Автор: admin

Зміст

Вступ

Розділ 1. Загальна характеристика гемоглобінової системи в крові риб та її роль в підтриманні гомеостазу організму

Розділ 2. Стан системи гемоглобіну (крові) за дії екстремальних факторів довкілля (ЛТ посучасним пестицидах, по крові риб), температури, кислотних дощів

2.1 Морфологічні, фізіологічні та біохімічні зміни в організмі гідробіонтів за дії пестицидів

2.2 Ступінь прояву токсичної дії пестицидів на риб залежно від їх концентрації

2.3 Залежність стійкості риб до токсикантів від температури середовища та пори року

2.4 Вікові та видові особливості стійкості та чутливості риб до токсикантів водного середовища

2.5 Вплив гідрохімічних показників при визначенні токсичного ефекту

Розділ 3. Токсикологічна характеристика інсектицидів

Розділ 4. Матеріали і методи досліджень

Розділ 5. Результат теоретичного аналізу даних

Висновки

Список використаних джерел

Вступ

Розвиток сільського господарства та загальне зростання антропічного впливу на водне середовище загострило проблему виживання водних тварин і, зокрема, риб, в умовах пестицидного навантаження. Забруднення внутрішніх водойм, в тому числі рибогосподарських, гербіцидами є одним з лімітуючих чинників функціонування модельних водних екосистем та їх біопродуктивності. У зв’язку з цим вивчення фізіолого-біохімічних механізмів адаптації на рівні обмінних процесів у риб, а також їх енергетичне забезпечення у відповідь на токсичний вплив пестицидів є однією з головних умов розробки ефективних засобів та способів підвищення стійкості організму риб до змінених умов існування.

Знання характеру особливостей надходження, розподілу, накопичення пестицидів в органах та тканинах, біохімічних змін в результаті отруєння може бути використане для пояснення механізмів адаптації риб до токсикантів, виявлення причин загибелі гідробіонтів у природних водоймах та обґрунтування методів контролю забруднення навколишнього середовища.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було структно-функціональні характеристики гемоглобінової системи коропа лускатого (Cyprinus carpio L).

а) вміст Нв та його форм;

б) активність ферменту мет-гемоглобін-редуктази;

в) спорідненість Нв до кисню;

г) швидкість лужної деструкції Нв.

Об’єкт дослідження: короп лускатий (Cyprinus carpio L).

Предмет дослідження: вплив інсектициду „Престиж” на структурно-функціональні параметри гемоглобіну крові коропа у токсичних умовах.

Для досягнення мети вирішувались наступні завдання:

теоретично дослідити морфологічні зміни гемоглобінової системи риб у відповідь на існування в умовах інсектицидного навантаження;

проаналізувати структурно-функціональні зміни в гемоглобіновій системі коропа під впливом токсичних концентрацій інсектициду „Престиж», а саме:

Методи дослідження: спектрофотометричний аналіз (СФ-26).

Розділ 1. Загальна характеристика гемоглобінової системи в крові риб та її роль в підтриманні гомеостазу організму

Головною відмінністю кровоносної системи риб від інших хребетних є наявність одного кола кровообігу і двухкамерного серця, наповненого венозною кров’ю (за винятком двоякодишних і кістеперих).

Серце складається з одного шлуночка й одного передсердя і міститься в навколосерцевій сумці, відразу за головою, за останніми зябровими дугами, тобто в порівнянні з іншими хребетними зміщено вперед. Перед передсердям є венозна пазуха, або венозний синус, зі спадаючими стінками; через цю пазуху кров надходить у передсердя, а з нього — у шлуночок [14].

Кількість крові в риб відносно менше, ніж у всієї іншої хребетної тварин (1,1 — 7,3% від маси тіла, у тому числі в коропа 2,0-4,7%, сома — до 5, щуки — 2, кети — 1,6, тоді як у ссавців — 6,8% у середньому). Це зв’язано з горизонтальним положенням тіла (немає необхідності проштовхувати кров вгору) і меншими енергетичними витратами в зв’язку з життям у водному середовищі. Вода є гіпогравітаційним середовищем, тобто сила земного притягання тут майже не позначається.

Морфологічна і біохімічна характеристика крові різна в різних видів у зв’язку із систематичним положенням, особливостями середовища існування і способу життя. Усередині одного виду ці показники коливаються в залежності від сезону року, умов змісту, віку, статі, стану особей.

Кількість еритроцитів у крові риб менше, ніж у вищих хребетних, а лейкоцитів, як правило, більше. Це зв’язано, з одного боку, зі зниженим обміном риб, а з іншого боку — з необхідністю підсилити захисні функції крові, тому що навколишнє середовище багате хвороботворними організмами.

Кількість еритроцитів у риб коливається в широких межах, насамперед у залежності від рухливості риб: у коропа — 0,84-1,89 млн. /мм3 крові, щуки — 2,08, пеламіди-4,12 млн. /мм3. Кількість лейкоцитів складає в коропа 20-80, у йорша — 178 тис. /мм3. Клітки крові риб відрізняються великою розмаїтістю, ніж у іншої групи хребетних. У більшості видів риб у крові мають і зернисті (нейтрофіли, еозинофіли) і незернисті (лімфоцити, моноцити) форми лейкоцитів. Серед лейкоцитів переважають лімфоцити, на частку яких приходиться 80-95%, моноцити складають 0,5-11%; серед зернистих форм переважають нейтрофіли-13-31%; еозинофіли зустрічаються рідко (у коропових,).

Співвідношення різних форм лейкоцитів у крові коропа залежить від віку й умов вирощування.

Загальна кількість лейкоцитів у крові риб сильно змінюється протягом року, у коропа воно підвищується влітку і знижується узимку при голодуванні в зв’язку зі зниженням інтенсивності обміну [4].

Здатність гемоглобіну крові забирати кисень з води в різних риб неоднакова. У швидкоплаваючих риб — макрелі, тріски, форелі — гемоглобіну в крові багато, і вони дуже вимогливі до вмісту кисню у воді. У багатьох морських придонних риб, а також вугра, коропа, карасів і деяких інших, навпаки, гемоглобіну в крові мало, але він може зв’язувати кисень із середовища навіть з незначною кількістю кисню.

Чутливість риб до змін температури води також пов’язана з властивостями гемоглобіну: при підвищенні температури води потреба організму в кисні збільшується, але здатність гемоглобіну зв’язувати його падає.

Пригнічує здатність гемоглобіну зв’язувати кисень і вуглекислота: для того щоб насиченість киснем крові досягла 50% при вмісті у воді 1% О2, необхідний тиск кисню в 666,6 Па, а у відсутності О2 для цього досить тиску кисню майже вдвічі меншого — 266,6 — 399,9 Па.

Кров, будучи внутрішнім середовищем організму, містить у плазмі білки, вуглеводи (глікоген, глюкоза й ін) і інші речовини, що грають велику роль в енергетичному і пластичному обміні, у створенні захисних властивостей. Рівень цих речовин у крові залежить від біологічних особливостей риб і абіотичних факторів, а рухливість складу крові дозволяє використовувати її показники для оцінки фізіологічного стану.

Кісткового мозку, що є основним органом утворення формених елементів крові у вищих хребетних, і лімфатичних залоз (вузлів) у риб немає.

Кровотворення в риб у порівнянні з вищими хребетними відрізняється рядом особливостей:

1. Утворення клітин крові відбувається в багатьох органах. Вогнищами кровотворення в риб є: зябровий апарат (ендотелій судин і ретикулярний синцитій, зосереджений у основі зябрових пелюстків), кишечник (слизувата), серце (епітеліальний шар і эндотелий судин), нирки (ретикулярний синцитій між канальцами), селезінка, судинна кров, лимфоїдний орган (скупчення кровотворної тканини — ретикулярного синцитію — під дахом черепа). На відбитках цих органів видні кров’яні клітки різних стадій розвитку [12].

2. У кісткових риб найбільше активно гемопоез відбувається в лімфоїдних органах, нирці і селезінці, причому головним органом кровотворення є нирки (передня частина). У нирках і селезінці відбувається як утворення еритроцитів, лейкоцитів, тромбоцитів, так і розпад еритроцитів.

3. Наявність у периферичній крові риб і зрілих і молодих еритроцитів є нормальним і не служить патологічним показником на відміну від крові дорослих ссавців.

4. В еритроцитах, як і в інших водних тварин, на відміну від ссавців є ядро.

Селезінка риб розташовується в передній частині порожнини тіла, між петлями кишечника, але незалежно від нього. Це щільне компактне темно-червоне утворення різної форми (кулястої, стрічкоподібної), але частіше витягнутої. Селезінка швидко змінює обсяг під впливом зовнішніх умов і стану риби. У коропа вона збільшується узимку, коли в зв’язку зі зниженим обміном речовин потік крові сповільнюється і вона скапливается в селезінці, печінці і бруньках, що служать депо крові, теж спостерігається при гострих захворюваннях. При недоліку кисню, перевезенню і сортуванню риби, облові ставків запаси крові із селезінки надходять у кров’яне русло. Зміна розмірів селезінки в зв’язку з періодами посиленої активності встановлено на струмковій і райдужній форелях і інших рибах.

Одним з найважливіших факторів внутрішнього середовища є осмотичний тиск крові, тому що від нього залежить значною мірою взаємодія крові і клітин тіла, водний обмін в організмі і т.д.

Лімфатична система риб не має залоз. Вона представлена поруч парних і непарних лімфатичних стовбурів, у які лімфа збирається з органів і по них же виводиться в кінцеві ділянки вен, зокрема в Кювьеровы протоки.

Гемоглобінова буферна система — сама могутня буферна система крові. Вона в 9 разів могутніше бікарбонатного буфера; на її частку приходиться 75% від усієї буферної ємності крові [17].

Участь гемоглобіну в регуляції рН крові пов’язана з його роллю в транспорті кисню і вуглекислого газу. Константа дисоціації кислотних груп гемоглобіну міняється в залежності від його насичення киснем. При насиченні киснем гемоглобін стає більш сильною кислотою (НнbО2). Гемоглобін, віддаючи кисень, перетворюється в дуже слабку органічну кислоту (Ннb).

Отже, гемоглобінова буферна система складається з неіонізованого гемоглобіну Ннb (слабка органічна кислота, донор протонів) і калієвої солі гемоглобіну Кнb (сполучена основа, акцептор протонів). Точно так само може бути розглянута оксигемоглобінова буферна система. Система гемоглобіну і система оксигемоглобіну є взаємоперетворюваними системами й існують як єдине ціле. Буферні властивості гемоглобіну насамперед обумовлені можливістю взаємодії реагуючих сполук з калієвою сіллю гемоглобіну з утворенням еквівалентної кількості відповідної калійної солі кислоти і вільного гемоглобіну:

Кнb + Н2СO3 → КНСО3 + Ннb.

Саме в такий спосіб перетворення калійної солі гемоглобіну еритроцитів у вільний Ннb з утворенням еквівалентної кількості бікарбонату забезпечує підтримка рН крові в межах фізіологічно припустимих величин, незважаючи на надходження у венозну кров величезної кількості вуглекислого газу й інших киснуло реагуючих продуктів обміну.

Гемоглобін (Ннb), потрапляючи в капіляри легень, перетворюється в окси-гемоглобин (НнbО2), що приводить до деякого підкислення крові, витисненню частини Н2О з бікарбонатів і зниженню лужного резерву крові. Перераховані буферні системи крові відіграють важливу роль у регуляції кислотно-основної рівноваги. Як відзначалося, у цьому процесі, крім буферних систем крові, активну участь приймають також система дихання і сечо-статева система.

В умовах зимового голодування в організмі риб розвивається температурний та ресурсодефіцитний стрес. Відповіддю на нього є збільшення протягом зимівлі в 1,5 рази вмісту еритроцитів та величини гематокриту. Загальний вміст гемоглобіну знижуєтся в 2 рази, що корелює з даними про пряму залежність вмісту гемоглобіну в коропа від температури води. Це пояснюється зниженням в 4 рази активності мітохондріальної δ-АЛС, яка лімітує швидкість біосинтезу гема. Загалом, дані зміни погіршують в період зимівлі забезпечення тканин киснем.

В кінці березня на початку квітня поряд з зниженням в 4 рази вмісту оксиформи гемоглобіну рівень дезоксиформи відносно лютого в 3 рази зростає. Вміст метгемоглобіну при цьому збільшується в 2 рази, що співвідноситься з різким зниженням спорідненості гемоглобіну до кисню. З даними змінами корелює швидкість дисоціації оксигемоглобіну. Максимальна швидкість дисоціації виявлена в жовтні, коли спорідненість є мінімальною, а мінімальна — в червні, коли спорідненість є максимальною. Сезонна динаміка дисоціації оксигемоглобіну підтверджує підвищення спорідненості гемоглобіну до кисню в період зимівлі [6].

Існує взаємозв’язок між підвищенням спорідненості гемоглобіну до кисню, зниженням рівня метформи та зростанням вмісту його оксиформи. Значне зниження вмісту окси — та підвищення кількості метформи гемоглобіну, а також зміщення кривої дисоцації оксигемоглобіну вправо в кінці зимівлі свідчить про розбалансування системи транспорту кисню в цей період.

Оскільки біохімічна адаптація здійснюється як шляхом модифікації макромолекул, так і на рівні регуляторних факторів клітини, вченими досліджено регуляцію функціональної активності гемоглобіну за допомогою АТФ, який є основним модулятором спорідненості гемоглобіну риб до кисню. Протягом зимівлі рівень останнього знижувався в 2 рази, що співставляється с відміченим нами фактом збільшення спорідненості гемоглобіну коропа до кисню. Це узгоджується з зниженням в риб за низьких температур обміну речовин, рухливості, зменшенням споживання ними кисню та активацією гліколізу.

Перебудови енергетичного метаболізму відображаються на функціонуванні системи транспорту кисню шляхом впливу на структурно-функціональний стан гемоглобіну. Однією з суттєвих характеристик останнього є кінетика його лужної денатурації [7].

Найстійкішим гемоглобін є в червні (період активного живлення). Найзначнішою його денатурація є в жовтні та лютому, що є показником низької захищеності молекул від денатуруючих агентів.

В формуванні вищих рівнів структури білків важливу роль відіграють амідні групи. Протягом зимівлі амідованість гемоглобіну підвищується в 2 рази. Амідованість білків плазми крові знижується в середині зимівлі, але зростає з лютого по квітень. Відомо, що з другої половини зимівлі як ендогенне джерело живлення в риб використовуються саме білки, в зв’язку з чим амідування гемоглобіну та білків плазми протягом зимівлі можна вважати засобом їх адаптивного захисту від протеолізу. Додатковим механізмом такого захисту є глікування. Нами виявлено, що в середині зимівлі глікування гемоглобіну знижується, а в березні зростає майже в 3 рази. Білки плазми в часовій динаміці глікуються навпаки. Ввважаємо, що ступінь глікування може бути фактором, який з одного боку за несприятливих умов стабілізує білкові молекули, а з іншого — регулює інтенсивність вуглеводного обміну шляхом вилучення моносахаридів з окиснювального пулу. Збільшення ступеня амідування білків супроводжується зниженням відсотка їх глікування і навпаки. Ймовірно, що за рахунок цього максимально ефективно здійснюється стабілізація гемоглобіну. Одночасно з цим певну роль в захисті гемоглобіну під час зимівлі риб відіграють і сульфгідрильні групи. Проте їх роль, порівняно з описаними механізмами, нижча, оскільки вміст -SH груп протягом зимівлі змінюється мало. Незначну роль в даному процесі відіграє також і метгемоглобінредуктаза еритроцитів, активність якої зимою знижується в 2 рази, що корелює з зростанням вмісту метгемоглобіну.

Компенсаторно-адаптивними реакціями на токсичну дію можна вважати збільшення числа еритроцитів, активацію еритропоетичної активності тканин, зростання активності метгемоглобінвідновлюючої НАДH-залежної метгемоглобінредуктази, одного з основних ферментів блокування окислення гемового заліза [9].

Збільшення спорідненості гемоглобіну до кисню може бути фактором підтримання функціонально необхідного рівня вільного кисню (дія іонів свинцю окремо та спільно з аміаком, іонів цинку, закислення і залуження води, вплив фенолу) та засобом запобігання неконтрольованих перекисних процесів.

Розділ 2. Стан системи гемоглобіну (крові) за дії екстремальних факторів довкілля (ЛТ посучасним пестицидах, по крові риб), температури, кислотних дощів

2.1 Морфологічні, фізіологічні та біохімічні зміни в організмі гідробіонтів за дії пестицидів

Комплексна взаємодія природних явищ, хімічних процесів та людських дій призводить до появи достатньо високих концентрацій пестицидів у поверхневих водах, що викликає занепокоєння через шкідливу дію на водні організми, міграцію у харчових ланцюгах, небезпеку для здоров’я людини. Тому в наш час важливу роль відіграє вивчення біохімічних та фізіологічних показників життєдіяльності гідробіонтів, і зокрема риб, у відповідь на отруєння. Знання характеру змін в органах і тканинах в результаті отруєння може бути використане для пояснення механізмів адаптації риб до токсикантів, виявлення причин загибелі гідробіонтів у природних водоймах та обґрунтування методів контролю забруднення навколишнього середовища [5].

Як відомо, існує матеріальна кумуляція (накопичення в організмі токсичної речовини) та функціональна (викликані токсикантом ефекти). Здатність пестицидів до матеріальної кумуляції описано нами у попередньому розділі. Функціональна ж кумуляція здатна спричиняти морфологічні, фізіологічні та біохімічні зміни в органах і тканинах, проявляючись навіть при дії препаратів, що швидко руйнуються та виводяться з організму. Як відомо, функціональна кумуляція в органічному світі зустрічається частіше, оскільки після кожного попадання отрути в організм зберігаються наслідки попередньої реакції, які, накладаючись на наступну, призводить до появи токсичного ефекту.

