Біоіндикатори: від шахтарської канарки до домашнього кота

Біоіндикатори: від шахтарської канарки до домашнього кота
Клітка з кисневим циліндром для підтримки життя шахтарської канарки

Канарки, чайки, мідії, дафнії, лишайники, бджоли, коти... Що може бути спільного у таких різних істот? Всі вони — живі індикатори, що попереджають людину про небезпеку.

Коли жити неможливо

Експерименти шотландського фізіолога Джона Скотта Голдейна (1860-1936) з вивчення токсичного впливу різних газів на організм людини навряд чи хтось став би відтворювати. Він перетворив своє тіло на лабораторію: вдихав хлор, метан, вуглекислий і чадний гази, чисті кисень і азот, гірчичний газ, щоразу відзначаючи, як та чи інша сполука впливає на організм. Іноді йшлось про кількості, небезпечні не лише для здоров'я, а й для життя дослідника; проте, на щастя, йому вдалось не повторити долю Карла Шеєле, котрий спробував на смак синильну кислоту.

Однією з рекомендацій Голдейна стосовно безпеки шахтарської праці була пропозиція використовувати як датчики шахтних газів канарок — маленькій пташці потрібно менше газу для смертельного результату. Вона отруюється швидше, ніж середньостатистичний шахтар, який, помітивши, що пташка перестала співати, встигне евакуюватись із вибою, перш ніж вміст газів під землею стане небезпечним і для нього. Зараз пташок у шахтах вже не труять, але датчики чадного газу в шахтах досі називають «канарками». А канарок можна вважати першими біоіндикаторами — організмами, поведінка яких дозволяла людині оцінювати екологічну обстановку.

Крім канарок, такими датчиками чадного газу мимоволі стали домашні коти, які, вдихнувши чадного газу, починали поводитись неадекватно. Приказка «Метушишся як вчаділий» колись звучала трохи інакше: «Метушишся як вчаділий кіт». У 1950-тих роках жителі японського міста Мінамата стали помічати, що місцеві коти поводяться дивно — вони не могли переміститись з точки А в точку Б по прямій, а рухались якимись непередбачуваними стрибками. Потім і деякі люди почали рухатись подібним чином. Причиною «лихоманки танцюючих котів» виявилась присутність метилртуті в стічних водах місцевого хімічного підприємства. Ртутьорганіка накопичувалась в рибі і молюсках, якими харчувались люди і коти, і, знову-таки через меншу масу, останні раніше відчули симптоми ртутного отруєння. Гостре отруєння ртуттю, яке після цих випадків отримало назву «хвороба Мінамата», вразило кілька тисяч чоловік, але, якби лікарі і хіміки не пов'язали 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 аналогічну 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 камінні і деревах, і стадні тварини, наприклад олені. У прісній воді це крихітні дафнії і лососеві риби, в прибережних морських і океанічних водах — мідії, а у відкритому морі — чайки і морські ссавці.

Хороший приклад того, як птахи реагують на зміни в умовах навколишнього середовища, — історія з ДДТ. Так, популяції білоголових орланів і багатьох інших птахів в США скорочувались під час активного використання ДДТ, однак після того, як в 1972 році застосування цієї речовини в США заборонили, чисельність птахів знову почала рости. 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. Ця інформація буває критично необхідною для вирішення екологічних проблем, як сучасних, так, можливо, і майбутніх.

Живі датчики інформують і про інші стійкі забруднювачі — поліхлорбіфеніли, поліциклічні ароматичні вуглеводні, бромвмісні антипірени і фторорганічні сполуки. Також вивчення біологічних видів демонструє вплив на біосферу важких металів, в першу чергу — свинцю, кадмію та ртуті. Біологічні індикатори дають можливість спостерігати не лише забруднення навколишнього середовища, а й 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 для них біологічних видів.

