Тканевый уровень эффектов

Отмеченные выше экотоксические эффекты в клетках неизбежно реализуются на тканевом уровне. Живой организм способен поддерживать свою целостность, несмотря на то что он находится в состоянии постоянного самовозобновления. Этот процесс осуществляется за счет клеточного деления. Любая биологическая система этого уровня должна иметь самоподдерживающийся резервуар недифференцированных (незрелых) клеток — предшественников функционально зрелых, выполняющих важнейшие физиологические и биохимические функции в организме. Незрелые клетки лишь поставляют зрелые, когда последние в силу естественных или вызванных внешним воздействием причин истощаются и погибают.

Гибель организма вызывается в первую очередь не тем, что зрелые клетки перестают функционировать, а тем, что организм недостаточно снабжается функционально зрелыми клетками. Когда орган или ткань перестают в полном объеме выполнять необходимые функции, отмечается снижение количества зрелых клеток ниже допустимого уровня.

В 1906 г. И. Бергонье и Л. Трибандо сформулировали правило, определяющее чувствительность клеток к действию ионизирующей радиации. Сегодня установлено, что это правило полностью определяет клеточный ответ и на действие других токсических факторов среды. Правило гласит: «Ткань тем более радиочувствительна, чем более не дифференцированы морфологически и функционально ее клетки, чем активнее они метаболически и чем дольше они остаются в активной стадии пролиферации, т. е. чем большее число делений они должны совершить на пути от самого юного предшественника до зрелой функциональной клетки».

Таким образом, отдельная функционально зрелая клетка даже после относительно больших доз токсиканта живет и выполняет свои функции. Если орган состоит из зрелых клеток с очень низкой, практически нулевой скоростью обновления (клетки нервной системы), то он выдерживает достаточно большие дозы, а такая система резистентна.

Известно, что период обновления клеток крови (лейкоциты) у человека длится не более 3—7 суток, желудочно-кишечного эпителия — 8—10 дней, кожных покровов — 14 суток, скелета — 7 лет.

Наиболее детально сегодня изучена реакция клеточных систем человека в случае воздействия радиационного фактора. Подобное явление широко используется в радиотерапии онкологических заболеваний. Можно отметить несколько синдромов реакции млекопитающих на острое лучевое воздействие.

Костно-мозговой синдром. Реакция организма обусловлена высокой радиочувствительностью стволовых клеток, количество которых и их пролиферативная способность сильно подавляются при радиационном воздействии. Пул делящихся-созревающих клеток также истощается как в результате прямой гибели, так и в силу снижения интенсивности митоза, а также за счет слабого поступления предшественников из стволовых клеток. Созревающие и функционально зрелые клетки относительно резистентны и продолжают выполнять свои функции в течение некоторого времени. Однако истощение элементов крови через несколько дней ведет к вторичным последствиям (анемия, инфекции, кровоточивость, снижение уровня фибриногена и др.).

Желудочно-кишечный синдром связан с истощением эпителия тонкого кишечника. В системе «крипта — ворсинка» клетки ворсинок более резистентны, однако имеют малый период функционирования (у человека порядка 10 суток, у крысы — 2 суток). Задержка митоза в криптах намного продолжительнее, чем в костном мозге. Следствием поражения кишечного эпителия является нарушение баланса жидкостей и электролитов в организме, расстройство питания, инфекции. Еще одним синдромом лучевого поражения выступает нарушение системы сперматогенеза и астрального цикла, также характеризуемых высокими темпами пролиферации.

Картина крови, будучи одним из наиболее лабильных показателей состояния клеточно-тканевого уровня, остро реагирует на воздействие химических агентов. Чаще всего при характеристике картины крови большинство авторов ограничивается определением концентрации гемоглобина и гематокрита. Интерес к этим показателям понятен, поскольку снижение уровня гемоглобина, связанное с сокращением доли зрелых эритроцитов за счет их преждевременного разрушения под влиянием токсических факторов и с последующей утилизацией поврежденных эритроцитов, создает дополнительную нагрузку на печень. Заметим также, что функциональная недостаточность системы транспорта кислорода в организме приводит к «экстренному выбросу» в периферическую кровь большого количества не успевших созреть эритроцитов из костного мозга.

Анализ картины крови у рыжих полевок, обитающих в градиенте химического загрязнения, показал, что данные о числе эритроцитов на всех участках (9,0—10,1 млн/мл) статистически неразличимы. В то же время у зверьков с максимально загрязненных территорий выше концентрация гемоглобина, рассчитанная на единицу площади поверхности эритроцита. Есть основания утверждать, что этот показатель в большей степени отражает дыхательные свойства гемоглобина, чем его общая концентрация в крови.

