер по кардинальному улучшении экологической обстановки в стране".
В отой связи изучение физиолого-бкохимических механизмов, обеспЕчиважцих поддержание целостности биологических макросистем (организм, популяция, биоценоз) и реализация их адаптивных свойств в динамических условиях существования - важнейшая и актуальная социально-экологическая проблема, имеющая конкретный практический выход.
Биоиндикация влияния комплекса антропогенних факторов па экосистема - один из путей ее разрешения /fechubert, 1985/. В настоящей работа обоснована возможность применения неспецифической биоиядияации - содержания ензимов ключевых рэакпии пластического обмена - (ферментов пентозофосфатного пути иетабо-яизма углеводов - ШП) - для геггегралшой характеристики поиу-ллциогаюго гогдаостаза разлйздгьк видов гедробионтов в естественных условиях их обитания. Своеобразно условия обитания гид-робиоитов, комплекс их эколого-фаэнодогйческих особенностей пр«?дъятшя»зт к биохимическим регуляторним механззиан отих яя-всткмх особые трзбоваяяя, направленные па оптимизация уровня Функционирования адаптиаак систем организма, обеспечение его генеостпза и гомеоккнеза /Проссер, 1977; Хочачка, Соноро, 190Э/, В згогі отнояении вєсоілш окапиваетеп вклад ІйП, осуще-
ствляккций б организме гсмеостатическую регуляцию баланса фос-- форклировашшх Сахаров, обеспечивающий прямо или косвенно целый ряд аизненно важных метаболических отправлений и опреде-лящий в значительной степени величину биотического потенциала популяций на различных уровнях экологической интеграции /Za-nttiit.-Nev/nholme, 1976; Sado, Ногі, 1976, 1978; Горбач, I960; Кудрявцева, 1989/. С появлением Ш1 в эволюции Метаболические механизмы, обеспечивающие биоэнергетические и био-синтетичеепие запросы клетки, были четко разграниченн /Лабо-ри, 1970; РЬапв et ai., I960; Wood, 1985; Колотилова и др., 1938/.
Проблема изучения эколого-физиологических особенностей ИМ и тканях гидробионтов приобретает особую актуальность кнеино в связи с эволюционной древностью этого обменного процесса, являвшегося, по существу, одним из первых окислительных полиферменгных спетой иногоклеточных организмов. Однако фактические материалы свидетельствуют о ва&ности и вмзете с тем о шло изученности ШП, его кішизіда и механизмов регуляции g їкшїях низших яивотннх организмов. Не расшифрованы эколого-физиологические особенности функционирования и не определена роль окислительных и нєокислиїєльннх ферментативных подсистем П5П в адаптация* гидробионтов различной гаксонокическоЯ принадлежности Kait в их естественных условиях обитания, так к в условиях напряжения организма, визваниого воздействием стресс -факторов различной природа.
Анализ около ro-фкэиологнческих закономерностей фуикцио-гшрогмикя ІЙЛ и его обгдебиологической роли в адаптациях водных вивотиых - необходимое звено в системе управления процессом оптиаизапди взаимодействия природных сообществ с окруяа-iBisfi средой в период ускорения научно-технического прогресса.
Цаль й задачи исследования. Цельв настоящей работы явилось проведение сравнительного аколого-Йиохиыического анализа ШП в ткалях гидробионтов различного уровня оболюцкоииой ор-Гйядаацкя, ездвлсиив экояого-физиологмчэсккх особеиносгей и роли IRQ в едоптиинях водних анвотних, а также определений
соотношения окислительных и неокислительных реакций ПФП в тканях ітідробиоіітов р широкої! систематическом диапазоне для количественной характеристики популлционного гсмеостаза и физиологического диапазона толерантности различных видов гидробион-tod в естественных условиях их обитания и в условиях воздействия антропогенных и экологических стрессоров.
Цель исследования достигалась последовательным решением следующих конкретних задач, заключающихся в изучении:
-
активности ферментов ПМ и урогня эндогенных метаболитов ІНП и гликолиза в тканях гидробионтов сообщества обрастаний, некоторых водных беспозвоночных и низших водных позвоночных в естественных условиях"их обитания, с учетом систематического положения и экологии видов;
-
активности ферментов ІШ1 на отдельных этапах онтогенеза некоторых видов гидробионтов;
-
регуляторних механизмов Ш>П у водных животных на оснований сравнительного анализа некоторых моликулярно-кинетичес-ких характеристик глгжозо-6-фюсфатдегидрогенаэу и транскетола-зы и расчета величины пентозного коэффициента (ПК);
-
внутриклеточной топографии ферментов ЩІ;
-
влияния сезонкой цикличности, температуры, ионного гоиосстазз, зитропогенных и экологических стрессоз на уровень активности ферментов ІШІ и величину ПК в мышечной' ткани гидробионтов;
-
возможности использования величины ПК в качество не-специфического биоиндикациснного параметра при сравнительной оценка биоиндикаторных и адаптивных свойств отдельных популяций гидробионтов з условиях действия абиотических п антропогенних стрессов;
-
роли простагландинсв з регуляции энергетического и пластического метаболизма гидробгантоз сообщества обрастаний.