Звичайно, живі датчики не замінять традиційну хімічно-екологічну систему відбору проб і їх лабораторного аналізу. Існують довгострокові кампанії з хімічного аналізу і моніторингу вмісту забруднювачів в зразках повітря, води, ґрунту і льодів. Такі дослідження дозволяють визначити, які забруднювачі присутні в навколишньому середовищі, в якій кількості і звідки вони з'явились, наскільки далеко змогли переміститись 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 гаразд з цими гігантськими ссавцями.

Важливий елемент сучасної біоіндикації — взаємодія з еволюційною і функціональною екологічною геномікою. Довгий час в біомедичних дослідженнях використовували два види, про які була зібрана докладна інформація, — дрозофіли і нематоди Caenorhabditis elegans. Однак швидкий прогрес геноміки дозволив спеціалістам з еволюційної біології, екологам та 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 різноманіття і як, з іншого боку, діяльність людини впливає на ці симбіотичні зв'язки. Такого роду дослідження допомагають зрозуміти, як геноми реагують на зміни навколишнього середовища. Справа в тому, що навіть для найкраще вивчених геномів невідомо, яку функцію виконує близько третини генів, експресію яких не проводили в лабораторних умовах. Спеціалісти вважають, що пора використовувати нові підходи: дізнатись, яким чином умови зовнішнього середовища впливають на гени з невідомою функцією.

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

Дафнії

Дафнії (водяні блохи, Daphnia) — рід планктонних ракоподібних, мешкають в 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 живляться, і рибами, які харчуються дафніями. З 1900-х років, коли почали широко використовуватись 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 в прісній воді.

Одна з найцікавіших властивостей дафній полягає в тому, що вони можуть відкладати два типи яєць, і яйця одного типу здатні століттями зберігатись у стані сплячки в донних відкладах водойм. Дослідники навчились добувати ці сплячі яйця і використовувати вилуплених з них дафній, щоб з'ясувати, як впливають на їх організми і геноми синтетичні речовини, яких ще не існувало, коли яйце було відкладене. Ці дослідження показують, як різні покоління дафній адаптуються до природних і антропогенних змін в кругообізі азоту і фосфору, до появи в екологічних системах синтетичних речовин і кліматичних змін. Результати дозволяють екстраполювати небезпеку речовин, які застосовуються чи плануються до застосування, для інших видів рослин і тварин, зокрема людини. Наприклад, коли вивчали реакцію дафній з озера Міннесоти на пестицид хлорпірифос, що з'явився на ринку в 1965 році, виявилось, що дафнії з яєць, відкладених в доіндустріальну еру (1301-1646 рр.), в 2,7 рази чутливіші до цієї речовини, ніж з яєць, відкладених одразу після початку її масштабного застосування (1967-1977 рр.). Це дозволяє говорити про те, що водяні блохи зуміли виробити толерантність до неї. Дафнії ж, які з'явились зовсім недавно (2007-2011 рр.), коли вміст хлорпірифоса в озері опустився нижче межі визначення, знову втрачають стійкість до цього пестициду.

Чайки

Морські птахи давно служать живими датчиками. Наприклад, сріблясті мартини 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 мартинів — а також яйця товстодзьобих кайр Uria lomvia, кочівних буревісників Fulmarus glacialis, трипалих мартинів Rissa tridactyla, полярних мартинів Larus hyperboreus і чорних кайр Cepphus grylle. Всі ці пернаті, як правило, гніздяться в арктичних і субарктичних регіонах. Зазвичай на роль живих датчиків обирають птахів, які гніздяться відокремленими і доступними для людини колоніями, щоб неважко було брати «проби» і порівнювати результати для представників одного виду, що живуть в різних районах земної кулі.