До організму риб пестициди потрапляють переважно через зябра, шкіру та можуть захоплюватись з їжею. Токсиканти пестицидної групи мають різний механізм дії. Він залежить від хімічної будови цих речовин і тому єдиної думки по даному питанню не існує. Але особливо шкідливими виявились хлорорганічні сполуки, що обумовлено їх значною стійкістю як у навколишньому середовищі так і всередині організмів тварин, а також різноманітним ефектом дії (токсичний, мутагенний, канцерогенний). Значно більш токсичні, ніж хлорорганічні, фосфорорганічні пестициди. Не настільки токсичні, але дуже шкідливі похідні симм-триазина, сечовини та карбонових кислот.

В результаті досліджень впливу пестициду карбофурану на морфо-функціональний стан яєчників ляліуса (Colisa lalia L) отримані дані, що свідчать про переродження тканини яєчників, появу специфічних атлетичних ооцитів діаметром 80-180 мкм і зменшення кількості зрілих ооцитів, відмічено також порушення структури жовточних гранул. Дослідники спостерігали як гіпертрофовані, так і зморщені ооцити невеликого розміру з дезінтегрованими яйценосними пластинками.

Вивчення токсичного впливу фосфорорганічного пестициду діазинону дозоволило авторам роботи зробити висновок про значні морфологічні та фізіологічні зміни у Melanotaenia duboulayi, що виражались у гіпертрофії та гіперплазії зябер, закупорці кровоносних судин, потовщенні епітелію зябрових пелюсток, посиленні секреції слизу.

При хронічному отруєнні похідними дихлорфеноксиоцтової кислоти у риб спостерігається виснаження організму, атрофія скелетної мускулатури. Перикардіальна порожнина заповнена кров’ю, що майже не зсілася, відмічається жовтушність печінки. При гістологічному дослідженні найбільші зміни відмічені в печінці (застійна гіперемія міжтрабекулярних капілярів, зерниста дистрофія печінкових клітин, в окремих випадках в певних ділянках паренхіми каріо — та плазмопікноз і розпад поодиноких клітин) та міокарді (м’язеві волокна потончені, розрихлені з погано вираженою смугастістю). Субтоксичні концентрації 2,4-ДА при гострому отруєнні викликають у риб зміни в периферійному кровотоці, зниження кількості еритроцитів (на 8,9-18,2%), лейкоцитів (на 22-27%) і в окремих випадках гемоглобіну (до 14%), порушення газообміну (споживання кисню збільшується на 26%) [8].

Широко вивчаються також анатомо-фізіологічні зміни в організмі риб, що живуть в умовах пестицидного забруднення. Зокрема, фосфорорганічний пестицид діазинон викликає у Меlahotaenia duboulayi потовщення епітелію зябрових пелюсток, гіпертрофію та гіперплазію зябер, посилену секрецію слизу та закупорку кровоносних судин. У прісноводного ляліуса (Colisa lalia) токсикація карбофураном викликала атрезію яєчників. В залежності від концентрації пестициду у риб спостерігали ооцити без зародкових пухирців, гіпертрофовані, зморщені ооцити, дезинтеграцію яйценосних пластинок. Відмічено зміни у гістоструктурі центральної нервової системи молоді білуги в результаті хронічного отруєння яланом. При дії інсектицидів на риб та крабів у тварин спостерігали видозміни у будові нервових клітин. Вважається, що найбільш уразливими до дії забруднюючих речовин, зокрема пестицидів, є органи чуття риб, рецепторні елементи яких безпосередньо відкриті у навколишнє середовище: нюх, смак, бічна лінія, що призводить до змін у поведінці риби в умовах токсикозу. Поведінкові реакції можна використовувати як перші ознаки порушення нормальної життєдіяльності отруєних риб.

Відомі також данні про мутагенний та тератогенний вплив пестицидів на ембріональний розвиток осетрових риб, при якому найчастіше спостерігається порушення органогенезу, як правило, ці зміни несумісні з життям. Під час застосування деяких хлорорганічних пестицидів спостерігається також їх ембріотоксична дія на організм риб.

При вивченні біологічної дії пестициду SAN 527 I 240 EW (діюча речовина — тауфлувалінат) виявлено, що при концентрації у воді 48 г/га він пригнічує здатність коропа до виживання.

Для оцінки фізіологічного стану риб під впливом найрізноманітніших чинників середовища останнім часом широко використовують різні групи біохімічних показників, оскільки, застосовуючи біохімічні методи, і, зокрема, методи ензимоіндикації, можна визначити ступінь інтоксикації на самих ранніх стадіях токсичної дії, задовго до загибелі. Вплив пестицидного забруднення водного середовища на активність певних ферментів організму риб досить широко описано у фаховій літературі, крім того, важливим показником токсичності умов навколишнього середовища є кількісний склад певних метаболітів (загального білку, глюкози, лактату, пірувату тощо) в тканинах [4].

Досліджуючи токсичний вплив гептахлору на активність ферментів в організмі мозамбікської тіляпії (Tilapia mossambica L), автори роботи виявили вірогідне збільшення активності кислої фосфатази в зябрах риб та почерговому збільшенню і зменшенню активності ферменту в печінці.

При дослідженні індивідуальної та синергічної дії сублетальних доз пестициду монокротофосу та добрива хлориду амонію на склад протеїнів, глікогену, вільного цукру, кислої, лужної фосфомоноестераз та неспецифічних естераз в м’язах та печінці мозамбікської тіляпії відмічено значне зниження рівня всіх вище перелічених речовин уже після 96 годин експозиції. При цьому, суміш добрива і пестициду виявилась більш токсичною, ніж кожна речовина окремо.

Виявлено також, що фосфорорганічні пестициди діазінон та малатіон пригнічують холінестеразну активність у личинок райдужної форелі, причому ці зміни корелюють зі змінами рухової активності [7].

При вивченні дії сублетальних концентрацій рогора на деякі біохімічні показники кларієвого сома (Claridae), спостерігалось зменшення кількості м’язового глікогену з одночасним збільшенням вмісту лактату. Активність ЛДГ протягом перших 48 годин експозиції різко зростала, а потім (96-192 години експозиції) пригнічувалась Відмічено також зростання активності глікогенфосфорилази у м’язах у відповідь на дію токсиканта.

Під дією пестициду фенитротіону, що широко використовується в сільському господарстві, в концентрації 0,02 та 0,04 мг/л в організмі європейського вугра (Anguilla anguilla L) зменшується рівень протеїну, жирів, глікогену, спостерігається пригнічення енергетичного обміну. Більшість метаболічних порушень не приходить до норми протягом тижня. Автори пов’язують вплив фенитротіону з посиленим синтезом ліпопротеїнів, які відіграють захисну роль, та інтенсивним катаболізмом глікогену в умовах інтоксикації.

Дослідження інших вчених показали, що при витримуванні білого амура (Ctenopharingodon idella Val) у воді з сублетальними концентраціями аметрину (гербіцид), бейлусцину (молюскоцид) та сечовини у плазмі крові риб спостерігається збільшення концентрації глюкози та незакономірні зміни лактату, в м’язах та печінці вірогіднене зменшення рівня глікогену, крім того зростає активність глюкозо-6-фосфатази в печінці [6].

У 1995 році з метою одержання результатів, які б найбільш адекватно відображали вплив антропогенного забруднення на стан молоді осетрових риб (Acipenseridae), були проведені модельні експерименти по вивченню впливу суміші хлорорганічних пестицидів та солей важких металів (ВМ) при передачі їх по трофічним ланцюгам. Як з’ясувалось, рання молодь осетра досить стійка (резистентна) до дії ХОП та ВМ, хоча деякі патологічні зміни все ж таки спостерігались. Така протидія хлорорганічним пестицидам та солям важких металів, на думку дослідників, зумовлена, очевидно, високою інтенсивністю виведення вказаних токсикантів із організму риб. Однак виникнення патологічних змін, з точки зору вчених, не дозволяє вважати осетра достатньо повноцінною та процвітаючою популяцією.

Крім того, високотоксичні пестициди (корбель, фронтьєр, харнес) у сублетальній концентрації викликають у передличинок осетра відхилення в ліпідному обміні. Цікавим виявилось те, що личинки з високим вмістом жиру виявились більш токсикорезистентними.

Як об’єкт для вивчення біохімічних показників під впливом різного роду токсикантів досить широко використовується мешканець наших внутрішніх водойм — короп лускатий (Сyprinus carpio L). При дослідженні холінестерази (фермент, який американські дослідники пропонують використовувати як біомаркер забруднення сільськогосподарських водойм інсектицидами) мозку коропа при дії на його організм фосфорорганічних та карбаматних інсектицидів виявлено майже повне пригнічення активності цього ферменту.

Поряд з цим, порівнявши токсичну дію 13 інсектицидних препаратів на біохімічні показники коропа, відмічено збільшення естеразної та пероксидазної активності на початковій стадії інтоксикації з наступним інгібуванням цих ферментів. При інтоксикації гормоноподібними інсектицидами спостерігається збільшення вмісту малонового діальдегіду в тканинах мозку коропа, що на думку дослідників свідчить про активацію перекисного окислення ліпідів в мозковій тканині.

Відомо, що деякі пестициди можуть викликати зміни у складі крові риб. Зокрема ендосульфан спричиняє зменшення величини споріднення гемоглобіну до кисню, що в свою чергу призводить до зменшення рН крові у зв’язку зі збільшенням в ній концентрації вуглекислоти. Тими ж дослідниками визначено, що отруєння коропа різними пестицидами викликає зміни в концентрації сироваткових білків та їх окремих фракцій, однак направленість цих змін та їх вираженість визначається природою токсиканта та його концентрацією [24].

Дослідження, проведені геологічним товариством США в 1994 році в 13 штатах та окрузі Колумбія, довели чітку кореляцію (зворотно-пропорційну залежність) між рівнем естрогену і тестостерону у риб та концентрацією водорозчинних пестицидів у водоймах. Крім того, пестициди порушують позагенну дію прогестеронів на мейотичне дозрівання ооцитів риб шляхом зв’язування з рецепторами прогестеронів в їх плазматичних мембранах.

Заслуговують на увагу дані, що до впливу на гідробіонтів похідних арилоксиалканкарбонових кислот, а саме групи 2,4-дихлорфеноксиоцтової кислоти (2,4-Д) та триазинів.

Однією з важливих груп гербіцидів для боротьби з бур’янами в посівах злакових культур є арилоксиалканкарбонові кислоти та їх різноманітні похідні. Широкому застосуванню цих речовин сприяє їх помірно-гостра токсичність для теплокровних тварин, риб, планктону та інших об’єктів навколишнього середовища. Однак останнім часом з’явились дані про патологічні зміни, що викликають 2.4-Д та її похідні в організмі риб та інших тварин. Тому вивчення біохімічних змін, що виникають в організмі риб під впливом даних препаратів, дуже важливе.

Так, при дослідженні нирок линів (Tinca tinca L), які знаходились в воді з 2,4-Д, було встановлено, що остання викликає дегенерацію та некроз в усіх відділах системи канальців.

При одночасній дії 2,4-Д та піклорама у сомика (Ictalurus punctatus L) спостерігається посилення активності печінкової етоксирезоруфін-О-деетілази, зменшення концентрації хлоридів у сироватці крові та гепато-соматичного індексу, хоча ці зміни не відмічені у риб при окремій дії кожного з токсикантів.

Відомо також, що 2,4-Д-Na негативно впливає на окиснювальне фосфорилювання (зниження рівня окислювальних процесів і роз’єднання окиснювального фосфорилювання), знижує аденозинтрифосфатазну активність мітохондрій печінки коропа, зменшує виживання ікри та темпи раннього ембріонального розвитку риб, викликає кількісні зміни ліпідних фракцій у скелетній та серцевій мускулатурі коропа. Вивчались також кількісні зміни ліпідних фракцій печінки та плазми крові коропа під впливом натрієвої солі 2,4-Д та патоморфологічні зміни (частковий некроз та переродження у сполучну тканину) в окремих органах коропа (серце, печінка та інш) при гострому та підгострому отруєнні амонійною сіллю 2,4-Д. Відомо, що за дії 2,4-Д-амонійної солі відбуваються зміни в периферичній крові, а також спостерігаються дистрофічно-некробіотичні зміни та розлади кровообігу в печінці та міокарді.

Мутагенна дія похідних 2,4-Д виражена слабо, однак у дослідах на тваринах встановлено ембріотоксичну дію 2,4-Д бутилового ефіру в дозах, що не викликали загальнотоксичної дії [11].

У зв’язку з можливістю надходження пестицидів у рибоводні водойми вивчено токсичність багатьох з них для різних видів риб. Відмічено, що, як і інші токсиканти, похідні 2,4-Д мають різну токсичність та здатність до накопичення для риб різних видів.

Встановлено, що токсичність арилоксиалканкарбонових кислот для риб залежить не лише від виду риби, але й від її віку, температури води та інших факторів. Зокрема, токсичність солей з амінами та ефірів вища, ніж лужних солей препаратів. Особливо висока токсичність емульсій ефірів, що, можливо, пов’язано з наявністю емульгатора, присутність якого, як правило, посилює токсичність погано розчинних у воді органічних речовин. Підвищення токсичності солей з амінами може бути пов’язане з високою токсичністю для риб самих амінів та з високою здатність до проникнення таких солей в організм риби. Зокрема в районі застосування 2,4-Д кислоти в концентрації до 0,2 мг/л відмічена можливість накопичення великих кількостей преперату в трісці (Gadus morhua L) — до 1500 мг/кг тканини, та в рибі-місяці (Mola mola L) — до 500 мг/кг. Лабораторні дослідження Щербакова Ю.А. та Полубояринової І.В. свідчать про гідроліз 2,4-Д бутилового ефіру до 2,4-Д кислоти протягом 9-10 діб. По даним вчених при вмісті в воді 5 мг/л 2,4-Д ефіру на третій день в рибах накопичується 164,3 мг/кг 2,4-Д ефіру і 61,6 мг/кг 2,4-Д кислоти. При наявності у воді ефіру на рівні ГДК в рибах на третій день виявлено 32,4 мг/кг ефіру і 0,66 мг/кг кислоти. Крім того планктон, донні відкладення та водні рослини також здатні накопичувати та тривалий час утримувати препарати групи 2,4-Д.

Що до такого пестициду як зенкор (4-аміно-6-третбутил-3- (метилтіо) — 1,2,4-триазин-5 (4Н) — он) — одного з представників триазинів, то його дію на організми гідробіонтів і, зокрема, риб, вивчено порівняно мало. Є відомості про зміни в складі крові та порушення обміну нуклеїнових кислот у зв’язку зі здатністю заміщувати піримідинові основи [5].

Триазини, загалом, досить токсичні для тварин, що мешкають у водному середовищі. Протягом довгого часу похідні триазинів займають перше місце по об’ємам виробництва та застосування в світовому землеробстві. Потрапляючи у водойми, вони викликають багаточисельні негативні наслідки для гідробіонтів в результаті безпосередньої токсичної дії або в результаті глибокого порушення ланцюгів живлення.

В літературних джерелах описано дослідження негативного впливу симазина разом з хімічними добривами та атразину і діурону на риб і водні екосистеми.

2.2 Ступінь прояву токсичної дії пестицидів на риб залежно від їх концентрації

Як відомо, результати дослідів з визначення токсичності певних речовин для риб визначаються двома найважливішими змінними: концентрацією токсиканту та часом його дії. За умови незмінного часу проведення експерименту, концентрація хімічної речовини відіграє провідну роль у визначенні ступеня прояву токсичної дії та при оцінюванні самого факту шкідливості досліджуваної сполуки для риб. Питання про концентрацію хімічної речовини, при якій вона стає токсичною чи летальною, залишається одним з найактуальніших в токсикології.

При дослідженні змін вуглеводного обміну у білого амура при витримуванні у воді з сублетальною та летальною концентраціями молюскоциду бейлусцину виявлено, що зміни активності ферменту глюконеогенезу — глюкозо-6-фосфатази залежать від кількості токсиканта у воді: при сублетальній концентрації активність ферменту спочатку швидко знижується, а згодом, по мірі адаптації до токсичних умов, збільшується. При дії летальної концентрації даного пестициду спостерігається різке збільшення активності ферменту [26].

Результати досліджень негативного впливу пестициду карбофурана у сублетальній (0,7 мг/л) та середній летальній (1,7 мг/л) дозах на морфо-функціональний стан яєчників ляліуса свідчать про те, що в яєчниках першої групи риб виявлено більший, ніж у риб контрольної групи, вміст ооцитів діаметром 80-180 мкм і менше зрілих ооцитів, відмічено також порушення структури жовточних гранул. У яєчниках риб, яких витримували при концентрації токсиканту 1,7 мг/л, спостерігали як гіпертрофовані, так і зморщені ооцити невеликого розміру з дезінтегрованими яйценосними пластинками.

Вивчення токсичного впливу фосфорорганічного пестициду діазинону у п’яти різних концентраціях дозволило авторам роботи зробити висновок про кореляцію вираженості морфологічних та фізіологічних змін у Melanotaenia duboulayi (гіпертрофія та гіперплазія зябер, закупорка кровоносних судин, потовщення епітелію зябрових пелюсток, посилена секреція слизу) від концентрації токсиканту.

При дослідженні токсико-кінетичних показників фенітротину в організмі європейського вугра, порівнюючи фактори біонакопичення для дослідних риб, які утримувались у розчинах пестициду в концентрації 0,02 та 0,04 мг/л вченими доведено, що швидкість поглинання токсиканту та його кількісний вміст в тканинах риб залежить від концентрації пестициду в розчині. Найвищий фактор біоконцентрації визначено для вугрів, експонованих у 0,04мг/л розчині токсиканту. Крім того, незалежно від концентрації фенітротіону у воді його накопичення в печінці сягало стабільного рівня (0,09-0,10 мкг/г ткани) через 48 годин при вмісті 0,02 мг/л та через 72 години при 0,04 мг/л. Однак при більш високій з досліджуваних концентрацій через деякий час спостерігалось швидке підвищення цього показника (до 0,45 мкг/г тканини). Після переносу риб у чисту воду вони швидко елімінують накопичений пестицид: рівні екскреції були відповідно 0,06 та 0,04 год-1 для вказаних концентрацій речовини. Тими ж дослідниками було проведено ряд експериментів для визначення впливу розчинів фенітротіону у вищезазначених концентраціях на рівень енергетичних сполук (глікогену, протеїну, жиру) в тканинах вугра. Незалежно від концентрації відмічено зниження рівня всіх досліджуваних сполук та зроблено висновок про те, що метаболічні порушення, викликані дією пестициду, не нормалізуються в період відновлення протягом тижня.