Научная новизна, теоретическое и практическое еиачение работ». I. Впервые проведено систематическое изучение эколо-ro-фитнологических особенностей функционирования П5П метаболизма углеводов в тканях гидробионтов различного урошя эво-
_ 4 -
люциошіой организации.
Рассмотрены в сравнительно-биохимическом аспекте закономерности становления и функциональной организации окислительных и неокислительных реакций ІЇШ в различных популяциях водных беспозвоночных и низших позвоночных животных.
Эти материалы имеют специальное теоретическое значение для гидробиологии, эволюционной экологии, биохимии и физиологии и могут служить основой для построения детализированной картины формирования "эволюции функции" /Крепе; 1979/ путей метаболизма углеводов.
2» Впервые определена активность одновременно окислительных и нсокислнтелькых ферментов Шй в тканих гидробионтов в широком систематическом,диапазоне, что дополняет наши представления о становлении ПШ ь онто- и филогенезе животных организмов и позволяет сформулировать и обосновать положение о возрастании в процессе оволвции функциональной роли иеокисли-тельного звена ШЛ как основного поставщика и регулятора фонда пентоз.
3. Впервые получены материалы о корреляции'соотношения
скоростей окислительных и неокислительных реакций ІЕЛ в мыше
чной ткани гидробионтов с уровнен их эволюционного развития.
Эти данные обсуждаются с эколого-физиологических позиций и обосновывает представление о распространении П$П в еивоишх тканях как о филогенетической признаке, характеризующем определенные этапы функциональной и биохимической эволюции отдельных филетических линий, что моает быть использовано при разработке биохимических основ зоосистекатихи.
4. На основании полученных экспериментальных материалов
рассчитана величина отношения активности фермента глюкозо-б-
фосфатдегидрогбиази к общей пентоэофосфатмотаболизирущей ак
тивности в кишечной ткаин гадробионтов и вперсые введено оп
ределение "пентозинй коэффициент" (ПК) как относительный бко-
^дкклциукиый параметр.
Ь. Ёпор№с доказано, что величина ПК является количест-ычжии ffsrrr-ptif у для характеристики понуляцкоиного гомоостазп
различных видов гидробионтов и определяет их биотический по-.тенциал. Расчет величины ПК в комплексе с экологическими наблюдениями может быть использовал в качество интегрального критерия, характеризующего состояние гидробнонтов и окружающей их среды mv.i в естественнее, так и в культивкруешх популяциях.
6. Установлено, что ШП играет особо важную роль в адап-
тациях гидробнонтов сообщества обрастаний, являясь наиболее
уязвимым эвеном метаболизма, контролирующим репродуктивные и
ростовые процессы.
Эти материалы, в сочетании с эколого-физиологическими данными, могут определять стратегию борьбы с биоповрелщения-ми. Рассчитанные величины ПК дія обитателей этого сообщества, занимающего одну экологическую нишу, являются надежным, чувствительным и ранним биоиндикационным параметром метаболического состояния популяций обрастателей, что может быть использовано в борьбе с морскими обрастаниями (например, при сравнении эффективности биоцидов противообраетаищих покрытий и
ДР.).
-
Получены материалы о роли ГЙП в адаптация* низших водных позвоночных (ланцетники, круглоротые, рыбы), что иксе? принципиальное значения для понимания становления и оценки функциональной значимости окислительной и неокислителыюй ферментативных подсистем П$П в эволюции подтіша позвоночных в целом. Знание особенностей протекания реакций ГОП в тканях р*б необходимо для грамотного управления шіастическшз обменом рыб и успешного репеяия задач разведения и выращивания пресноводных и морских рыб в условиях искусственных водоемов, для интенсификации промышленного рыбоводства.
-
Изучены особенности функционирования ІШ при акклима-ции гидробнонтоя к абиотическим факторам среды (сезонность, температура, ионный состав вода). Сделано заключение, что величина ПК отряжает физиологическое состояние гидробнонтов, та адаптивные возможности. Вычисленные значения ШС рекомендуется і:пгюлі.повг»ть при разработка я^^гя'.-^тг: нірмлтгвов дин??".',кч
изменений обменных процессов в экосистемах и при создании научных представлений о гомеостазисе, "емкости" природных экосистем к антропогенным воздействиям, способности их к само- -восстановлению экобиологического равновесия.
9. Изучен микроэлементный состав мышечной ткани некото
рых пресноводных гидробионтов.