Одним з головних результатів моніторингу концентрацій найпоширеніших забруднювачів навколишнього середовища, таких як ДДТ, поліхлордифеніли 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 піддавались впливу значної кількості бромвмісних антипіренів, а з 2003 року, після того, як з'явились інші вогнезахисні сполуки, вміст броморганіки різко знижується. Вміст довголанцюжкових фторалкільних похідних в організмі птахів і їх яєць збільшувався з 1975 по 2009 рік, а після взаємної домовленості хімічних компаній про обмеження їх застосування став знижуватись. Що ж стосується вмісту ртуті в яйцях морських птахів, то він зростав з 1975 по 1993 рік, після чого вийшов на плато і припинив змінюватись.

Мідії

В кінці 1960-х років було встановлено, що хлорвмісні пестициди, ртутьвмісні сполуки і продукти нафтопереробки стали серйозною загрозою для мешканців прибережних морських і океанічних вод. Для оцінки стану цих вод намагались використовувати різні види, зокрема омарів, крабів і риб; проте різноманітні особливості поведінки і раціону неспівставних один з одним видів ставили під сумнів відтворюваність результатів і правомірність їх порівняння. У 1975 році спеціаліст 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 вид, здатний розвиватись і в прісних, і в солоних водах. Нарівні з устрицями та іншими їстівними молюсками вони 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 і 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, такі як поліхлорбіфеніли і вуглеводні, 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 лише присутність в 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 камінні і стовбурах дерев. У лишайників немає кореневої системи, вони поглинають поживні речовини безпосередньо з туману, дощу і того, що приносить їм вітер. 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 для біоіндикації 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 почуватись гірше. Початкові дослідження переважно були присвячені прямому впливу на лишайники діоксиду сірки, що виділяється при згорянні кам'яного вугілля. Згодом виявилось, що лишайники також дозволяють відстежувати 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-і 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, збирають і аналізують в лабораторіях проби, щоб визначати ступінь забруднення повітря в тих чи інших областях, виявляти їх причини і за необхідності коректувати 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, зручним для застосування як живі індикатори, — бджоли окультурені, бджолярі піклуються про них, часто в міру цвітіння різних медоносів переміщують бджолині сім'ї з однієї ділянки на іншу, після чого буває складно прив'язати дані про речовини-забруднювачі до якоїсь певної галузі. Однак ці комахи теж роблять свій внесок у вивчення стану навколишнього середовища — для цього аналізують мед.

Масове застосування інсектицидів в сільському господарстві — серйозна загроза для бджіл та інших запилювачів. Наприклад, головні підозрювані в справі про раптове зменшення чисельності бджіл — інсектициди неонікотиноїди, які можуть вражати нервову систему цих комах. Вони впливають на здатність бджіл до навчання, 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 стали застосовувати мікродатчики, які прикріплюють бджолам на спинки, щоб відстежувати переміщення окремих комах від вуликів до медоносів, визначати їх здатність запилювати рослини.

Результати опублікованого цього року дослідження 200 зразків меду з усього світу показали, що в 75% зразків присутній принаймні один з п'яти основних неонікотиноїдів, а в 45% — два і більше. Концентрації пестицидів у меді набагато нижчі за граничне значення, встановлене регуляторами США і ЄС як безпечне для людей, проте в третині зразків було достатньо неонікотиноїдів, щоб завдати шкоди личинкам бджіл.

Отже, можна сказати, що саме навколишнє середовище приходить на допомогу людині розумній, що 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 врятуватись.

 

 

Коментарі

Ввійдіть або зареєструйтесь, щоб залишати коментарі.
Читайте також

Болота — це наземні екосистеми, рівень води в яких знаходиться на або поблизу поверхні впродовж усього вегетативного періоду. Крім того, в період насичення водою ці екосистеми вкриті активною вищою рослинністю. Ще одне визначення боліт — це амфібіальні ландшафти з домінуванням вищої рослинності. «Амфібіальні», тому що організми, які населяють ці екосистеми, повинні бути пристосованими до життя як у воді, так і на суші, оскільки життя в болотах — це щось середнє між наземним і водним способами існування.

X

Вхід

Завантажую...