Дослідники з Фінляндії перевіряли дію препарату РСВ-77 в дозах 1-100 мкг/л на ембріони райдужної форелі. Накопичення пестициду в ікрі виявлено на третій день експерименту, рівень токсиканту при вихідних дозах в 1 і 10 мкг/л становить 185 та 1221 нг/г відповідно. При дозуванні РСВ-77 100 мкг/л інтенсивність нагромадження пестициду у тканинах виявилась меншою, ніж при нижчих концентраціях, однак на 7 день вона різко зросла. Таку динаміку накопичення РСВ-77 автори пояснюють збільшенням швидкості його метаболізма за участю монооксигеназної системи Р-450-залежної та глутатіон-S-трансфераз.

Крім того, в літературі зустрічаються відомості про зміни локомоторної та соціальної поведінки золотої рибки (Carassius auratus L) у відповідь на дію гербіцидів атразина та діурона в різних концентраціях: 0,1; 1,0; та 10 мг/л.

Російські вчені довели залежність між збільшенням концентрації токсичної речовини і зменшенням часу існування осетрових риб на всіх стадіях розвитку від зиготи до личинки у розчинах пестицидів.

Російськими вченими на прикладі коропових риб досліджено реакції імунної системи на короткочасну та хронічну дію фосфорорганічного пестициду карбофосу, а також вплив забруднення важкими металами та іншими пестицидами на імунну систему різних видів риб.

Дослідженнями останніх років доведено, що препарати 2,4-Д здатні впливати на синаптичні ефекти завдяки зміні ліпідних структур збуджуваної мембрани клітини. При внесенні препаратів 2,4-Д у розчин, що омиває внутрішню поверхню препарату ізольованого нерва жаби (яка, як і риби, належить до пойкілотермних тварин і більшу частину життя проводить у водному середовищі) з сумісно інервованим шматочком шкіри призводить до зміни різниці потенціалів на рівні нейроепітеліальних синапсів. Причому великого значення для визначення величини змін набуває концентрація гербіциду у промивній рідині. Так, при концентрації 0,1 та 1 ммоль різниця потенціалів зазнає змін відповідно на 47,2 та 68,9%.

2.3 Залежність стійкості риб до токсикантів від температури середовища та пори року

Оскільки риби відносяться до пойкілотермних тварин, то вплив температури зовнішнього середовища на ріст, розвиток, інтенсивність інших фізіологічних процесів дуже великий. Крім того, доведено, що різні абіотичні чинники пов’язані як між собою так і з біотичними чинниками. Зокрема, від температури залежить розвиток рослинних і тваринних організмів, якими живиться риба, насиченість води киснем та інш. Тому при вивченні взаємовідносин між концентрацією токсичної речовини і впливом її на організм риб не можна не враховувати температурний чинник, що визначає не лише інтенсивність обмінних процесів, а й рівень чутливості та стійкості риб до токсикантів [39].

Адаптації організму риб до змін температури вивчено досить повно. Є багато літературних джерел, в яких описано комплекс біохімічних, фізіологічних, морфологічних, поведінкових адаптацій, що зменшують екстремальну дію цього фактора середовища. Біохімічні зміни в організмі риб, викликані коливаннями температури, мають велике значення, оскільки у своїх дослідженнях ми вивчали комплексну дію токсикантів і температурного режиму на організм риб.

Пошуки зв’язку термостійкості організму зі складом ферментів — актуальне питання сьогодення.

Досить широко вивчається залежність енергетичного обміну у водних ектотермних тварин від температури. Взагалі вивченню функціонального стану гліколізу та ЦТК в тканинах риб під дією змін температури води присвячено багато робіт, оскільки інформація про стан цих процесів необхідна для розуміння механізмів енергозабезпечення адаптації їх до екологічних факторів, в тому числі й до температури. Зокрема, досліджуючи активність окремих ферментів цих циклів, можна судити про стан протікання відповідних реакцій гліколізу та ЦТК. Для більш повного вивчення температурної залежності регуляції та протікання вищезгаданих процесів, було вивчено зміни концентрації самих метаболітів, таких як піруват, лактат, оксалоацетат, ά-кетоглутарат та малат. Виявлено, що при збільшенні температури водного середовища від 10 до 30˚С в організмі коропа спостерігається перебудова шляхів генерування енергії за рахунок посилення інтенсивності гліколізу і гальмування реакцій ЦТК.

Оскільки температурна аклімація риб суттєво відображається на компонентах обміну аденілових нуклеотидів, що мають безпосереднє відношення до забезпечення організму енергією, відомі також дослідження обміну аденілових нуклеотидів у риб при їх температурній акламації [39].

Багаточисельні дослідження свідчать про зміни в активності аеробного та анаеробного метаболізму при холодовій акклімації. При вивченні механізма температурної компенсації на клітинному рівні було встановлено, що при низьких температурах відбувається збільшення маси мітохондрій (їх відносного об’єму в клітинах чи тканинах). Так, наприклад, у коропа, акклімованого до 2єС, мітохондрії займають 25% об’єму червоних м’язових волокон, а при акклімації до 28єС — лише 14%.

Деякі автори вважають, що холодова акклімація пов’язана зі зміною характеру експресії генів у риб, що мешкають у холодних водоймах. Причому експресія індукується у коропа лускатого при зниженні температури води з 25 до 6˚С, а у даніо-реріо до 12˚С. Активацію експресії виявлено через 2 години після дії холоду з піком через 12 годин.

Як зазначалось вище, температура води відіграє вирішальну роль у визначенні стійкості риб до токсикантів при незмінних концентрації та часу їхньої дії, оскільки сезонні та добові коливання температури, а також перепад температур, викликаний викидами стічних вод, можуть суттєво змінити їх стійкість до токсикантів шляхом зміни інтенсивності обміну. Крім того, дані, накопичені фізіологами та екологами риб про залежність рівня обміну риб від температури, викладені на початку даного розділу, дозволяють зробити припущення про важливу роль температурного фактора у визначенні швидкості та рівня накопичення токсикантів та величини порогової концентрації речовини у водоймі [41].

При дослідженні залежності швидкості розвитку токсичного процесу та часу загибелі піддослідних риб при збільшенні температури на 10є С отримані переконливі дані про зниження стійкості риб до органічної речовини — токсафену у 3 рази.

Вченими виявлено зв’язок між стійкістю риб до отрут органічного ряду та температурою. В роботах перевірявся токсичний вплив фенолу, суміші фенолу та крезолу, а також мета крезолу в температурному режимі від 10є С до 25є С. Результати дослідів свідчать про зменшення тривалості життя піддослідних риб у розчинах токсикантів при підвищенні температури. Крім того, зміни часу існування риб у токсичному середовищі до загибелі неоднакові при підвищенні температури на 10є С в області високих (15-25є С) та низьких (5-15є С) температур: при вищій температурі прискорення загибелі піддослідних риб виражене значно більше. При збільшенні температури середовища сумісно з токсикозом відмічено також змінення таких показників токсикорезистентності, як латентний період інтоксикації, швидкість та процент загибелі тварин.

Виникає питання про вплив попередньої адаптації риб до температури середовища на рівень їх стійкості до отрут. Всупереч очікуванням Лук’яненка В.І. зі співробітниками, час загибелі адаптованих до високої температури риб значно зменшився порівняно з часом загибелі неадаптованих, що кардинально не узгоджується з пропозицією Вінберга Г.Г. стосовно того, що адаптація риб до низьких температур пов’язана з підвищеним рівнем обміну, а до високих — зі зменшенням його інтенсивності.

Деякі автори намагаються дати оцінку впливу токсичних речовин на здатність риб розрізняти різну інтенсивність прояву абіотичних факторів, зокрема температури. При дослідженні дії органічних токсикантів на температурний преферендум струмкової форелі (Salmo trutta morpha fario L), виявлено, що високі концентрації досліджуваних речовин призводили до вірогідного зниження рівня температури, якій риби надавали перевагу, порівняно з контролем. Тобто можна зробити висновки про поведінкові зміни риб у вищезгаданих умовах.

Цікаві дані щодо безпеки використання пестициду базограну для рибоводства надані Махно П. М.: виявляється, що максимально можливі концентрації токсиканту проявляються для коропа різного віку при різних температурах: для малька — при 17-19є С, а для цьогорічки — при 12є С.

Матеріали Першого Конгресу іхтіологів Росії містять дані про тісний зв’язок між температурою води і часом загибелі риб при токсикозі пестицидами (базогран-М та інш): з підвищенням температури збільшується швидкість загибелі осетрових риб.

На думку В.І. Лук’яненка існує необхідність внесення суттєвих коректив в уявлення про роль температурного чинника у визначенні ступеня стійкості риб до токсикозу. Крім того, сезонні особливості метаболізму, його циклічність має неабиякий вплив на токсикорезистентність риб. Ефект зміни температури токсичного розчину проявляється через існуючий у даний момент рівень та направленість метаболізму, що склалися в процесі еволюційного розвитку [41].

Сезонні зміни обміну речовин — питання, що здавна і до сьогоднішнього дня цікавить дослідників. Доведено, що в період зимівлі змінюється хімічний склад м’язів та інших органів риб, ліпідний склад печінки, взагалі відбуваються зміни у ліпідному, вуглеводному та білковому обмінах. Дослідження активності ферментів вуглеводного обміну морських видів риб показали, що у більшості випадків активність ферментів (зокрема ЛДГ та СДГ) зростає в інтервалі природної для Чорного моря температури (5-25˚С), сягаючи максимуму при 25˚С, температурна залежність активності знаходиться у відповідності з термічною екологією виду риб та залежить від періоду річного циклу.

Виходячи із загальнофізіологічних уявлень, можна зробити висновок про неабиякий вплив сезонного фактора на токсикорзистентність риб. Однак, у літературі нами знайдено дуже мало відомостей про нього. Зокрема, Лук’яненко зі співробітниками, досліджуючи токсикорезистентність карасів (Carassius carassius L) у розчинах фенолу різної концентрації дійшли висновку, що різниця у стійкості риб у різні пори року визначається сезонними особливостями у метаболізмі карася і проявляються у деякому зниженні стійкості риб до найбільш високих концентрацій токсикантів у лютому та значному зменшенні часу існування риб при будь-яких концентраціях фенолу у червні. Зазначені відмінності пояснюються, напевно, тим, що взимку у карася рівень обміну речовин значно знижується порівняно з іншими порами року.

2.4 Вікові та видові особливості стійкості та чутливості риб до токсикантів водного середовища

Дослідження ролі вікового чинника у визначенні стійкості риб до отрут важливе для розуміння шляхів впливу токсикантів у природній водоймі на популяцію виду в цілому та на окремі стадії життєвого циклу, а також для вірного розв’язання проблеми біологічного нормування гранично допустимих та мінімальних летальних концентрацій отрут. Надзвичайно велике значення має вивчення вікових особливостей відповіді на отруєння для оцінювання рівня токсикорезистентності даного виду риб, яке автор пропонує проводити в період її максимального зниження та з урахуванням саме цього “вузького» місця у життєвому циклі виду.

Рядом авторів відмічено, що у різних видів риб стійкість до отрут органічної природи, як правило, знижується в процесі онтогенетичного розвитку. Причому мінімум стійкості спостерігається у статевозрілих особин.

Зниження стійкості риб до отрут органічної природи по мірі дозрівання різних функціональних систем, діяльність яких визначає рівень реактивності організму пояснюються авторами діяльністю центральної нервової системи та її синаптичних структур, оскільки токсична дія отрут органічного походження проявляється шляхом порушення її діяльності. Певне значення при цьому може мати і гіпоталамо-гіпофізарно-адреналова система, що відіграє важливу роль у підтриманні гомеостазу. На ранніх етапах онтогенезу постійність внутрішнього середовища та механізми, що її регулюють, не мають належного розвитку, внаслідок чого організм здатний переносити значні відхилення від оптимального рівня [34].

Строганов Н.С. та Пажитков А.Т. висловлюють протилежну точку зору, стверджуючи, що найбільш вразливими стадіями онтогенезу риб є стадії личинки і малька. Подібні відхилення в оцінці стійкості окремих етапів онтогенезу пояснюються, напевне, різною хімічною природою отрут, і, як результат, різним механізмом їхньої дії на організм.

Досліджуючи дію хлорорганічних пестицидів на чахонь (Pelecus cultratus L) в період раннього онтогенезу вчені відмічають вповільнення темпів ембріогенезу, загальмованість ядерних перетворень на стадії гаструли, а також зупинку розвитку в ранній профазі.

При вивченні дії пестициду базограну на коропа різного віку автором виявлено, що найбільш чутливими до токсичного ефекту являються мальки риб. Цьогорічка проявляє вже значно більшу стійкість до забруднення. Так, якщо для малька СК50 становить 460,2 мг/дм3, то для цьогорічки цей показник збільшується у 2,4 рази і сягає 1100 мг/дм3.

Зі збільшенням маси тіла риб в процесі росту та розвитку польськими вченими доведено збільшення вмісту хлорорганічних пестицидів у м’язах.

Дослідження, проведені по визначенню впливу засобів захисту рослин (в т. ч. пестицидів) на ікру та личинки осетрових риб, показали, що найменш стійкими до токсикозу виявились ранні етапи ембріогенезу (від початку дробіння до формування ембріона, особливо стадія гаструляції), найбільш стійка стадія — пульсуючого серця. Далі відмічається невпинне зменшення токсикорезистентності від стадії передличинки до стадії личинки.

Визначення рівня токсичності речовин виявиться неповним без врахування видових особливостей чутливості та стійкості до них риб, вивчення яких має важливе значення для розуміння адаптаційних можливостей різних видів риб, а також для направлених змін складу рибогосподарської водойми у відповідності до можливості потрапляння у них токсикантів [34].

Так, при вивченні порівняльної токсичності 2,3,7,8-тетрахлордибензо-р-диоксину (ТХДД) для семи прісноводних видів риб в ході раннього розвитку, запліднену ікру пімефалеса, канального сома, сига, медаки, чукучана, звичайної щуки та даніо інкубували у воді з різними концентраціями ТХДД. Результати експерименту свідчать про найбільшу з досліджуваних видів чутливість до токсикозу у сига (175 нг/г ікри), найменшу — у даніо (2610 нг/г). Як бачимо, безпечні концентрації у представників різних видів відрізняються майже у 15 разів. Крім того, найбільш чутливим із раніше перевірених видів вчені називають озерного гольця-кристивомера.

При дослідженні токсичності пестицидів (БХС, ДДТ, диельдрину та альдрину) для мішкозябрового сома, коропа і молочної риби виявлено, що мінімальну сприйнятливість до більшості із застосованих речовин проявляє мішкозябровий сом, а максимальну — короп.

На токсикантів гідробіонти реагують по-різному, в залежності від систематичного положення, філогенетичного рівня, віку, статі, функціонального стану, біомаси, чисельності популяції, спадкової схильності, вмісту кисню у воді та багатьох інших факторів. Реакція (відгук) гідробіонтів на вплив токсичних агентів — інтоксикація, або токсичний ефект, тканинному, організм енному та надорганізменному рівнях.

Під токсичним ефектом розуміють патологічні зміни у функціонуванні організму під впливом токсикантів.

Важливе вирішальне значення в процесі інтоксикації гідробіонтів має концентрація токсикантів. Великі концентрації викликають гостру токсичність, яка призводить до загибелі гідробіонтів, у короткий проміжок часу: години, хвилини і навіть секунди. Загибелі тварин, як правило, передують судороги (корчі), гальмування або короткочасне прискорення пересування у воді, зміна положення тіла (у риб — пересування “на боці», положенням черевом догори), асфіксія, “хапання” повітря, вискакування з води. Іноді у тварин змінюється забарвлення тіла [34].

Найнебезпечнішим в екологічному відношенні наслідком накопичення токсикантів у трофічних ланцюгах є підрив плодючості як безхребетних, так і риб, оскільки це веде до поступової деградації гідрофауни, падіння видового різноманіття та зменшення біологічної продуктивності водойм.

2.5 Вплив гідрохімічних показників при визначенні токсичного ефекту

Як показують дослідження суттєве значення для організму риб мають хімічні властивості води, зокрема газовий режим, водневий показник, окисленість, наявністі біогенних речовин, твердість води тощо.

Вивчаючи зміни в організмі риб при адаптації їх до певних гідрохімічних умов автори відмічають, що від насиченості води киснем, величини рН, концентрації вільної вуглекислоти в першу чергу залежить не тільки їх нормальна життєдіяльність але й стійкість до токсикантів. На думку автора, зниження токсикорезистентності риб при дефіциті кисню не залежить від природи отруйної речовини і повністю визначається особливостями дихальної активності організму. Зменшення концентрації кисню у воді викликає складний комплекс порушень діяльності багатьох функціональних систем, деякі з яких мають вирішальне значення у визначенні швидкості проникнення і накопичення токсичних речовин в організмі.

При вивченні сумісної дії змін рН та токсикозу органічними речовинами з’ясувалось, що реакція середовища має два шляхи впливу на організм гідробіонтів: зміни токсичності діючої речовини за рахунок хімічних перетворень, обумовлених кислотністю середовища та змінення інтенсивності обміну і споживання кисню досліджуваними тваринами [12].

При аналізі літературних даних стосовно твердості води прослідковується два можливих шляхи впливу кальцію на стійкість риб до токсикантів: один з них полягає у зміні розчинності токсичної речовини, що призводить до утворення осадів та зниження шкідливості розчинів; другий шлях заключається в тому, що іони кальцію виступають у якості фізіологічних антагоністів (зокрема для важких металів), знижують проникність клітин і зменшують проникнення отрут всередину організму.