У полевок реакция на загрязнение кроветворных органов выражена в достоверном снижении клеточности селезенки с 4,4 млн/г на фоновой территории до 1,4 млн/г на импактной (р < 0,05). При этом клеточность костного мозга в том же градиенте возрастала с 410 до 560 тыс./г (Мухачева и др., 2004).

Е. А. Бельским и соавторами (2005) отмечено достоверное изменение показателей красной крови птенцов мухоловки-пеструшки, обитающей в градиенте химического загрязнения среды в районе Среднеуральского медеплавильного комбината. Наблюдается снижение среднего уровня гемоглобина у птенцов в условиях загрязнения. Это ведет к угнетению дыхательных процессов, а также к общему ослаблению организма, вследствие чего у птенцов на загрязненных территориях отмечена анемия. По данным этих авторов, в импактной зоне средняя концентрация гемоглобина в крови снижается более чем на 11%, кроме того, доля анемичных птенцов в шесть раз превышает контрольный уровень.

На рис. 6.8 показано распределение птенцов из зон с различной токсической нагрузкой по содержанию гемоглобина в крови.

Установлено, что в контрольной выборке 95% особей имеют концентрацию гемоглобина не менее 91 г/л. Этот уровень гемоглобина можно принять в качестве нижнего предела нормы. При уменьшении уровня дыхательного пигмента ниже этого уровня диагностировали анемию. Анализ распределения птенцов по содержанию гемоглобина в крови позволил установить долю анемичных птенцов в разных зонах токсической нагрузки. В буферной зоне отмечено 26,9% таких особей, в импактной — 31,1%, различия с фоновой выборкой достоверны при р < 0,01 (Лугаськова и др., 2005). Сравнительный анализ этих параметров у птенцов и родителей выявил достоверные различия во всех зонах токсической нагрузки. Так, содержание гемоглобина у птенцов меньше, а число функционально неактивных эритроцитов больше, чем у взрослых птиц.

Рис. 6.8. Распределение птенцов мухоловки-пеструшки по содержанию гемоглобина в крови в фоновой (7), буферной (2) и импактной (3) зонах токсической нагрузки (по: Лугаськова и др., 2005).

Исследователи проследили аналогичное изменение показателей красной крови птиц при иных стрессовых воздействиях. Снижение уровня гемоглобина в крови отмечали у чаек (Larus), зараженных паразитами, истощенных и подвергшихся воздействию нефтяного загрязнения; у перепелов (Coturnix coturnix) при отравлении пестицидами, у птенцов сороки (Pica pica L.) и береговой ласточки (Riparia riparia L.), зараженных личинками Protocalliphora, а также у птенцов воробьиной пустельги (Falco sparverius L.) и скворца обыкновенного (Sturnus vulgaris L.) в США в условиях загрязнения среды тяжелыми металлами и мухоловки-пеструшки в Швеции. При этом гематокрит во многих случаях не изменяется, что свидетельствует о высоком потенциале процессов кроветворения, позволяющих компенсировать снижение дыхательной функции крови.

Лабораторные опыты показали, что многие другие металлы (особенно такие высокотоксичные, как кадмий), накапливаясь в печени и почках, существенно влияют на интенсивность кроветворения, обменные процессы и функционирование дыхательных ферментов. В частности, повышенные уровни металлов в крови вызывают гемолиз эритроцитов и разрушение гемоглобина. Необходимость компенсации этих потерь приводит к интенсификации эритропоэза, в случае недостаточности которого в периферической крови появляется большое число незрелых эритроцитов. Эти признаки наряду с гипертрофией печени и селезенки, по мнению ряда ученых, служат диагностическими признаками гемолитической анемии.

Слабее изучены изменения в составе белой крови птиц. В зоне сильного загрязнения не отмечено существенных сдвигов в средних показателях лейкоцитарной формулы птенцов, что может объясняться гибелью части ослабленных особей на ранних стадиях развития: смертность гнездовых птенцов в импактной зоне в 1,7 раза превышает контрольный уровень (Бельский и др., 2005).

У птенцов в зоне умеренного загрязнения среднее содержание в крови эозинофилов и лимфоцитов повышено, а псевдоэозинофилов и базофилов понижено по сравнению с фоновой территорией. Эозинофилия у птенцов отмечается и в импактной зоне. На загрязненных участках наблюдается сдвиг лейкоцитарной формулы влево. Так, доля юных псевдоэозинофилов от общего количества этих клеток увеличивается с 6,1% в контроле до 10,4% вблизи источника выбросов (Бельский и др., 2005).

При анализе системы крови остромордой и озерной лягушек, обитающих в водоемах, подверженных различному уровню химического загрязнения, показано, что кровь сеголеток лягушки остромордой (Я. arvalis) (морфа striata) из загрязненных стаций имела бледно-розовый цвет и содержала достоверно большее количество предшественников эритроцитов (70,8 ± 5,7%), чем у сеголеток из чистых местообитаний (51,2 ±3,7%) (Вершинин, 2004). Эти и другие изменения системы крови автор объясняет исходным полиморфизмом популяций амфибий (различная доля особей полосатой морфы).