Полученные материалы на фоне нарастающего загряанения окружающей среды представляют специальный интерес для гидробиологии и экологии, в плане выявления нових индикаторных объектов для мониторинга химических загрязнений, нормирования предельно допустимих концентрация загрязняющих веществ, санитарно-гигиенического нормирования продуктов промысловой малако- и ихтиофауны, а также для оценки экологической емкости водных экосистем, режимов и норн сброса отходов промышленных производств.
10. Определено количественно содержание просгагландинов
(суммарно) в тканях некоторых видов черноморских гидробион
тов сообщества обрастаний и проанализированы возможные меха
низмы влияния простагландкнов серий Е и F на реакции ПФП и
ключевые реакции энергетического* метаболизма в мкаечной тка
ни отдельных видов гидробионтов. Сделан вывод, что простаг
ландини являются тонкими-регуляторами биохимических взаиио-
связе*1. популяций гидробионтов в сообществе обрастаний, регу
ляторами соотношеншт окислительных и неокислительннх реакций
дал и величины ПК.
Полученные новые экспериментальные материалы позволяют считать простагландини мощными гуморальными факторами регуляции углеводно-фосфорного обмена гидробионтов, что необходимо учитывать при использовании этих физиологически активных соединений в гидробиологии, сельском хозяйстве, ветери-нчрии к медицинской практике.
Основные теоретические положения диссертации могут быть кслэльзошшм при чтении студентам следующих лекционных курсов: "Процесс» управления в сивых схстиупх", Теории адаптации", *Ися<м<уляричя гидробиология", Т>иохимическпя экология?
Внедренные в лабораторную практику собственные методические разработки, связанные прожде всего с техникой определения величини ПК, могут быть применены в научно-исследовательских работах, проводимых в области экологии, гидробиологии, физиологии и биохимии.
Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы, доложенп и одобрены на Всесоюзном симпозиуме "Энергетические аспекты роста и обмена водній животных" (Севастополь, 1972), на Ш и ІУ съездах Всесоюзного биохимического общества (Рига, І97Л; Ленинград, 1979), на У и УІ Всесоюзных совещаниях эмбриологов (Ленинград, 1975; Москва, 1981), на II, Ш, ІУ Всесоюзных симпозиумах "Пентозофосфатинй путь превращения углеводов, его механизмы и регуляция" (Львов, 1975; Гродно, 1978; Калинин, 1934), на III Объединенном симпозиуме биохимических обществ ГДР и СССР (Берлин, 1975), на Всесоюзном симпозиуме "Общие механизмы клеточішх реакций на повреждающие воздействия" (Ленинград, 1975), на Международном симпозиуме по биохимии митохондрий (Одесса, 1976), на Ш, ІУ, У Всесоюзній конференциях по зкологкческой физиологии и биохимии рыб (Киев, 1976; /страхань, 1979; Севастополь, 1982), на I Всесоюзной конференции "Простагландини в эксперииенте и клинике" (Москва, 1978), на П Всесоюзной конференции "Вопроси ршшого онтогенеза рыб" (Севастополь, 1970), на III Всесоюзной конференции по биохимии мышц (Ленинград, 1978), на Всесоюзном симпозиуме "Окислительные ферменты животной клетки и регуляция их активности" (Горький, 1978), на 13 Всесоюзном съезде физиологов (Алма-Ата, 1979), на Всесоюзном совещании "Растительноядные рнбн в промышленном производстве" (Ташкент, I960), на Всесоюзном симпозиуме "Простагландини и кровообращение* (Ереван, 1900), на УІ Всесоюзной конференции Прибалтийских республик, СССР и Ленинграда (Ормаїа, 1901), на УІ Всесоюзной конференции по экологической физиологии (Сыктывкар, 1982), на I Всесоюзном биофизической съезде (Москва, I9G2), на I и П Всесоюзном симпозиуме "Синтез и исследование простагландипов" (Рига, 192; Таллин, ТОГ'б), на П Пгр«'«зном симпозиуме "Прошо-
- Є -
аирование а прикладной физиологии" (Фрунзе, 1984), на Всесо-' юзной конференции "Современные проблемы эволюционной биохимии и происхождения жизни" (Петрозаводск, 1984), на Республиканской научно-практической конференции "Скрининг в системе интенсификации научных-исследований" (Уфа, 1986), на Ш Всесоюзной иколе физиологов (Уфа, 1988).
Публикации. Основные материалы и положения диссертации освещены в монографии "Пенгозофосфатный путь обмена углеводов и его регуляция" (под ред. проф. В.А. Бароненко) и в 47 статьях.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 385 страницах машинописного текста (включая указатель литературы) и состоит из введения, 0 глаь, заключения, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. Список литературы включает 416 наименований, в том числе отечественных -177, иностранных - 239. Работа иллюстрирована 50 таблицами и 53 рисунками,