Водневий показник (рН) є одним з важливих факторів середовища. Найбільше сприятливо для більшості риб значення рН, близьке до нейтрального. При значних змінах в сторону кислого або лужного середовища зростає кисневий поріг, послаблюється інтенсивність дихання. Можливі границі рН, у яких можуть жити прісноводні риби, при інших рівних умовах залежать від видової приналежності. Найбільш витривалий карась і короп, щука переносить коливання рН у межах 4,8…8,0; струмкова форель — 4,5…9,5; короп 4,3…10,8.

Сольовий склад відіграє важливу роль у житті гідробіонтів. При цьому має значення як сумарна кількість розчинених у воді мінеральних солей, або солоність, так і іонний склад води. По загальній кількості розчинених речовин природні води умовно підрозділяють на 3 групи: прісні, солонуваті і солоні. У групу прісних входять води, що містять до 1 г/л, солонуваті — 1. .15 г/л і в групу солоних входять води із вмістом 15…40 г/л мінеральних розчинених речовин [9].

Чим більше солей розчинено у воді, тим вищий в ній осмотичний тиск, до якого чутливі гідробіонти. Маючи визначений сольовий склад, організми повинні підтримувати його сталість. Для цього в них існують різні механізми, що не тільки підтримують деяку різницю концентрації солей у середовищі і тілі, але і забезпечують стабільність концентрації в організмі окремих іонів і їх співвідношення. У мінеральному живленні риб істотну роль може відіграти захоплення різних іонів клітинами поверхні тіла, наприклад з’єднання сірки, фосфору й інших мінеральних елементів.

Особливе значення для живлення фітопланктону і вищої водної рослинності мають біогенні елементи — азот, фосфор, кремній, залізо й ін. На тваринні організми істотно впливає вміст у воді мікроелементів — кобальту, нікелю, марганцю, міді, цинку, стронцію й ін. Недостатня кількість або їх надлишок приводить до патології в розвитку, отруєнням і нерідко загибелі. Джерелом надходження мікроелементів у рибу є вода, рослинність, природний і штучний корми.

Органічна речовина присутня у воді в розчиненому і зваженому стані. Їх поділяють на автохтонні й алохтонні. Запаси автохтонних речовин поповнюються за рахунок фотосинтезу фітопланктону, макрофітів і хемосинтезу деяких бактерій, алохтонних — за рахунок виносу їх з водозбірної площі, надходження з атмосферними, а також іноді з побутовими і промисловими стоками. Частка розчиненої органічної речовини приблизно в сотні разів більша, ніж органічної речовини в живих організмах і детриті.

Такі легкозасвоювані органічні речовини, як цукри, амінокислоти, вітаміни й інші, мають важливе значення в житті гідробіонтів і в першу чергу в їхньому живленні. До зважених органічних речовин відноситься детрит, що складається з мінеральних і органічних часток, що поєднуються в складні комплекси. Детритом харчуються багато коловерток, ракоподібні, молюски, голкошкірі і багато риб [6].

Від біогенних елементів (фосфатів, солей азотної кислоти, мікроелементів), що забезпечують розвиток фітопланктону, залежить продуктивність водойми. Кількість кисню і вуглекислоти, величина рН, склад і біохімічний стан органічної речовини, а також компоненти сольового складу — наслідок життєдіяльності організмів, тобто результат інтенсивності біопродукційних процесів.

Значний вплив на хімічний склад води створюють кліматичні і гідрологічні фактори, до яких відносяться температура і світло. Ці фактори тісно пов’язані між собою і діють одночасно, викликаючи періодичні зміни в життєдіяльності гідробіонтів. У свою чергу, інтенсивність біопродукційних процесів, викликана цими факторами, позначається на зміні гідрохімічних показників. Змінюючи температуру води, можна активізувати або сповільнювати біохімічні процеси як в організмах, так і у водоймі. На її зміни реагують насамперед, фітопланктон і бактерії. Особливо великі ці зміна в сезонному аспекті.

В життєдіяльності організмів важливе значення має вуглець, азот і фосфор. Саме їх сполуки необхідні для утворення кисню й органічної речовини. Значну роль у круговороті біогенних елементів виконують донні відкладення. Вони є в одноу випадку джерелом, в іншому — акумулятором органічних і мінеральних ресурсів водойми. Надходження їх із донних відкладень залежить від рН, а також від концентрації цих елементів у воді. При підвищенні рН і низкій концентрації біогенних елементів збільшується надходження у воду фосфору, заліза й інших елементів з донних відкладень.

Основними показниками при оцінці інтенсивності біопродуктивних процесів є абсолютний і відносний вміст кисню. Дослідження вмісту кисню, у водоймі використовуються для розрахунків величини первинної продукції і деструкції органічної речовини, що утвориться в основному кормі для всіх гетеротрофних організмів. Не менш важливі дані можна одержати і при аналізі змін рН, вільної вуглекислоти, біогенних елементів, перманганатної і біхроматної окислюваностей, біохімічного споживання кисню (БПК). При цьому особливо важливо знати співвідношення між гідрохімічними показниками, наприклад, між киснем і вуглекислотою, між БПК і окислюваністю, між величиною добової деструкції і та ін. Для характеристики біопродукційних процесів істотне значення мають дані про амплітуду добових і сезонних змін кисню й окислюваності, про вміст біогенних елементів.

У природних водах, там, де процеси ґрунтоутворення і розпаду (мінералізації) органічної речовини збалансовані, величина насичення води киснем, з урахуванням її температури, близька до 100%. Однак у багатьох випадках, насамперед у продуктивних водоймах, фотосинтетичні і біохімічні процеси змінюють цю закономірність [6].

Водойми мають визначену рибопродуктивність, що залежить від сукупності умов, зокрема від кормових ресурсів. У рибництві під природною рибопродуктивністю водойми розуміють сумарний приріст маси риби, отриманий протягом одного вегетаційного періоду з одиниці площі за рахунок природної кормової бази. Виражається ця рибопродуктивність у кілограмах або тоннах на 1 га площі водойми. Величина цього показника не є постійною і змінюється в залежності від якості води і ґрунту, кліматичних і метеорологічних умов, виду вирощуваної риби, її віку, щільності посадки риби. Найбільш високу природну рибопродуктивність мають ставки, розташовані на родючих ґрунтах, що постачаються водою джерелом з родючим водозбором і знаходяться в районах із тривалим вегетаційним періодом. У рибництві за основу приймають середню рибопродуктивність за кілька років.

З кліматичних і метеорологічних умов, що впливають на формування природної кормової бази, на розвиток і ріст риб, найважливішим є температурний режим. Відповідно до кількості днів у році з температурою повітря вище 15 °С територія країни розділена на 7 рибоводних зон. При визначенні природної рибопродуктивності потрібно враховувати не тільки рибоводну зону, але і ґрунту, на яких знаходиться водойма, для цього існує поправочний коефіцієнт. Для середніх за родючістю ґрунтів (підзолисті суглинкові, супіщані, вилужені чорноземи й ін) він дорівнює 1, для малопродуктивних ґрунтів він складає: галові — 0,4, торф’янисті — 0,5, піщані — 0,6, високородючі ґрунти (чорноземи й ін) — 1,2.

Рибопродуктивність, одержувана за рахунок природної їжі, залежить від стану кормової бази ставків і ступеня її використання рибою. Утворення у водоймі природної їжі проходить складним біологічним шляхом. Матеріальну й енергетичну основу всіх наступних етапів продукційного процесу у водоймі складає новотворення органічних речовин з мінеральних у результаті життєдіяльності рослинних організмів.

У результаті росту і розвитку рослинних організмів у водоймах відбувається безперервне новотворення їх біомаси. Рівень первинної продукції, обумовлений фізіологічними властивостями водоростей і факторами середовища, є основним регулятором інтенсивності й ефективності усього біопродуктивного процесу. Біологічне продукування відбувається у формі утворення первинної і вторинної продукції, під якими розуміють відповідно приріст біомаси автотрофів (рослинних організмів) і гетеротрофів (тваринних організмів) [6].

Процес автотрофного живлення гідробіонтів, тобто утворення ними органічної речовини з мінеральних речовин, є єдиним, при якому у водоймі виникає «першоїжа». За рахунок її живуть усі гетеротрофні гідробіонти як рослинноїдні, так і м’ясоїдні. Так, молодь більшості видів риб на ранніх стадіях розвитку споживає водорості, а для деяких видів вища і нижча водна рослинність — важливе джерело живлення протягом усього життя.

Таким чином, усі живі організми водойм утягуються в процеси круговороту речовин, який включає наступні ланки: синтез органічної речовини у водоймі і надходження органічної речовини у водойму з водозбірної площі; розкладання органічних речовин у водоймі (мінералізація); споживання і перетворення розкладених речовин бактеріальними, рослинними і тваринами організмами; споживання живих організмів, що синтезують органічну речовину з неорганічної.

Утворення органічної речовини у водоймах відбувається в процесі фотосинтезу зеленими організмами планктону (водоростями і зеленими бактеріями) і бентосу (нижчими і вищими рослинами), а також у процесі хемосинтезу бактеріями.

Зелені рослини, що беруть участь у процесі фотосинтезу (діатомові, зелені, синьозелені й інші водорості), вимагають для свого розвитку визначених умов — наявності біогенів і мікроелементів, а також певної температури. Так, діатомові водорості розвиваються звичайно при температурі 16…18 °С. Синьозелені водорості з’являються при більш високій температурі, при наявності фосфору до 0,02 мг/л і азоту до 0,08 мг/л води. Зелені водорості вимагають великої кількості азоту.

У водойму також надходять органічні речовини. Їхня кількість залежить від характеру водозбірної площі, клімату, ґрунту, рослинного покриву, характеру господарської діяльності людини. Органічні речовини, що надійшли з донних відкладень і з водозбірної площі, а також організми, що розмножилися при фотосинтетичній діяльності і згодом відмирають (фітопланктон, макрофіти, фітобентос), розкладаються і перетворюються при участі бактерій і найпростіших. При цьому мікроорганізми не просто руйнують органічну речовину, а перетворюють її, переводячи у більш доступний стан для живлення тварин. Одночасно протікають і процеси деструкції, у результаті яких у воду надходять біогени, необхідні для розвитку водоростей. При слабкій утилізації органічна речовина осідає на дно водойми, поглинає велику кількість кисню, погіршує кисневий режим. В міру нагромадження у водоймах невикористаної органічної речовини відбувається старіння екосистем. Воно відбувається повільніше, якщо основними продуцентами органічної речовини є планктонні водорості. Однак і при інтенсивному розвитку фітопланктону, але слабкому його споживанні рослинноїдними безхребетними, значна частина первинної продукції також залишається недовикористаною і відкладається на дні водойми. Таким чином, оцінка продуктивності водойми, проведена тільки по величині первинної продукції, може привести до помилок, оскільки значна частина органічної речовини випадає з продукційних процесів і може негативно впливати на їх протікання [9].

Рис 1. Процес круговороту речовин у водоймі (а) і частка риб у загальній біологічній продукції і біомасі природних водойм (б): І — співвідношення різних видів біологічної продукції, ІІ — співвідношення біомаси, 1 — фітопланктон, 2 — бактерії, 3 — зоопланктон, 4 — донні організми, 5 – риба.

Велике значення у водоймі мають бактерії, гриби і мікрозоопланктон (інфузорії, безбарвні жгутикові та ін). Річна продукція бактерій може досягати десятків і сотень грамів сирої маси на 1 м2. Величезну роль відіграють у вторинному продукуванні організми мікрозоопланктону і мікрозообентосу, зокрема найпростіші. У водоймах інфузорії в масі розвиваються слідом за наростанням біомаси бактерій, що починається після відмирання фітопланктону. Маючи величезну чисельність і високу інтенсивність продукування, інфузорії створюють біомасу, часто близьку до тієї, котру утворюють у водоймах всі інші тварини. Подальший хід круговороту речовин йде за участю тварин, що харчуються водоростями, сапрофітними бактеріями, грибами і тваринами інших видів [6].

Розділ 3. Токсикологічна характеристика інсектицидів

У зв’язку з необхідністю всебічної оцінки симптомів отруєння риб різного роду органічними речовинами, що використовуються у сільському господарстві, виникла потреба вивчення впливу їх на фізіологічний стан та обмін речовин цих гідробіонтів у токсичних умовах.

Як відомо, протягом багатьох років у сільському господарстві використовується велика група органічних речовин для боротьби з шкідниками сільськогосподарських культур, бур’янами тощо. Згодом ці речовини потрапляють у водойми, викликають отруєння риб, що, в свою чергу, зменшує рибопродуктивність водойм та може спричиняти захворювання людини при споживанні рибопродуктів. Тому, вивчення особливостей обміну речовин у риб в токсичних умовах необхідне, перш за все, для всебічної оцінки симптомів отруєння риб.

Інсектициди — хімічні препарати для захисту рослин від шкідливих комах. Певні комахи суттєво знижують, а в деяких випадках можуть повністю знищити врожай сільськогосподарських культур. Живлячись вегетативними чи генеративними органах рослин, крім прямого зменшення врожаю і його якості, шкідливі комахи і кліщі є джерелами розповсюдження вірусних і грибкових захворювань рослин.

Інсектициди використовують для захисту рослин від таких шкідливих комах. Контролюючи шкідників інсектициди допомагають попередити втрати врожаю і покращити його якість. Основні культури, де використовують інсектициди — зернові, плодові, овочеві культури і картопля [31].

Серед органічних речовин, що викликають явно виражений токсикоз у риб, виділяють інсектициди, гербіциди та пестициди, широке використання яких у сільському господарстві та інших областях, на думку дослідників, поставило перед токсикологами риб нові завдання: вивчення біохімічних показників життєдіяльності риб у відповідь на отруєння, характеру особливостей надходження, розподілу, накопичення пестицидів в органах та тканинах, біохімічних змін в результаті отруєння, що може бути використане для пояснення механізмів адаптації риб до токсикантів, виявлення причин загибелі гідробіонтів у природних водоймах та обґрунтування методів контролю забруднення навколишнього середовища.

Нерегламентоване застосування великого арсеналу засобів хімізації, більшість з яких є чужорідними для природи продуктами, викликає багато несприятливих наслідків: захоплені з сільськогосподарських земель пестициди з водою, грунтом та повітрям являють потенційну небезпеку для навколишнього середовища та здоров’я людини.

Комплексна взаємодія як природних явищ, так і хімічних процесів, а також людських дій призводить до появи достатньо високих концентрацій пестицидів у поверхневих та підземних водах, що викликає небезпеку для людини та шкідливу дію на водні організми. Тому в наш час важливу роль відіграє вивчення тих біохімічних показників життєдіяльності гідробіонтів, і зокрема риб, які виникають у відповідь на отруєння.

Дослідженню шляхів та джерел потрапляння пестицидів до природних і штучних водойм, а також шляхів їх міграції присвячено багато робіт як вітчизняних, так і закордонних дослідників. Зокрема встановлено, що значна частина пестицидів може потрапляти у водойми з поверхневим стоком, із стічними водами промислових підприємств, які виробляють пестициди, а також із стоком, що утворюється у сільському та лісовому господарстві після миття тари, устаткування, транспорту тощо, з колекторно-дренажними та зрошувальними водами, в які додавали гербіциди, а також з атмосферними опадами при великій площі водойм, особливо під час пилових бур. Для знищення шкідливих комах, смітної риби тощо пестициди іноді спеціально вносять у воду [31].

Крім того, велику увагу при розрахунках можливих кількостей пестицидів, що потрапляють на так звані „нецільові” об’єкти, треба звертати на спосіб внесення хімічної речовини у грунт, або обробки рослин. Зокрема, при застосуванні пестицидів шляхом обприскування речовина осідає на поверхні рослин і грунту на території, що обробляли, поза зоною обробки і розноситься вітром на значну відстань від місця внесення. Так, Попович Н.А. в своїй роботі наголошує на тому, що внесення гербіциду 2,4-Д натрієвої солі при посівах пшениці за допомогою дощувальної установки супроводжується втратою 15-20% препарату.

В роботах радянсько-американського симпозіуму, присвячених поведінці пестицидів та хімікатів в навколишньому середовищі, Бейкер Дж.Л. висловлює думку, що співвідношення факторів міграції пестицидів залежить від того в якому вигляді використовується препарат (гранули, водні розчини та інш), методу обробки, кількості внесення пестициду на одиницю площі, кліматичних особливостей, сільськогосподарської культури, що обробляється.

Крім того, встановлено, що з грунту пестициди можуть виноситись не лише поверхневим, колекторним стоком і дренажними водами, а ще і ґрунтовими водами, що спричиняє забруднення водойм та підземних вод.

Також не останнє місце посідає забруднення води і грунту в результаті негерметичності поховань непридатних до використання пестицидів.

Найбільша кількість препаратів представлено фосфорорганічними сполуками, на другому місці знаходяться похідні карбамінової кислоти (14%), на третьому — галогенорганічні сполуки (11%) [31].

За токсичністю для теплокровних тварин препарати фосфорорганічної групи варіюють від першого до четвертого класу небезпеки, але майже всі вони характеризуються низькою стійкістю в об’єктах навколишнього середовища. Більшість препаратів розкладається в рослинах, ґрунті і воді до нетоксичних метаболітів на протязі періоду, що не перевищує один місяць. Вони не накопичуються в організмі тварин, хоча можуть викликати незворотні патологічні зміни у внутрішніх органах. При дотриманні регламентів застосування не утворюють токсичних залишків в продуктах врожаю. Серед фосфорорганічних інсектицидів є препарати всередині рослинної дії, що захищають культуру від заселення шкідниками довгий час (хлорофос, метафос, карбофос, метатіон, фозалон, фосфамін та ін. некондиційні препарати).

Інсектициди на основі похідних карбамінової кислоти володіють різною персистентністю і токсичністю для теплокровних тварин. Однак вони більш стійкіші, ніж фосфорорганічні сполуки, довгий час зберігаються в рослинах і ґрунті і потенційно небезпечні як забруднювачі продуктів врожаю.

Хлорорганічні інсектициди в міру своєї стабільності здатні до довгострокової циркуляції у біосфері і можуть являти собою загрозу для наземних і водних екосистем. Використання найбільш шкідливих препаратів (дилдрин, ендрин, гептахлор, ДДТ та ін) заборонено [7].