Нарушение меристематических тканей. Апикальная меристема главного корня и побега проростков у растений может использоваться в качестве тест-системы для характеристики действия любого стрессового фактора, оцененного по процессам повреждения инициальных клеток, нарушению общей функции меристемы, подавлению регуляторных связей в зонах меристемы, задержке митозов, образованию хромосомных аберраций (Holsten et al., 1965; Kiefer, 1971).

Избыточные количества соединений Pb, Zn, Си, Со, As вызывают замедление или продление числа делений клеток и изменение количества делящихся клеток, повреждение механизма растяжения клеток, задержку или ускорение дифференциации проводящих элементов (флоэмы и ксилемы) и связанного с этими явлениями процесса одревеснения их оболочек (Слепян, 1980). Механизм тератологических изменений связан с высокой активностью рибонуклеазы и ядерного хроматина.

Характерной особенностью реакции меристем на физическое или химическое стрессовое воздействие являются некрозы — летальные поражения клеток, приводящие к изменению организации апекса, нарушению его внутренней структуры. При повреждении апикальных меристем могут наблюдаться процессы восстановления за счет деятельности латеральных образовательных тканей (Глазурина, 1979; Гродзинский и др., 1973; Просянникова, 1998; Iqbal, 1969; Kreibig, 1960).

Изменение покровных тканей. Устойчивые к тяжелым металлам виды характеризуются мощным развитием эпидермиса. В условиях химического загрязнения наблюдается уменьшение размеров устьиц при увеличении их числа на единицу площади (Николаевский, 1979; Клепикова и др., 2002), а также меньшая степень их открытия в дневное время (Чернышенко, 1999).

В качестве примера приведем данные по изменению количества устьиц листовой пластинки береза бородавчатая (Betula verrucosa Ehrh.) и подорожник большой (Plantago maior L.) при их произрастании на почвах, загрязненных тяжелыми металлами (Клепикова и др., 2002; Жуйкова и др., 2010). Исследователи установили, что загрязнение почв Си, Zn Cd, Pb вызывает увеличение концентрации этих металлов в вегетативных органах подорожника большого, а также в пасоке и листьях березы бородавчатой, достоверно снижает количество устьиц на единице площади (рис. 6.9), устьичный показатель и приводит к изменению размеров устьиц (устьица становятся уже и длиннее) (табл. 6.3). Наиболее ярко данный эффект проявляется с абаксиальной стороны. Изменение числа устьиц под действием высоких доз тяжелых металлов, возможно, обусловлено торможением процесса митотического деления. Подобная реакция эпидермального комплекса на химическое загрязнение, оцененная по исследуемому признаку, была показана в работе Е. А. Клепиковой (2000) на примере кульбабы псевдоодуванчиковидной (LeontocLon pseudotaraxaci Schur.) и лебеды раскидистой (Atriplex patula L.).

Рис. 6.9. Зависимость количества устьиц в поле зрения микроскопа от суммарной концентрации металлов в почве (по: Клепикова и др., 2002):

1 — подорожник большой; 2 — береза бородавчатая.

Таблица 6.3

Характеристики эпидермального комплекса Р. major (по: Жуйкова и др., 2010).

В числителе — значения анатомических коэффициентов с адаксиальной стороны листа (М ± т), в знаменателе — с абаксиальной.

У одуванчика лекарственного (Т. officinale Wigg. s.l.) на техногенно нарушенных территориях наблюдается увеличение размеров основных эпидермальных клеток и закономерное уменьшении их числа на единице площади поверхности (табл. 6.4).

Таблица 6.4

Показатели анатомического строения эпидермальной ткани листа Т. officinale (N = 250).

(по: Жуйкова и др., 2010).

В числителе — значения анатомических коэффициентов с адаксиальной стороны листа (М ± т), в знаменателе — с абаксиальной.

Сравнительно-морфологическое изучение устьичного аппарата растений фоновой и техногенно нарушенной территорий выявило, что рост ширины клеток опережает рост длины. Удлиненность устьиц у растений с загрязненных территорий меньше, чем у фоновых. В большей степени это проявляется с абаксиальной стороны листа у растений импактной зоны (р = 0,01). Таким образом, у растений из сильно загрязненных биотопов основные клетки эпидермы и замыкающие клетки устьиц более округлые по сравнению с растениями из фоновой зоны.

Химическая пессимизация среды приводит к нарастанию различий между значениями метрических и меристических признаков эпидермы листа (рис. 6.10). Как правило, максимальное сходство исследуемых параметров эпидермы, а следовательно, общность реакции на загрязнение, характерно для растений с участков импактной зоны. Наибольшие различия в значениях стоматографических признаков показаны между выборками их биотопов фоновой и сильно загрязненной зон.