Усі інсектициди в тій чи іншій мірі є небезпечними для екосистем ксенобіотиками [10]. Застосування їх приводить до загибелі величезної кількості тварин як у районах, що обробляються, так і в сусідніх. Як правило, це трапляється при розсіюванні інсектицидів над лісами, завдяки чому гине значна кількість орнітофацин — до 87%. Розсіювання з літаків і вертольотів на великих територіях подібні до масового знищення тварин, що проживають у цих лісах [15].

Інсектициди знищують до 80% комах-запилювачів, через що їхня кількість значно зменшилась, що негативно позначається на врожайності вирощуваних культур. Ентомофауна ґрунтів і боліт оброблених районів значно постраждала за часів СРСР — загальна чисельність популяцій тварин зменшилась на 40%, тобто пестициди пригнічують біологічну активність ґрунтів, внаслідок чого знижується їх природна родючість [8].

Обробки інсектицидами проти шкідників викликають побічну дію на фауну безхребетних живих агроекосистем, в тому числі на ґрунтову біоту, що має важливе значення в ґрунтоутворюючому процесі [7]. Всі хлорорганічні, більшість фосфорорганічних інсектицидів в більшій мірі знижують чисельність жужелиць, стафілінід, а базудін також і комах. Надходження усіх інсектицидів у річки, ставки шкідливо як для водних безхребетних, так і для риб. При авіаобробці лісу такими інсектицидами як ДДТ, севін, метафос, карбофос, коли неможливо було попередити забруднення водойм, відмічалась загибель личинок бабок, двокрилих та інших комах, раків. Для риб особливо шкідливі хлорорганічні пестициди [1].

При застосуванні багатьох інсектицидів відмічена загибель павуків, однак причиною є непряма дія, а вторинне отруєння при споживанні токсикованих комах. Високостійкі до усіх груп інсектицидів дощові черв’яки і загибель їх спостерігається при внесенні в ґрунт великих доз. Крім загибелі внаслідок отруєння, хижаки залишають поле через недостачу їжі, спричиненої знищенням рослиноїдних видів, паразити гинуть через відсутність чи низьку чисельність хазяїв [10].

Дія інсектицидів на ентомофауну при зрошуванні рослин (пшениця, люцерна) варіює в залежності від застосованих препаратів [15]. Так, хлорофос більш шкідливий для ентомофагів, ніж метафос і поліхлоркарфен, які практично не впливали на їх чисельність. Відразу після обробки спостерігалось значне зниження чисельності як шкідливих, так і корисних комах, однак через деякий час число хижаків знову зростало, в цілому за період період вегетації різниця в заселенні ними оброблених і необроблених полів була незначною.

Розділ 4. Матеріали і методи досліджень

Об’єктом дослідження було обрано дворічок коропа (Cyprinus carpio L) вагою 350^400 г. Досліди проводилися у модельних умовах в ваннах об’ємом 200 літрів і кількістю досліджуваних особин — 8. Період акліматизації складав 4 дні. Риби витримувались в умовах досліду протягом двох тижнів та чотирьох тижнів, що є достатнім для формування можливої адекватної відповіді організму [Хлебович В.В. Акклимация водньїх животньїх. — Л.: Наука, 1981. — 135 с.]. Температура води коливалася в межах 14-15 °С, вміст розчиненого кисню знаходився в межах фізіологічної норми (5-7 мг/л). Воду в ваннах змінювали кожні 2 доби.

У експерименті риби знаходились у двох варіантах: контроль та за дії препарату «Престиж» (у воду додавали суспензію препарату).

В усіх експериментах кров для досліджень відбирали з синуса зябрової вени з використанням в якості антикоагулянту гепарину з розрахунку 20 од/мл крові.

Гомогенати всіх тканин готували на основі 0,025М Трис-НСl-буфера з рН 7,4, що містив 0,175 моль/л КС1 у співвідношенні 7: 18 (біологічний матеріал: буферний розчин).

Визначення МДА як кінцевого продукту ПОЛ проводили за його реакцією з тіобарбітуровою кислотою за методом [Стальная И.Д., Гаришвили Т.Г. Метод определения малонового диальдегида с помощью ТБК // Современньїе методьі-в биохимии / Под ред.В.Н. Ореховича. — М.: Медицина, 1977.]. При високій температурі в кислому середовищі малоновий диальдегід реагує з 2-тіобарбітуровою кислотою, утворюючи забарвлений триметиновий комплекс, з максимумом поглинання при 532 нм. Молярний коефіцієнт екстинкції цього комплексу — ε = 1,56 105 см-1 М-1.

Активність каталази визначали спектрофотометрично за інтенсивністю абсорбції водорозчинних комплексів «перекис водню-молібденова рідина» при 410 нм [Королюк М.А., Иванова Л.И., Майорова И.Г., Токарев В.И. Метод определения активности каталазьі. // Лаб. дело, 1988, №1. С.16-18.].

Активність глутатіон-трансферази визначали спектрофотометрично за ступенем відновлення динітрохлорбензолу (зменшенню концентрації 1-хлор-2,4-динітробензолу) при ^=340 нм. Інкубаційна суміш для визначення ГТ містила 0, ЗмМ GSH та 0, ЗмМ 2,4 динітрохлорбензолу (ДНХБ) на 3 мл 0,1М К-фосфатного буфера рН 7,2, реакцію запускали внесенням 50 мкл біологічного матеріалу; про активність ферменту судили за зменшенням ДНХБ, вимірювану при 340 нм.

Активність глутатіонпероксидази визначали також спектрофотометрично. Інкубаційна суміш для визначення містила 0,7мМ ЕДТА, ІЗОмкМ NADPH, 0,7мМ GSH та 10-100 мкл біологічного матеріалу на З мл 0,1М К-фосфатного буфера з рН 7,2; реакцію починали, додаючи Н2Ог в кінцевій концентрації 0,2М; активність ферменту визначали за зменшенням NADPH, зареєстрованому при 340 нм.

Вміст загального білку розраховували за методом O. H. Lowry et al [Lowry O. H., Rosebroug N.І., Farr A. L., Randall R.I. Protein measurement with the Folin phenol reagent // J. Biol. Chem. — 1951. — 193, N 1. — P.265-275.].

Математичну обробку отриманих даних проводили методами варіаційної статистики з використанням t-критерію Стьюденту [Лакин Г.В. Биометрия. — М.: Вьісшая школа, 1990. — 351 с].

Престиж — це інсекто-фунгіцидний протруйник системної і контактної дії. Відноситься до групи протруйників. Активними інгредієнтами є імідаклоприд (140 г/л) та пенцикурон (150 г/л). Препаративна форма: концентрат суспензії. Реєстраційне посвідчення: А № 00679. Вирішує проблему боротьби проти дротяників та листової картопляної попелиці у період від посадки до початку відмирання бадилля, а також проти колорадського жука в період від появи сходів до початку цвітіння. Фунгіцидна дія препарату спрямована на захист від ризоктоніозу сходів і врожаю при гарному додатковому ефекті проти парші і мокрих гнилей.

Застосування розбавленого водою препарату покращує рівномірність покриття бульб картоплі. Обробку проводити перед висаджуванням картоплі в грунт. Посадковий матеріал має бути не старіший одного року (з урожаю минулого року).

Престиж слід використовувати безпосередньо після розбавлення водою, а робочий розчин не рекомендується залишати на довгий період без збовтування.

Механізм дії:

Імідаклоприд блокує передачу нервового імпульсу на рівні рецептора постсинаптичної мембрани:

Пенцикурон проникає в кутикулу рослини та інгібує проростання міцелію, впливає на функціональний стан клітини та ядра, гальмує біосинтез стерину та вільних жирних кислот всередині гриба, значно зменшує вміст

Розділ 5. Результат теоретичного аналізу даних

Рівень накопичення токсикантів у тканинах риби та його вікові особливості має надзвичайно важливе значення в умовах інтенсифікації рибництва. Дослідження вчених показують, що здатність до кумуляції в тканинах риб для різних гербіцидів залежить від класу пестицидів, хімічної речовини, якою його представлено (2,4-Д кислота, амонійна сіль чи бутиловий естер), тканини та віку риб. Так, кумуляцію зенкору (представник триазинів) не виявлено у жодній тканині риб жодного віку, на відміну від гербіцидів-представників групи феноксиоцтової кислоти. Порівнюючи здатність до кумуляції в тканинах риб різних форм гербіциду за дії однакових концентрацій токсиканту, можна стверджувати, що найбільший коефіцієнт накопичення має 2,4-Д бутиловий естер. Якщо прийняти за 1 кількість накопиченої кислоти в мозку, то співвідношення 2,4-Д кислота: 2,4-Д амонійна сіль: 2,4-Д бутиловий естер будуть становити 1: 1,6: 32,8 для мальків, 1: 1,35: 10,2 для цьогорічок та 1: 1: 10,03 для дворічок. Крім того, результати досліду з визначення вмісту пестицидів в ікрі та личинках коропа, що перебували у воді з вмістом токсикантів 0,2 мг/дм3, показали, що в ікрі виявляється лише бутиловий естер; 2,4-Д кислота та її амонійна сіль не потрапили у середину ікринок. У личинок виявлено лише сліди цих пестицидів. Щодо 2,4-Д бутилового естеру, то його накопичилась за цей період значна кількість — 0,56 мг/кг маси тіла. Враховуючи концентрацію вказаного токсиканта у воді, в якій перебувала риба (0,2 мг/дм3), можна стверджувати про кумуляцію токсиканта. Наступне потрапляння пестициду у водойму призведе до накопичення додаткової кількості токсиканта на фоні вже наявного та до прояву токсичної дії в результаті синергізму (Врочинський, Маковський, 1979).

Аналізуючи результати дослідів з нагромадження пестицидів в тканинах (мозок, печінка, білі м’язи, кишечник, зябра) коропа різного віку (мальки, цьогорічки, дворічки) можна зробити висновок, що суттєвих відмінностей у рівні накопичення 2,4-Д кислоти у риб різного віку в одних і тих же тканинах не спостерігається: мінімальною кількістю накопиченого токсиканту характеризуються м’язова тканина, кишечник і зябра риб, але у всіх вікових групах цей токсикант в значних кількостях виявляється в печінці (0,55±0,12; 0,40±0,02 та 0,40±0,03 мг/кг тканини у мальків, цьогорічок та дворічок відповідно) та в мозку (0,50±0,08; 0,60±0,16 та 0,61±0,11 мг/кг тканини) [16].

В процесі індивідуального розвитку та під впливом токсикантів змінюються морфологічні та поведінкові показники риби. Кожен період життєвого циклу організму характеризується власною системою зв’язків з навколишнім середовищем та своїми основними пристосуваннями до умов життя. Результати дослідження кількісних морфологічних показників екстер’єру риб (коефіцієнт вгодованості, зоологічна та стандартна довжина риби, найбільша висота тіла риби тощо) свідчать, що вони вирогідно не змінюються при перебуванні протягом чотирнадцяти днів в умовах гербіцидного токсикозу (2 ГДК). Однак, у ряді випадків спостерігалась тенденція до кількісного зменшення більшості з досліджуваних показників.

Поведінкові реакції отруєних риб можна використовувати як початкові ознаки порушень нормальної життєдіяльності. Дія зенкору, як і більшості розчинів отрут органічного походження (Лук’яненко, 1983), супроводжується бурхливою руховою активністю піддослідних риб, особливо це стосується цьогорічок. В той же час коропи, що перебували під впливом 2,4-ДА, проявляли більшу рухову активність лише в перші години інтоксикації, однак у них спостерігали перехід у поверхневий шар води і такий специфічний симптом, як заковтування повітря, а також підвищену чутливість до звукових подразників.

Проводячи єксперименти, в риб беруть кров шляхом пункції серця на 1-у, 4-у, 7-у і 14-у добу експерименту. Початкову пробу крові без першої краплі використовують для визначення її згортання [10]. Іншу кров стабілізують шляхом додавання гепарину — 0,01% (у 1 мг препарату 130 ЕД) [12]. Для оцінки морфофункційного стану організму визначають наступні показники крові: кількість еритроцитів (підрахунок здійснюють в камері Горяева), швидкість осідання еритроцитів (ШОЕ), концентрацію гемоглобіну (за Салі) з використанням гемометра [32].

Виходячи з отриманих даних, розраховують вміст гемоглобіну в одному еритроциті (ВГЕ), кольоровий показник крові.

Вченими встановлено неоднозначність можливих шляхів формування відповідних реакцій організму протягом 14 доби на дію з гербіцидів, про що свідчить різна динаміка гематологічних показників двухлеток коропа (мал.1).

Вміст гемоглобіну, г/л

тривалість навантаження, діб

Рис.1. Динаміка вмісту гемоглобіну в крові дворічок коропа в умовах гербицидной навантаження

Після першої доби перебування коропів у токсичних умовах найбільша мобілізація фізіологічних ресурсів організму виявляється під дією зенкора, що виражається в максимальному збільшенні вмісту гемоглобіну (мал.1). Менш виражена термінова адаптація під дією раундапа, оскільки вміст гемоглобіну зменшується в 1,6 рази. Інші показники в порівнянні з контролем змінюються незначно. Під дією похідних 2,4-Д величини показників крові майже не змінюються.

Після закінчення чотирьох діб експерименту кількість гемоглобіну змінюється неоднозначно в залежності від природи гербіциду. Під дією зенкора їх кількість зменшується майже в два рази і стає менше ніж у контролі; під дією раундапа, навпаки, — незначно відрізняється від контролю. Що стосується дії 2,4-Д, достовірні розходження в показниках не спостерігаються.

Висновки

Експериментально досліджено структурно-функціональні зміни гемоглобіну коропа препарату „Престиж” показано:

В крові досліджуваних риб відбувається суттєвий перерозподіл форм гемоглобіну, при цьому зменшується вміст оксигемоглобіну, тотексигемоглобіну, а вміст жезоксигемоглобіну зростає.

Зниження метгемоглобіну пов`язано з активацією фенменту медгемоглобін редуктази.

Спорідненість гемоглобіну до кисню в умовах дії препарату зменшується, про що свідчить зростання швидкості дисоціації дезоксигемоглобіну.

Дія препарату призводить до зниженні швидкості денатурації гемоглобіну, що може бути адаптаційною реакцією даного гемопротеїду на дію препарату.

Список використаних джерел

Баб`як О. Попередження негативного впливу на життєдіяльність людини. // Надзвичайна ситуація. — 2001. — № 1. — С.40 — 42.

Биохимия. Практикум. — К.: Изд-вго КГУ, 1988. — 128 с.

Біологія. Спеціальний випуск «Гідроекологія». — 2005. — №3 (26). — С. 208-210.

Брагинский Л.П. Пестициды и жизнь водоёмов. — К.: Наукова думка, 1972. — 228 с.

Васильев А.В. Гематология сельскохозяйственных животных. — М.: Сельхозиздательство, 1948. — 439 с.

Волынкин Ю.Л. Взаимосвязь морфофизиологических и гематологических показателей сеголетков карпа в период зимовки // Современные проблемы популяционной экологии. Матер. IX Междунар. научно-практ. конф. — Белгород: Политера, 2006. — С.37-38.

Врочинський К.К. Пестициди і охорона водних ресурсів. — К.: Урожай, 1987. — 160 с.

Давыдов О.Н. Патология крови рыб / О.Н. Давыдов, Ю.Д. Темниханов, Л.Я. Куровская. — К., 2005. — 210 с.

Давыдов О.Н., Темниханов Ю.Д., Куровская Л.Я. Патология крови рыб. — К.: Фирма «ИНКОС», 2006. — 320 с.

Жиденко А.А., Мехед О.Б., Бибчук Е.В. Влияние пестицидов на качественное и количественное содержание аденилатов в тканях карпа // Актуальные проблемы экологической физиологии, биохимии и генетики животных: материалы Междунар. науч. конф. / отв. ред.А.Б. Ручин. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. — С.68-70

Жиденко А.А., Мехед О.Б., Близнюк Е.В. Влияние пестицидов на качественный и количественный состав свободных аминокислот в тканях карпа // Актуальные проблемы экологической физиологии, биохимии и генетики животных: материалы Междунар. науч. конф. / отв. ред.А.Б. Ручин. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. — С.70-72

Записки Тернопільського національного педагогічного університету ім. Володимира Гнатюка. Серія: клинических лабораторных исследований. — М.: Медицина, 1977. — 335с.

Зіньковська Н.Г. Цинк як антиоксидант. прооксидант за д. на орган. зм коропа / Н.Г. Заньковська, Ф. Мудра, О.Б. Столяр / Укр. б. ох. м. журн. — 2002. — Т.74, № 4б, дод.2. — С.88.

Коваленко О.М., Жиденко А.О. Гістологічні зміни в органах риб під впливом пестицидів // Наукові

Коган Ю.С. Общая токсикология пестицидов. — К.: Здоровье, 1981. — 384 с.

Константинов А.С. Общая гидробиология. — М.: Высш. шк., 1986. — 472 с.

Корсак К.В., Плахотнік О.В. Вплив пестицидів на екосистеми та людину. // Основи екології: навчальний посібник. — 2000. — С.167 — 171.

Ликвидация непригодных пестицидов. / И.К. Крийнов, И.А. Боровой, В.М. Скоробогатов и др. // Экотехнология и ресурсосбережение. — 1999. — № 2. — С.47 — 55.

Лотт Д.А. Как использовать залежавшиеся пестициды. // Защита и карантин растений. — 1996. — № 5. — С.35 — 36.

Мельников Н.Н. Химические средства защиты растений: Справочник. — М.: Химия, 1987. — 712 с.

Мехед О.Б. Накопление гербицидов группы 2,4-Д в организме карпа разного возраста // Гидробиол. журн. — 2006. — Т.42, № 3. — С.61-66.

Мехед О.Б., Яковенко Б.В. Активність ключових ферментів вуглеводного обміну в організмі коропа лускатого в умовах токсикозу // Вісник проблем біології та медицини. — 2003. — №6. — С. 20-25.