Рис. 6.10. Дендрограмма евклидовых расстояний, характеризующих близость стоматографических признаков у растений Т. officinale с разных по уровню токсической нагрузки территорий.

Изменение основных тканей. Для многих видов характерно появление в промышленной зоне ряда признаков, которые принято считать индикаторами ксероморфизма, например мелкоклеточность мезофилла. К адаптивным изменениям в зоне загрязнения нефтеперерабатывающих и химических предприятий следует отнести редукцию губчатой паренхимы тополя бальзамического СPopulus balsamifera L.) (Уразгильдин и др., 1998) и ее низкую «вентилируемость» (Чернышенко, 1999), способствующую уменьшению интенсивности газообмена.

В клетках ассимиляционных тканей накапливаются полифенолы, также выполняющие защитную функцию, выражающуюся в способности связывать ионы тяжелых металлов в устойчивые комплексы. В зависимости от места расположения лесных территорий относительно источника загрязнения содержание полифенолов в тканях в среднем увеличивается на 33,1—48,2% — в зоне слабого загрязнения и на 52,1—61,4% — в зоне сильного (Шебалова и др., 2000).

Изменение проводящих тканей. По мере приближения к Северодонецкому промышленному узлу значимо изменяются количество трахеид, их радиальный размер, толщина стенок, ширина годичного кольца (Еремин и др., 1989).

Отмеченные токсические проявления на клеточно-тканевом уровне неизбежно должны отразиться на состоянии живого организма (онтогенетический уровень).

Оценочные средства

Вопросы для подготовки студентов к семинарскому занятию.

• 1. Охарактеризуйте воздействие токсикантов на биомембраны клетки и последствия этих процессов.
• 2. Каково влияние тяжелых металлов на интенсивность фотосинтеза, дыхание, водный обмен, минеральное питание у растений?
• 3. Какие изменения вызывают тяжелые металлы в фотосинтетическом аппарате растений?
• 4. Какие защитные механизмы внутриклеточного уровня включаются у растений, произрастающих в загрязненной тяжелыми металлами среде?
• 5. Охарактеризуйте пределы применимости закона Берганье и Трибандо. Какие ткани организма наиболее чувствительны к токсическим факторам среды?
• 6. Что такое костно-мозговой и желудочно-кишечный синдром?
• 7. Какие показатели крови могут выступать в качестве диагностических при загрязнении среды? Является ли изменение параметров крови специфической реакцией на загрязнение среды тяжелыми металлами?
• 8. Какие изменения наблюдаются в первичных покровных тканях растений при действии токсикантов? С чем это связано?
• 9. Какие изменения основных и проводящих тканей наблюдаются у растений загрязненных тяжелыми металлами территорий?

Типовые задания для текущего контроля успеваемости СК-1:

• 1. Что произойдет с листьями деревьев, произрастающих в условиях повышенного загрязнения атмосферы сернистым газом? Опишите механизм действия сернистого газа, проникающего через устьица эпидермиса в мезофилл листа.
• 2. Иногда в условиях повышенного загрязнения у растений развиваются хлороз листьев, белые полосы на зеленых семядолях типа хлорофильных мутаций viridoalbastriata, viridomaculata, albina, некроз листовой пластинки, листья травянистых растений могут приобретать красно-бурый оттенок и др. Объясните, с чем это связано и каковы последствия этих нарушений для растений.
• 3. Расположите растительные ткани в порядке убывания чувствительности к токсикантам: механические, покровные, ассимиляционные, образовательные. Ответ обоснуйте.

СК-5:

• 4. Объясните, можно ли изменения в фотосинтетическом аппарате растений рассматривать в качестве диагностического показателя загрязненности окружающей среды тяжелыми металлами.
• 5. Объясните, почему в качестве критериев техногенной нарушенности территорий используют показатели крови. Какие показатели крови используют для оценки качества загрязненной среды?
• 6. При изучении реакции растений на избыточные количества сульфата меди в растворе (опытный вариант) методом корневого теста было отмечено уменьшение прироста корней проростков в этом варианте по сравнению с питательным раствором. Объясните, почему прирост корней в опытном варианте был меньше, чем в контрольном.

СК-8:

• 7. Опишите экотоксические эффекты, возникающие на уровне растительных тканей, и сделайте прогноз возможных изменений на уровне организма и на уровне ценопопуляций при дальнейшем увеличении дозы токсиканта.
• 8. Объясните, почему у растений в условиях загрязнения наблюдается уменьшение числа устьиц на единицу площади поверхности листовой пластинки. Какие функциональные изменения в растительном организме это может вызвать?