Мехед О.Б., Яковенко Б.В. Вплив пестицидного забруднення, як результату хімізації сільського господарства, на водні екосистеми // Суспільно-географічні дослідження природно-господарського комплексу Запорізького краю і суміжних територій: Матеріали науково-практичної конференції 16-17 жовтня 2003 року. — Мелітополь, 2003. — С.43-44

Мехед О.Б., Яковенко Б.В. Залежність ізоцитратдегідрогеназної та ізоцитратазної активності в організмі коропа від температури середовища // Укр. біохім. журн. — 2002. — 74, №4б (додаток 2). — С.99

Мехед О.Б., Яковенко Б.В., Жиденко А.А. Активность некоторых ферментов углеводного обмена в тканях сеголеток и двухлеток карпа в осенний период // Гидробиол. журн. — 2004. — 40, №3. — С.83-90.

Мехед О.Б., Яковенко Б.В., Жиденко А.О. Вплив зенкору на вміст глюкози та активність ферментів глюконеогенезу в тканинах коропа лускатого (Cyprinus carpio L) при різних температурах // Укр. біохім. журн. — 2004. — 76, №3. — С.99-103

Ойвин И.А. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований // Патол. физиол. и экспер. терапия. — 1960. — № 4. — С.76-85.

Парфенова И.А. Морфометрические характеристики циркулирующих эритроцитов Scorpaena porcus L. в условиях экспериментальной гипоксии // Науков. записки Тернопольського нац. пед. ун. верситету. Сер. я: б. олог. я. — 2005. — № 4 (27). — С.82-83.

Підліснюк В.В., Стирановська Т.В. Заборонені та непридатні до використання пестициди: стан та перспективи. // Безпека життєдіяльності. — 2004. — № 6. — С.23 — 28.

Посібник з клінічної лабораторної діагностики / П. д ред.В.Г. Денисюка. — К.: Здоров’я, 1992. — 296 с.

Сільськогосподарська екологія. / В.К. М`якутко, Д.О. Мельничук, Ф.В. Вольвач та ін; за ред.В.К. М`якушка. — К.: Урожай, 1992. — 264 с.

Скорюков В.И. Практикум по ихтиологии. — М.: Агропромиздательство, 1986. — 268 с.

Справочник по пестицидам (гигиена применения и токсикология) / Под ред. А.В. Павлова. — К.: Урожай, 1986. — 432 с.

Физиология адаптационных процессов. — М.: Наука, 1986. — 635 с.

Физиология человека и животных: 2 т. // Коган А.Б. и др. — М.: Высшая школа, 1984. — 360 с.

Филиппович Ю.Б., Егорова Т.А., Севастьянова Г.А. Практикум по общей биохимии. — М.: Просвещение, 1975. — 318 с.

Хочачка П.В., Сомеро Д.Н. Биохимическая адаптация. — М.: Мир, 1988. — 568с.

Шевряков М.В., Яковенко Б.В., Явоненко О.Ф. Практикум з біологічної хімії: Навч. — метод. Посіб. Для студентів біологічних спеціальностей і факультетів фізичного виховання і спорту вищих навчальних закладів. — Суми: ВТД «Університетська книга», 2003. — 204 с.

Яковенко Б.В., Мехед О.Б. Біохімічні зміни в організмі коропа лускатого під впливом гербіцидного забруднення навколишнього середовища // Фальцфейнівські читання. Збірник наукових праць: Матеріали міжнародної наукової конференції 23-25 квітня 2003 року. — Херсон, 2003 — С.395-396 (здобувач виконав експериментальні дослідження, проаналізував літературу, виконав розрахунки)

Яковенко Б.В., Мехед О.Б. Концентрація гліцину та інших амінокислот у водоймах // Наукові записки Тернопільського державного педагогічного університету ім. Володимира Гнатюка. Серія: Біологія. Спеціальний випуск: Гідроекологія — 2001. — №3 (14). — С.242-243.

Яржомбек А.А. Справочник по физиологии рыб / А.А. Яржомбек, В.К. Лиманский. — М.: Агропромиздательство, 1986. — 192 с.

Содержание

Введение

1. Проявление действия гена

2. Форми взаимодействия аллельных генов: полное и неполное доминирования, кодоминирование

3. Типы взаимодействия неаллельных генов

3.1 Комплементарность

3.2 Эпистаз

3.3 Полимерия

3.4 Гены-модификаторы

4. Плейотропное действие генов

5. Пенетрантность, экспрессивность, норма реакции

6. Влияние факторов внешней среды на действие генов

Выводы

Список использованной литературы

Введение

В большинстве случаев один признак развивается под влиянием не одного, а двух и более параллелей. Последние вступают во взаимодействие в процессе развития признака, что приводит к его изменению, а отсюда к изменению соотношения фенотипов во втором поколении. Впервые возможность подобного явления была отмечена Г. Менделем, наблюдавшим при скрещивании белоцветковых сортов фасоли с пурпурноцветковыми появление во втором поколении из растения только одного с белыми цветками. Мендель объяснил это тем, что окраска цветков и семян у фасоли «слагается из двух или нескольких совершенно самостоятельных красок, которые в отдельности подчиняются тем же правилам, которым подчиняется каждый другой константный признак у растений». Предположение Менделя было подтверждено дальнейшими исследованиями.

На основании изучения взаимодействия разных пар генов, влияющих на один и тот же признак, установлено несколько основных in нов их взаимодействия: новообразование, комплементарные, или дополнительные, факторы, эпистаз и гипостаз и полимерия. Следует отметить, что при всех типах взаимодействия наследование признаком происходит в строгом соответствии с установленными Менделем правилами наследования; меняется лишь характер расщепления по фенотипу, так как в зависимости от типа взаимодействия отдельные генотипы обнаруживают сходство между собой, в результате чего число различных фенотипов уменьшается против обычного по правилам Менделя. Рассмотрим более подробно тему аллельных и неаллельных взаимодействий генов.

Цель работы: рассмотреть основные типы взаимодействий генов.

Предмет исследования – основные типы и формы взаимодействия генов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить основные задачи, которые заключаются в следующем:

1) особенности проявления действия гена;

2) охарактеризовать основные формы взаимодействия аллельных генов;

3) рассмотреть типы взаимодействия неаллельных генов;

4) рассмотреть особенности плейотропного взаимодействия генов;

5) установить основные закономерности модифицирующего действия генов;

6) выяснить влияние факторов внешней среды на действие генов.

В ходе работы над данной темой мы использовали научные методы исследования:

— анализ научной литературы;

— сравнение;

— анализ и синтез.

1. Проявление действия гена

Ген как единица наследственности, детерминирующая признаки, или свойства, организма, имеет определенные характеристики:

1) в своем действии ген дискретен; он определяет присутствие или отсутствие отдельной биохимической реакции, степень развития или подавления определенного признака организма;

2) ген действует градуально: накопление дозы его в соматических клетках может приводить к усилению или ослаблению проявления признака;

3) каждый ген специфичен в своем действии, т.е. отвечает за синтез первичной структуры белковой молекулы;

4) ген может опосредованно воздействовать на течение разных реакций и развитие многих признаков организма, т.е. действовать множественно; это явление носит название множественного, или плейотропного эффекта гена;

5) разные гены, находящиеся в различных парах хромосом, могут действовать однозначным образом на развитие одного и того же органа или свойства организма, усиливая или ослабляя его; это так называемые множественные, или полимерные, гены (полигены):

6) ген вступает во взаимодействие с другими генами, и в силу этого его эффект может изменяться;

7) проявление действия гена зависит от факторов внешней среды;

8) гены взаимодействуют теми продуктами, которые они детерминируют и контролируют в процессе их синтеза.

Как мы увидим дальше, гены действуют на двух уровнях: на уровне самой генетической системы, определяя состояние генов и их работу, скорость репликации ДНК, стабильность и изменчивость генов, и на уровне работы клеток в системе целого организма.

Прежде чем перейти к рассмотрению указанных особенностей действия генов, необходимо условиться о системе их обозначения. До сих пор для обозначения гена мы пользовались любыми, большей частью начальными, буквами латинского алфавита. Поскольку в дальнейшем нам придется касаться характеристики действия генов на определенные признаки, свойства, реакции различных организмов, в ряде случаев ген удобнее обозначать в зависимости от характера его действия.

Для сокращенного написания формул генотипа используются первые буквы названия признака, определяемого данным геном. Чаще всего эти названия даются на английском или латинском языках. Например, рецессивный ген, определяющий развитие признака белого цвета глаз у дрозофилы, называют геном white (или сокращенно w). Доминантная аллель этого гена обозначается как +, но чаще для этого объекта доминантные аллели, свойственные мухам, встречающимся в природе, обозначают той же буквой, но со знаком плюс — w+. Признаки у организмов, встречающихся в природе, обычно являются доминантными и называются признаками дикого типа, а определяющие их аллели — аллелями дикого типа. Для разных видов организмов принята различная номенклатура генов, хотя это и не очень удобно. Так, ген, определяющий развитие желтой Окраски эндосперма у кукурузы, назван yeliow — у, его доминантная аллель — Y.

Рассмотрим сначала характер действия одной аллельной пары. Одна аллельная пара может определять присутствие или отсутствие признака, изменять количественное или качественное его проявление. Накопление в клетке нескольких доз аллели одного и того же гена приводит к усилению либо к ослаблению признака. Например, количество витамина А и его активность в эндосперме зерна кукурузы зависят от многих генов, и в том числе от доминантных аллелей гена Y.

Клетки эндосперма содержат три набора хромосом. Следовательно, путем скрещивания можно получить четыре различных по генотипу эндосперма кукурузы, содержащих разное количество доминантных аллелей У. Количество витамина А (в единицах активности) при разных дозах одного и того же гена Y оказывается следующим:

При генотипе эндосперма YYY0,05

» > > YYY2,25

» > > УУу5,00

> > > УУУ7,50

Как видно из приведенных данных, действие одной дозы доминантного гена у соответствует примерно 2,25 единиц активности витамина А. С увеличением дозы гена его действие суммируется, или кумулируется. Такой тип действия гена называют кумулятивным, или аддитивным, т.е. суммирующимся. Подобные гены могут определять различные признаки. Так, у кукурузы от них зависят степень окраски зерна, вес и размеры растения, его плодовитость и уровень отдельных физиологических и биохимических процессов.

Гены классифицируют по их проявлению: гены морфологических и биохимических признаков, гены плодовитости (фертильности), гены жизнеспособности и т.д. Эта классификация является чисто условной, так как гены с однозначным действием встречаются редко; например, ген, изменяющий морфологический признак зерна кукурузы — его форму, размер и толщину алейронового слоя, одновременно может быть связан и с различиями в химическом составе. Изучение действия генов в онтогенезе производят различными методами: биохимическими, анатомическими, физиологическими, эмбриологическими и др. Однако проблема изучения функционирования гена осложняется тем, что гены в своем действии не изолированы, а взаимосвязаны. В этом легко убедиться, рассмотрев некоторые типы или системы взаимодействия генов при сочетании нескольких генов, находящихся в негомологичных хромосомах.

2. Формы взаимодействия аллельных генов: полное и неполное доминирования, кодоминирование

Более пристальное рассмотрение элементарных признаков, т.е. признаков, альтернативные состояния которых наследуются по моногибридной схеме, позволяет подойти к проблеме доминирования, исследовать его механизм. И не только механизм доминирования, но и механизм действия и взаимодействия аллеломорфных пар вообще.

Казалось бы, с точки зрения рассмотрения генетически детерминированной активности фермента (или отсутствия активности), явление доминирования не представляет проблемы. Ферментативная активность должна доминировать над ее отсутствием.

У дрожжей Saccharomyces cerevisiae есть формы, наследственно различающиеся по окраске колоний: красные и белые. Красная пигментация — рецессивный признак. Она возникает вследствие генетического блока в биосинтезе пуринов: отсутствует активность фермента фосфорибозиламиноимидазолкарбоксилазы и поэтому дрожжи для своего роста нуждаются в экзогенном аденине. Субстрат реакции (аминоимидазолриботид) накапливается в клетке и конденсируется в красный пигмент. У белых дрожжей упомянутый фермент работает нормально, пигмент не накапливается и дрожжи не нуждаются в аденине. Они синтезируют его сами. Подобные примеры можно найти в описании любого метаболического пути, генетический контроль которого хорошо изучен.

Явление доминирования не исчерпывает все случаи взаимодействия аллелей. Уже упоминалось явление неполного доминирования. Кроме того, известны случаи отсутствия доминантно-рецессивных отношений или, точнее, случаи кодоминирования. Типичный пример такого взаимодействия аллелей — наследование антигенных групп крови человека: А, В, АВ и О, детерминируемых геном І.

Известны три типа аллелей этого гена: ІА, Ів, і°. При гомозиготности ІАІА эритроциты имеют только поверхностный антиген А (группа крови А, или II). При гомозиготности ІвІв эритроциты несут только поверхностный антиген В (группа В, или III). В случае гомозиготности ІВІВ эритроциты лишены А и В антигенов (группа О или I). В случае гетерозиготности ІАіО или ІВіО группа крови определяется, соответственно, А (II) или В (III). Эритроциты имеют, соответственно, антигены только А или только В. Это уже известный случай полного доминирования.

Если же человек гетерозиготен ІАІв, его эритроциты несут оба антигена: А и В (группа крови АВ, или IV). Это и есть случай кодоминирования. Аллели ІА и Ів работают в гетерозиготе как бы независимо друг от друга, что и определяют с помощью иммунологических методов.

Знание генетического контроля групп крови имеет большое практическое значение. Дело в том, что у людей с группой О в плазме крови присутствуют гемагглютинины α и β, с группой А — гемагглютинин β, с группой В — α. У людей группы АВ в плазме нет ни α- ни β-гемагглютининов. При этом агглютинин а специфически связывает и осаждает эритроциты с антигеном А, агглютинин β — эритроциты с антигеном В. На этих взаимоотношениях основана система переливания крови. Кровь группы О можно переливать всем людям, кровь группы А — людям с группами крови А и О, группы В — людям с группами В и О, а кровь группы АВ — только людям с той же группой. Нарушение этих правил приводит к геморрагическому шоку вследствие связывания эритроцитов гемагглютининами плазмы.

Знание этих закономерностей используется также в судебной медицине для идентификации пятен крови и при установлении отцовства.

Пример наследования групп крови иллюстрирует и проявление множественного аллелизма: ген І может быть представлен тремя разными аллелями, которые комбинируются в зиготах только попарно.

Явление множественного аллелизма широко распространено в природе. Известны обширные серии множественных аллелей, определяющих тип совместимости при опылении у высших растений, при оплодотворении у грибов, детерминирующих окраску шерсти животных, глаз у дрозофилы, форму рисунка на листьях белого клевера, наконец, у растений, животных и микроорганизмов известно много примеров так называемых аллозимов или аллельных изоэнзимов — белковых молекул, различия между которыми определяются аллелями одного гена.

Во многих случаях попарные взаимодействия членов серии аллелей приводят к тому, что исследуемый признак проявляется иначе, чем у гомозиготных родительских форм. В качестве примера можно привести наследование узора на листьях белого клевера (рис. 1). На рисунке показаны формы, гомозиготные по различным аллелям гена V (по вертикали), и формы, несущие разные сочетания этих аллелей.

В некоторых случаях механизм взаимодействия аллелей расшифрован. Вернемся к примеру с красными и белыми дрожжами. Существует большое число красных аденинзависимых мутантов дрожжей. Большинство из них несет изменения одного и того же гена. Во всех случаях потребность в аденине и красная окраска колоний рецессивны по отношению к белой окраске и, соответственно, к отсутствию потребности в аденине. Аллель, определяющая доминантный признак, обозначается, как это принято в генетике, прописными буквами: ADE — сокращенное наименование признака. Такую аллель условно называют нормальной или аллелью дикого типа. Поскольку путь биосинтеза аденина состоит из многих (двенадцати) этапов, каждый ген, контролирующий отдельный этап, имеет свой номер. Интересующий нас ген — ADE 2.

Рис. 1 — Множественная серия алелей, определяющих рисунок на листях белого клевера и их взаимодействие в гетерозиготе

Для обозначения аллелей этого гена, определяющих мутантный, рецессивный признак (рецессивных аллелей), используют те же буквы, но строчные — ade, а поскольку таких аллелей много, справа приписывают номер аллели: ade 2-1, ade 2-2 и т.д. В гомозиготном состоянии (или в гомозиготе) все они определяют характерный рецессивный или мутантный фенотип — красную окраску колонии и потребность в аденине вследствие отсутствия активности фермента фосфорибозиламиноимидазолкарбоксилазы.

В некоторых случаях при объединении в гибриде двух разных аллелей независимого происхождения, рецессивных по отношению к дикому типу, наблюдают восстановление нормы, т.е. признака дикого типа. При этом частично восстанавливается и ферментативная активность. Такое восстановление дикого фенотипа происходит весьма специфично — только в некоторых комбинациях аллелей.

Это загадочное, на первый взгляд, явление описано для многих объектов: дрозофилы, мышей, зеленой водоросли Chlamydomonas, многих грибов и т.п. Лучше всего оно изучено у микроорганизмов.

Примерно у 50 % генов, которые исследованы таким образом, обнаружен данный тип взаимодействия, получивший название межаллельной комплементации. Механизм его расшифрован. Оказалось, что все гены, аллели которых взаимодействуют подобным образом, контролируют структуру ферментов, построенных из одинаковых белковых субъединиц, т.е. одна и та же полипептидная цепь повторена в них несколько раз: от двух до восьми.

Если исследовать гомозиготы по рецессивным аллелям, то в этом случае в белковой молекуле повторяются одинаковые и одинаково испорченные субъединицы. А вот если изучать гибриды, гетерозиготные по разным рецессивным аллелям (такие гибриды также называют компаундами): ade 2-1/ade 2-2; ade 2-1/ade 2-3 и т.д., то в этом случае фермент будет содержать субъединицы, испорченные немного по-разному, и иногда эти субъединицы, взаимодействуя, приводят к восстановлению ферментативной активности. Как происходит это взаимодействие?

Для ответа на этот вопрос необходимо обратиться к современным представлениям о структуре белков, характере складывания в них непрерывной полипептидной цепи. В каждом белке есть несколько функциональных центров: для связывания субстрата, для взаимодействия с коферментами, с регуляторными молекулами, с мембранами клетки и т.д. Каждый функциональный центр обычно представлен полуавтономным участком специфически уложенной полипептидной цепи — доменом.

Разные рецессивные аллели одного и того же гена отличаются друг от друга тем, что кодируют полипептиды с повреждениями различных доменов. Если в гетерозиготе (компаунде) объединятся аллели с разными повреждениями таким образом, что в молекуле фермента, состоящей из субъединиц — продуктов одного и того же гена, соберутся все необходимые функциональные центры, то ферментативная активность будет восстановлена.

Итак, рассмотрев различные типы взаимодействия аллелей, отметим, что во всех случаях, где наблюдается та или иная форма доминирования, одну аллель можно рассматривать как активную, т.е. детерминирующую Проявление Признака, а другую — как неактивную. Лучше всего эти взаимоотношения иллюстрируют специфические функции белков — носителей элементарных признаков, или фенов. При этом следует подчеркнуть, что свойства доминантности — рецессивности относятся, строго говоря, не к самим аллелям, а к признакам. Таким образом, может быть принято рациональное зерно гипотезы «присутствия — отсутствия» У. Бэтсона, который предложил ее тогда, когда не только не было известно, как действуют гены, но и самого термина «ген» еще не существовало. По У. Бэтсону, рецессивные аллели представляют собой результат утраты доминантных аллелей. Теперь известно, что на самом деле мутации, приводящие к появлению рецессивных аллелей, далеко не всегда сопровождаются физической потерей генетического материала. Тем не менее они, как правило, возникают в результате утраты какой-либо нормальной функции.

Важно также отметить, что несмотря на различные и порой сложные по своим механизмам взаимодействия аллелей, которые уже рассмотрены, все они подчиняются первому закону Менделя — закону единообразия гибридов первого поколения.

3. Типы взаимодействия неаллельных генов

Закон независимого наследования генов еще раз демонстрирует дискретный характер генетического материала. Это проявляется в независимом комбинировании аллелей разных генов и в их независимом действии — фенотипическом выражении. Однако в ряде случаев идентификация фенов сопряжена с некоторыми трудностями. Обратимся к примеру.

3.1 Комплементарность

У популярного генетического объекта плодовой мушки Drosophila melanogaster имеется большое число форм, наследственно различающихся по окраске глаз. У мух так называемого дикого типа или типа, распространенного в природе, глаза темно-красные. Существуют формы с ярко-красными глазами. Этот признак рецессивен по отношению к дикому типу. Он наследуется по моногибридной схеме при скрещивании нормальных мух и мух с ярко-красными глазами. Соответствующий ген обозначается: st (scarlet) — рецессив; st+ — доминант.

Существуют также мухи с коричневыми глазами. Это тоже рецессивный признак, наследующийся по моногибридной схеме при скрещивании диких мух и мух с коричневыми глазами. Соответствующий ген обозначается bw (brown) — рецессив; bw+ — доминант1.

Если скрестить мух с ярко-красными глазами и мух с коричневыми глазами, то получаются следующие результаты. В Fi все мухи имеют темно-красные глаза (дикий тип), а при скрещивании гибридов первого поколения в F2 появляются четыре класса расщепления: мухи с темно-красными, ярко-красными, коричневыми и белыми глазами в соотношении 9:3:3:1. Для объяснения этого результата обратимся к логике генетического анализа.

Результаты, получившиеся в F1, показывают, что существует некоторый тип взаимодействия. Можно предположить, что это взаимодействие аллелей одного гена при моногибридном скрещивании. Однако в F2 появляются четыре класса в соотношении, характерном для дигибридного скрещивания при полном доминировании по обоим признакам, и среди них формируется самый малочисленный класс — мухи с белыми глазами.

Если справедливо предположение о том, что это скрещивание дигибридное, то генотипы родительских форм записывают:

где знак «+» соответствует нормальным (доминантным) аллелям генов: bw и st. Тогда самки и самцы образуют по одному типугамет — соответственно st bw+ и st+bw, а генотип гибридов F1 будет: st+st bw+bw.

Такие дигетерозиготные мухи должны образовать четыре типа гамет, которые во всевозможных сочетаниях при скрещивании между собой гибридов F1 дадут в F2 следующее расщепление по генотипу.

С помощью фенотипических радикалов можно написать следующее расщепление по фенотипу:

9 st+ — bw+- — с темно-красными глазами

3 st+ — bw bw — с коричневыми глазами

3 st st bw+ — — с ярко-красными глазами

1 st st bw bw — с белыми глазами

Учитывая, что аллели st и bw рецессивны, можно объяснить появление первых трех фенотипических классов при расщеплении. При наличии нормальных аллелей st+ и bw+ мухи должны принадлежать к дикому типу по окраске глаз (9 с темно-красными глазами). При гомозиготности только по рецессивной аллели bw bw мухи должны быть с коричневыми глазами (3), так же как при гомозиготности только по st st мухи должны быть с ярко-красными глазами (3). Наконец, остается последний класс — двойной гомозиготный рецессив (1 st st bw bw), который соответствует мухам с белыми глазами. Все эти выводы можно проверить, исследуя далее расщепление при анализирующих скрещиваниях и скрещиваниях между особями F1.

Таким образом, предположение о дигибридном расщеплении в рассмотренном скрещивании подтверждается, а новообразование — белоглазые мухи в F2 — результат взаимодействия рецессивных аллелей st и bw.

В рассмотренной схеме также наблюдалось взаимодействие генов в F2, в результате которого дрозофилы имели нормальный цвет глаз. Такой тип взаимодействия носит название комплементарности или комплементарного (взаимно дополнительного) действия, когда доминантные аллели обоих генов обусловили нормальный (или дикий) фенотип (под комплементарностью обычно подразумевают именно этот тип взаимодействия генов).

В F2, рецессивные аллели тех же генов обусловили появление белоглазых мух. Был приведен пример того, что носит название формально-генетического анализа, при котором полностью абстрагируются от механизмов действия исследуемых генов. Если анализ проведен верно и формальные отношения генов и аллелей выявлены правильно, то последующее выяснение физиологических механизмов, лежащих в основе генных взаимодействий, только подтверждает и конкретизирует выводы.

Биохимический механизм взаимодействия аллелей генов st и bw исследован достаточно подробно. Известно, что у дрозофилы окраска глаз обусловлена синтезом двух пигментов — красного и бурого. Рецессивная аллель bw в гомозиготе прерывает синтез красного пигмента, поэтому глаза содержат только бурый пигмент. Рецессивная аллель st в гомозиготе блокирует синтез бурого пигмента, вследствие чего в глазах мух содержится только красный пигмент.

Когда в дигетерозиготе оказываются нормальные аллели обоих генов, синтезируются оба пигмента. Результат — комплементарное взаимодействие нормальных аллелей, наблюдаемое в F1. Если в F2 в гомозиготе оказываются и bwbw, и stst, то не синтезируются ни красный, ни бурый пигменты, и глаза оказываются белыми, неокрашенными.

Рис. 2 — Комплементарное взаимодействие генов, определяющих форму гребня у кур (соотношение 9:3:3:1)

Можно рассмотреть и другой тип комплементарного взаимодействия генов у дрозофилы, если идти от метаболического эффекта генов к схеме их взаимодействия. Вновь обратимся к биосинтезу пигментов глаза у дорозофилы (рис. 3). Известно, что кроме рецессивных аллелей st синтез бурого пигмента блокируют и рецессивные аллели гена purple (pr). Фенотип гомозигот stst и ргрт — ярко-красные глаза. При скрещивании таких мух в F1 глаза нормальные — темно-красные, поскольку работают оба гена — комплементарно взаимодействуют их доминантные аллели. В F2 наблюдается следующее соотношение фенотипов: 9 с темно-красными и 7 с ярко-красными глазами. Это объясняется тем, что выход в гомозиготу любой из двух рецессивных аллелей достаточен для блокирования синтеза пигмента, тем более, когда и рг, и st находятся в гомозиготе. Это тоже пример комплементарного взаимодействия, но без новообразования в F2.

По типу комплементарное™ взаимодействуют гены, контролирующие разные этапы одного и того же метаболического пути. Однако для многих морфологических признаков неизвестен биохимический механизм их реализации, поэтому приходится ограничиваться констатацией формально-генетической схемы их наследования. Так, по типу комплементарности взаимодействуют гены, определяющие форму гребня кур (рис. 2), форму плода у тыквы (рис. 3) и др.

Рис. 3 — Комплементарное взаимодействие генов, определяющих форму плода тыквы (соотношение 9:6: 1)

3.2 Эпистаз

Вернемся к анализу взаимодействия генов рr и st у дрозофилы. Соотношение фенотипических классов в F2 можно представить себе и как следствие того, что рецессивная аллель рr в гомозиготе препятствует проявлению доминантной аллели st+. Точно так же рецессивная аллель st в гомозиготе препятствует проявлению доминантной аллели рr+. Действительно, то, что известно о генетическом контроле синтеза бурого глазного пигмента у дрозофилы, вполне соответствует предложенному здесь объяснению. Такой тип взаимодействия носит название эпистатического, или эпистаза, и условно изображается: рr > st+ и st > pr+. В данном случае рецессивная аллель рr эпистатична по отношению к доминантной аллели st+, a st эпистатична по отношению к рr+. Данный случай взаимодействия генов называют также двойным рецессивным эпистазом.

По изменению числа и соотношения классов дигибридного расщепления в F2 рассматривают несколько типов эпистатических взаимодействий: простой рецессивный эпистаз (а > В; а> Ь или b > А; Ь > а), который выражается в расщеплении 9:3:4; простой доминаданый эпистаз (А> В; А> b или В > А; B > а) с расщеплением 12:3:1 и т.д.

Один ген, подавляющий действие другого, называют эпистатическим геном, ингибитором или супрессором. Подавляемый ген носит название гипостатического.

Как уже показано, констатация того или иного типа взаимодействия генов в дигибридном скрещивании условна. Тем не менее, при кажущемся нарушении закона независимого наследования (появлении неожиданных классов в расщеплении или уменьшении числа классов), связанного с взаимодействием двух генов, всегда можно свести наблюдаемые соотношения в F2 к классическому 9:3:3:1. При этом важно понять, какие классы объединились, и тогда интерпретировать тип взаимодействия.

Необходимо также отметить, что само словосочетание «взаимдействие генов» условно. В действительности взаимодействуют продукты генов, а не сами гены, так что правильнее было бы говорить о взаимодействии фенов, а не о взаимодействии генов. Отсюда понятно, что судить о том, с каким скрещиванием имеет дело экспериментатор: моногибридным, дигибридным или полигибридным — можно только на основании результатов полного гибридологического анализа.

3.3 Полимерия

Наряду с комплементарным и эпистатическим принято также рассматривать взаимодействие генов по типу полимерии. В этом случае разные гены как бы дублируют действие друг друга, и одной доминантной аллели любого из взаимодействующих генов достаточно для проявления изучаемой фенотипической характеристики. Так, при скрещивании растений пастушьей сумки с треугольными плодами (стручками) и с овальными плодами в F1 образуются растения с плодами треугольной формы. При их самоопылении в F2 наблюдается расщепление на растения с треугольными и овальными стручками в соотношении 15:1. Это объясняется тем, что существуют два гена, действующих эднозначно. В этих случаях их обозначают одинаково (А1 и А2). Тогда все генотипы: А1 — А2 -, А1 — а2а2, а2а2А2- будут иметь одинаковую фенотипическую характеристику — треугольные стручки, и только растения а1а1а2а2 будут отличаться — образовывать овальные стручки. Это случай так называемый некумулятивной полимерии.

Однозначные, или полимерные, гены могут действовать и по типу кумулятивной полимерии. Так, шведский генетик Г. Нильсон-Эле в 1908 г. описал серию однозначно действующих генов, которые определяют окраску эндосперма зерен пшеницы. При этом интенсивность окраски зерен оказалась пропорциональной числу доминантных аллелей разных генов в тригибридном скрещивании. Наиболее окрашенными были зерна А1А1А2А2А3А3, а зерна а1а1а2а2а3а3 не имели пигмента. Между этими крайними типами при расщеплении в F2 наблюдались промежуточные варианты в соотношении 1:6:15:20:15:6:1.

По типу кумулятивной полимерии наследуются многие количественные признаки, например цвет кожи у человека; молочность, яйценоскость, масса и другие признаки сельскохозяйственных животных; длина колоса у злаков, содержание сахара в корнеплодах сахарной свеклы и др. Изучением наследования таких признаков занимается специальный раздел генетики — генетика количественных признаков, которая важна прежде всего для селекции и разработки проблем микроэволюции.

3.4 Гены-модификаторы

Основателем генетики количественных признаков в нашей стране был Ю.А. Филипченко. Он изучал наследование размеров черепа крупного рогатого скота, длины колоса пшеницы и даже умственных способностей у человека. В одной из работ 1928 г. он опубликовал данные о наследовании длины колоса при скрещивании двух форм пшеницы. В F2 он наблюдал распределение по длине колоса, хорошо согласующееся с гипотезой о моногенном различии по этому признаку. Однако последующий анализ показал, что наряду с «основным» геном, определяющим длину колоса, существует ряд генов-модификаторов этого признака. Подобный тип наследования встречается часто. Таким образом, фенотип, как правило, представляет собой результат сложного взаимодействия генов. Природа генов-модификаторов до сих пор вызывает споры: в частности, не ясно, существуют ли специальные модификаторы, функция которых заключается в изменении действия других — «основных» генов или модифицирующее действие гена — результат его плейотропии.

4. Плейотропное действие генов

Учитывая данные, изложенные в этой главе, следует заключить, что не бывает однозначного соотношения между генотипом и фенотипом. Справедливость этого положения подчеркивает и тот факт, что один и тот же ген может в конечном итоге действовать на различные признаки организма.

Первый пример такого множественного, или плейотропного, действия гена содержится в работе Менделя, а именно: окраска цветков и окраска семенной кожуры зависели в его опытах от одного наследственного задатка. У высших растений гены, обусловливающие красную (антоциановую) окраску цветков, одновременно контролируют красную окраску стебля. У человека известен доминантный ген, определяющий признак «паучьи пальцы» (арахнодактилия или синдром Марфана). Одновременно он определяет аномалии хрусталика глаза и порок сердца. В Западном Пакистане обнаружены люди — носители гена, определяющего отсутствие потовых желез на отдельных участках тела. Это одновременно определяет и отсутствие некоторых зубов.

Признак платиновой окраски шерсти у лисиц контролируется доминантным геном, который существует только в гетерозиготе, поскольку обладает рецессивным летальным действием. При скрещивании платиновых лис наблюдали расщепление на платиновых и серебристо-черных в соотношении 2:1. Такое соотношение может получаться, если платиновые лисицы гетерозиготны (Аа), а черные гомозиготны по рецессивной аллели того же гена (аа). При этом не выживают гомозиготы по доминантной аллели (АА). Такое предположение подтверждается результатами скрещивания платиновых и серебристо-черных лис. Как и следует ожидать, при анализирующем скрещивании получается расщепление на платиновых и серебристо-черных в отношении 1:1. По этой же схеме наследуется наличие (аа) и отсутствие (Аа) чешуи у зеркального карпа, серая (Аа) и черная (аа) окраска каракулевых овец и т.д.

Множественное или плейотропное действие генов связывают с тем, на какой стадии онтогенеза проявляются соответствующие аллели. Чем раньше проявится аллель, тем больше эффект плейотропии.

Учитывая плейотропный эффект многих генов, можно предположить, что часто одни гены выступают в роли модификаторов действия других генов.

5. Пенетрантность, экспрессивность, норма реакции

Рассматривая действие гена, его аллелей, необходимо учитывать не только генные взаимодействия и действие генов-модификаторов, но и модифицирующее действие среды, в которой развивается организм. Известно, что у примулы окраска цветка розовая (Р-) — белая (рр) наследуется по моногибридной схеме, если растения развиваются в интервале температур 15-25°С. Если же растения F2 вырастить при температуре 30-35°С, то все цветки у них оказываются белыми. Наконец, при выращивании растений F2 в условиях температуры, колеблющейся около 30°С, можно получить разнообразные соотношения от 3Р:1рр до 100% растений с белыми цветками. Такое варьирующее соотношение классов при расщеплении в зависимости от условий внешней среды или от условий генотипической среды (так назвал С.С. Четвериков варьирование генотипа по генам-модификаторам) носит название варьирующей пенетрантности: Это понятие подразумевает возможность проявления или непроявления признака у организмов, одинаковых по исследуемым генотипическим факторам.

Уже упоминался пример плейотропного действия гена — доминантная платиновая окраска лисиц с рецессивным летальным действием. Как показал Д.К. Беляев с сотрудниками, можно добиться рождения живых щенков, гомозиготных по доминантной аллели платиновой окраски, если варьировать длину дня для беременных самок. Таким образом, пенетрантность проявления летального эффекта может быть снижена (уже не будет 100%-ной).

Пенетрантность выражается долей особей, проявляющих исследуемый признак среди всех особей одинакового генотипа по контролируемому (изучаемому) гену.

От внешней среды и генов-модификаторов может зависеть и степень выраженности признака. Например, дрозофила, гомозиготная по аллели vgvg (зачаточные крылья), более контрастно проявляет этот признак при понижении температуры. Другой признак дрозофилы — отсутствие глаз (еуеу) варьирует от 0 до 50% от числа фасеток, характерного для мух дикого типа.

Степень проявления варьирующего признака называется экспрессивностью. Экспрессивность обычно выражают количественно в зависимости от уклонения признака от дикого типа.

Оба понятия — пенетрантность и экспрессивность — были введены в 1925 г. Н.В. Тимофеевым-Ресовским для описания варьирующего проявления генов (рис. 4).

Рис. 4 — Схема, поясняющая варьирование экспрессивности и пенетрантности признака

Тот факт, что признак может проявиться или не проявиться у особей данного генотипа в зависимости от условий или варьировать в различных условиях среды, убеждает в том, что фенотип — это результат действия (и взаимодействия) генов в конкретных условиях существования организма.

Способность генотипа так или иначе проявляться в различных условиях среды отражает норму его реакции — способность реагировать на варьирующие условия развития. Норму реакции генотипа необходимо учитывать как при экспериментах, так и при выведении новых форм хозяйственно ценных организмов. Отсутствие изменений в проявлении признака указывает на то, что используемое воздействие не влияет на данную норму реакции, а гибель организма — на то, что оно уже за пределами нормы реакции. Селекция высокопродуктивных форм растений, животных и микроорганизмов в значительной степени представляет собой отбор организмов с узкой и специализированной нормой реакции на такие внешние воздействия, как удобрения, обильное кормление, характер выращивания и др.

Искусственное сужение или сдвиг нормы реакции используют для маркирования многих жизненно важных генов. Так, были исследованы гены, контролирующие воспроизведение ДНК и синтез белка у бактерий и дрожжей, гены, контролирующие развитие дрозофилы, и др. При этом получали мутанты, нежизнеспособные при повышенной температуре культивирования, т.е. условно-летальные.

Таким образом, материал, рассмотренный в этой главе, показывает, что генотип представляет собой систему взаимодействующих генов, которые проявляются фенотипически в зависимости от условий генотипической среды и условий существования. Только благодаря использованию принципов менделеевского анализа можно условно разложить эту сложную систему на элементарные признаки – фены и тем самым идентифицировать отдельные, дискретные единицы генотипа – гены.

6. Влияние факторов внешней среды на действие генов

Влияние внешней среды: условий питания, температуры, света, химического состава и структуры почвы, влажности и т.п. — на индивидуальное развитие организма огромно. Человеку, занимающемуся сельскохозяйственным производством, очевидна роль внешней среды в формировании организмов. Внешняя среда определяет процессы отбора, изменчивости и наследственности, т.е. факторы эволюции. В соответствии с изменениями внешней среды развивался весь органический мир. Благодаря этому каждый вид организма приобрел своеобразное внутреннее строение и присущий ему тип индивидуального развития, закрепленные наследственностью.

Поскольку у организмов разных видов благодаря совместному действию указанных трех факторов эволюции выработались приспособления к определенным условиям внешней среды, их нормальное развитие стало возможно только при данных условиях. Изменение последних может приводить к изменению наследственных факторов (мутации), с чем мы познакомимся позднее, и к изменению процессов индивидуального развития, вызывающему видоизменение фенотипа, т.е. к изменению проявления действии генов. Реализация наследственного признака или свойства организма является результатом взаимодействия генотипа и условий внешней среды.

Создавая определенные внешние условия, можно направлять действие генов в нужную нам сторону, т.е. управлять процессами индивидуального развития организма. Генетики давно обратили на это внимание. Проблема управления индивидуальным развитием привлекла внимание И.В. Мичурина. Он показал, что наследственная потенция организма огромна, и, подставляя соответствующие внешние условия для развития гибридов плодовых и ягодных растений, можно изменять доминирование и выявлять наиболее ценные наследственные качества и свойства организма.

По этому поводу И.В. Мичурин в 1929 г. писал: «В общем влияние всей совокупности внешних факторов на строение организма гибридов настолько велико, что в большинстве случаев значительно подчиняет себе действия наследственной передачи качеств и свойств растений-производителей. В особенности такое влияние резко отражается на состоянии материнского растения при закладке у него в строении семени зачатков будущего организма гибрида и на полученном гибриде в самой ранней стадии его развития, благоприятствуя одним и являясь непреодолимым препятствием для проявления других наследственных признаков». При этом И. В. Мичурин добавлял, что «в законе Менделя нисколько не отвергаю его достоинств, напротив, я лишь настаиваю на необходимости внесения в него поправок и дополнений…».

Одним из ярких примеров влияния внешней среды на действие гена и выражение признака является изменение доминирования. Так, И.В. Мичурин на гибриде груши маслинолистной (Pyrus elaeagnifolia) и сорта Бессемянка и на гибриде вишен Самарской и Владимирской показал, что в гибридном организме будут доминировать те свойства и признаки, которые встречают наиболее благоприятные условия для своего осуществления. Для той же цели управления доминированием им применялся «спартанский режим воспитания» гибридных сеянцев, а также метод ментора.

Изучение влияния внешних факторов на действие отдельных генов у животных также показало возможность изменять фенотип организма. Так, например, встречаются кролики с желтым и белым жиром. Кролики с желтым жиром имеют в своем генотипе рецессивную аллель у в гомозиготном состоянии. Наличие доминантной аллели гена У определяет белый жир. Этот ген контролирует выработку энзима, который разрушает желтый пигмент — ксантофилл, содержащийся в зеленом корме. Если кроликам с желтым жиром (по генотипу уу) давать корм, который не содержит ксантофилла, то у них будет образовываться белый жир, так как для реализации действия гена не будет создано подходящих условий.

У гибридов от скрещивания озимых и яровых форм пшеницы или ржи в первом поколении доминирует свойство яровости. Во втором поколении у ржи наблюдается расщепление в отношении 3:1, у пшениц могут быть расщепления 3:1 и 15:1 и более сложные. Если семена второго поколения посеять весной, то озимые формы будут куститься, но не будут колоситься, что даст возможность обнаружить расщепление. Если же эти семена предварительно прояровизировать, т.е. подвергнуть предпосевной обработке низкими температурами, то все растения второго поколения будут колоситься в год посева. В этом случае мы не обнаружим расщепления.

У одноклеточной зеленой водоросли хлореллы известны наследственные изменения, обусловливающие отсутствие хлорофилла. Эти формы не могут жить и размножаться в обычных условиях на свету, так как они не способны осуществлять фотосинтез. Но если в питательную среду для таких форм добавить глюкозу, то они смогут размножаться. Подобные опыты проводились и с бесцветными альбинотическими проростками кукурузы.

Можно твердо сказать, что бессмысленно представлять себе проявление наследственности вне конкретных условий внешней среды. Знание механизмов действия гена и особенностей влияния внешней среды на его проявление обеспечивает возможность управления развитием врожденных свойств. Благодаря этому развитие наследственных заболеваний у человека перестает быть фатальной неизбежностью. Изучение влияния внешних условий на породные и сортовые (т.е. наследственные) хозяйственно ценные свойства организмов расширяет возможности повышения продуктивности животных, растений и микроорганизмов.

Выводы

Итак, подводя итоги нашей работы можно сказать, что генетический анализ наследования и взаимодействия отдельных генов у организмов независимо от их филогенетического уровня и сложности организации служит необходимым начальным приемом, соответствующим качественному и количественному анализу в химии. Когда исследователь имеет дело с неизвестным ему химическим веществом, он в определенной последовательности исследует сначала группы элементов, а затем сами элементы и, наконец, их количественное соотношение.

Однако следует иметь в виду, что сам по себе генетический анализ взаимодействия генов является формальным, так как наследственные признаки используются в нем лишь в качестве «маркеров»для прослеживания судьбы генов в ряду поколений и их взаимосвязи на «финише» индивидуального развития, т.е. в фенотипе. Взаимодействие генных продуктов при формировании признаков данному анализу оказывается недоступным.

В ходе изложения неоднократно обращалось внимание на то, что все перечисленные закономерности поведения генов в хромосомах оказываются общими для животных и человека, для высших и низших растений, а также для одноклеточных организмов.

Из анализа расщепления, независимого комбинирования генов, а также их взаимодействия видно, что комбинация генов и их взаимодействие создают огромную наследственную изменчивость. В результате комбинации генов могут возникать новые наследственные признаки. Такого типа изменчивость называется комбинативной изменчивостью. Она играет существенную роль эволюционном процессе как источник изменчивости, как механизм, обеспечивающий сочетание наиболее приспособительных признаков для существования организмов.

Список использованной литературы

Актуальные вопросы современной генетики. /Под ред. С.И. Алиханяна. Изд. МГУ, 1966.

Алиханян С.И., Акифъев А.П., Чернил Л.С. Общая генетика. М., 1985.

Биологический энциклопедический словарь. М., 1986.

Ватти К.В., Тихомирова М.М. Руководство к практическим занятиям по генетике. М., 1979.

Гуляев Г.В. Генетика. М., 1977.

Дубинин Н.П. Генетика. Кишенев, 1985.

Инге-Вечтомов С.Г. Введение в молекулярную генетику. М., 1983.

Медведев Н.Н. Практическая генетика. М., 1968.

Лобашев М.Е. Генетика. Изд. ЛГУ, 1967.

Лобашев М.Е., Ватти К.В., Тихомирова М.М. Генетика с основами селекции. М., 1979.

Морган Т. Структурные основы наследственности. Москва — Петроград, 1924.

Натали В.Ф. Основные вопросы генетики. М., 1967.

Рокицкий П.Ф. Введение в статистическую генетику. Минск, 1978.

Серебровский А.С. Генетический анализ. М., 1970.

Уильяме У. Генетические основы и селекция растений. М., 1968.

Филипченко Ю.А. Генетика. Госиздат, 1929.

Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова биологический факультет кафедра антропологии

Реферат:

Введение в популяционную и

медицинскую генетику

Москва, 2001

Введение

Популяционная генетика – наука о генетических основах популяции. Это теоретическая область генетики, изучающая наследственную преемственность в популяциях, занимающаяся генетическим описанием и математическим исследованием самих популяций, и сил, на них действующих.

Наследственные изменения, происходящие в ряду поколений, лежат в основе процесса эволюции, поэтому популяционную генетику можно рассматривать как основу синтетической теории эволюции, т.е. объединения дарвиновской идеи естественного отбора и корпускулярной теории Менделя.
Математическая основа популяционной генетики была доказана Рональдом А.
Фишером (Fisher, 1930) в его фундаментальной теории естественного отбора.

Большая панмиксная популяция

Популяция — это сообщество особей одного вида, обладающих общим ареалом в течении длительного времени, расположенное отдельно от других сообществ и свободно скрещивающиеся между собой. Родственными узами связаны члены любой популяции, однако у организмов, размножающихся бесполым путем, отсутствуют связи, возникающие в результате перекрестного оплодотворения.
Сообщество особей, размножающихся половым путем называется менделевской популяцией.

Причиной того, что отдельно взятый генотип не может служить адекватной еденицей процесса эволюции, является то, что его генотип остается неизменным на протяжении всей его жизни, а время жизни организма ограничено. С другой стороны, популяция представляет собой непрерывный ряд поколений, а генетическая структура популяции может изменяться, т.е. эволюционировать, от поколения к поколению. Непрерывность существования популяции обеспечивается механизмом биологической наследственности.

При изучении процесса эволюции важное значение имеет представление о генофонде. Генофондом называется совокупность генотипов всех особей популяции. Для диплоидных организмов генофонд популяции, насчитывает N особей, состоящих их 2N гаплоидных генотипов. Таким образом, генофонд популяции из N особей включает в себя N пар гомологичных хромосом и 2N аллелей каждого локуса (4N, т.к. у диплоидного организма 2 локуса).
Исключение составляют половые хромосомы и сцепленные с полом гены, представленные в каждом гетерогаметном организме в одном экземпляре.

Непосредственно мы наблюдаем лишь фенотипы, а не генотипы или гены.
Изменчивость генофонда может быть описана либо частотами генов, либо частотами генотипов. Если мы знаем соотношение между генотипами и соответствующими им фенотипами, то по частотам наблюдаемых фенотипов мы можем рассчитать частоты соответствующих генотипов.

Частоты аллелей можно рассчитать по частотам генотипов, учитывая, что в гомозиготах содержится по два одинаковых аллеля, а в гетерозиготах – по одному аллелю каждого типа. Таким образом, что бы получить частоту аллелей каждого типа, нужно к частоте индивидуумов, гомозиготных по данному аллелю, прибавить половину частоты гетерозигот по этому аллелю. Если частоты генотипов представить как: гомозиготных (АА) – D, (аа) – R, гетерозиготного
(Аа) – H, то частоты аллелей считаются как: p = D + 1/2 H q = R + 1/2 H

Одна из причин, по которым генетическую изменчивость популяций часто предпочтительнее описывать, используя частоты аллелей, а не генотипов, состоит в том, что различных аллелей обычно бывает гораздо меньше, чем генотипов. При двух аллелях число возможных генотипов равно трем, при трех аллелях – шести, при четырех – десяти. В общем случае, если число различных аллелей одного локуса равно k, то число возможных генотипов равно k(k +
1)/2.

В 40-е – 50-е годы существовало две конкурирующих гипотизы о генетической структуре природных популяций. Согласно классической модели, генетическая изменчивость популяции очень мала, а согласно балансовой – очень велика.

По классической гипотизе подавляющее большинство локусов содержит аллели так называемого «дикого типа» с частотой, близкой к единицы.
Типичная особь гомозиготна по аллелю «дикого типа» или гетерозиготна по мутантному аллелю и аллелю «дикого типа». Нормальный («идеальный») генотип гомозиготен по аллелям «дикого типа» . Согласно балансовой теории, не существует какого-то одного аллеля «дикого типа», а присутствует целый ряд аллелей с различными частотами, следовательно, популяцию составляют особи, гетерозиготные по этим аллелям. Нормальный генотип отсутствует.

Биологическая эволюция – это процесс накопления изменений в организме и увеличения их разнообразия во времени. В своей основе эволюционные изменения имеют генетический аспект, т.е. происходит изменение наследственного вещества, которое, при взаимодействии со средой, определяет все признаки организма. На генетическом уровне эволюция представляет собой накопление изменений в генетической структуре популяций.

Эволюцию можно рассматривать как двуступенчатый процесс. С одной стороны. возникают мутации и рекомбинации – процессы, обуславливающие генетическую изменчивость; с другой стороны, наблюдается дрейф генов и естественный отбор – процессы, посредством которых генетические изменения передаются из поколения в поколение.

Эволюция возможна только в том случае, если существует наследственная изменчивость. Единственным поставщиком новых генетических вариантов служит мутационный процесс. Помимо мутаций к процессам, изменяющим частоты аллелей в популяции, относят естественный отбор, поток генов (т.е. миграция их) между популяциями и случайный дрейф генов. Частоты генотипов (но не аллелей!) могут изменяться также в результате ассортотивного, т.е. неслучайного, формирования брачных пар.

Итак, для описания генетической структуры популяций надо знать число аллелей и генотипов. Пусть генотипы различаются фенотипически: АА, Аа, аа; их частоты равны соответственно: D, H, R. Пусть p – частота аллеля А, q – частота аллеля а. В популяции, содержащей диплоидных особей, частоты аллелей будут равны: p = D + 1/2 H q = R + 1/2 H

Наследственность сама по себе не изменяет частот генов. Этот принцип известен под названием закона Харди-Вайнберга, фундаментального закона популяционной генетики.

Основное утверждение закона состоит в том, что в отсутствии элементарных эволюционных процессов, а именно мутаций, миграций, отбора и дрейфа генов, частоты генов остаются неизменными из поколения в поколение.
Этот закон утверждает также, что если скрещивание случайно, то частоты генотипов связаны с частотами генов простыми (квадратичными) соотношениями.
Случайное скрещивание происходит тогда, когда вероятность формирования брачной пары между особями не зависит от их генетической конституции. Когда на выбор брачного партнера оказывает влияние генотип, говорят об ассортативном скрещивании. Из закона Харди-Вайнберга вытекает следующий вывод: если частоты аллелей у ? и ? исходно одинаковы, то при случайном скрещивании равновесные частоты генотипов в любом локусе достигается за одно поколение.

Закон Харди-Вайнберга сформулировали в 1908 году независимо друг от друга математик Т. Харди (Англия) и врач В.Вайнберг (Германия). Он гласит, что процесс наследственной преемственности не влияет на число частот аллелей и (при случайном скрещивании) генотипов по определенному локусу.
При случайном скрещивании равновестные частоты генотипов по данному локусу достигаются за одно поколение, если исходные частоты аллелей одинаковы у обоих полов.

Равновесные частоты генотипов задаются произведением частот соответствующих аллелей. Если имеется два аллеля, А и а, с частотами p и q, то частоты трех возможных генотипов выражаются уравнением

(p + q)2 = p2 + 2pq + q2 = p2 + 2pq + q2, где p2 = AA = D, 2pq = Aa
= H, q2 = aa = R.

С учетом того, что сумма всех частот аллелей, как и сумма всех частот генотипов, всегда равна единице, то (p + q)2 = 1. Рассмотрим различные типы браков и их постоянства в двуаллельной популяции.

Таблица 1
|тип брака |частота |потомство |
| | |АА |Аа |аа |
|АА x АА |D2 |D2 | | |
|АА x Аа |2DH |DH |DH | |
|АА x аа |2DR | |2DR | |
|Аа x Аа |H2 |1/4H2 |1/2H2 |1/4H2 |
|Аа x аа |2RH | |RH |RH |
|аа x аа |R2 | | |R2 |
| |D+H+R |(D+1/2H)2 |2(D+1/2H)(R+1/|(R+1/2H)2 |
| | | |2H) | |
|сумма |1 |p2 |2pq |q2 |

Получаем, что в большой панмиксной популяции не зависимо от исходных генетических структур в первом же поколении после случайного скрещивания достигаются равновестные частоты генотипов.

Если у ? и ? генотипы разные, а численность полов одинакова, то для достижения равновесия потребуется два поколения
|? | | | |? |
|AA | |x | |aa |
|Аа | |x | |Аа |
|1/2A| |Aa| |1/2|
|A | | | |aa |
|1/4 |:|1/|:|1/4|
| | |2 | | |
|1 |:|2 |:|1 |

Одно из возможных применений закона Харди-Вайнберга состоит в том, что он позволяет рассчитать некоторые из частот генов и генотипов в случае, когда не все генотипы могут быть идентифицированности вследствии доминантности и гетерозиготности некоторых аллелей. Из закона Харди-
Вайнберга можно вывести интересное следствие: разные аллели присутствуют в популяции главным образом в гетерозиготном, а не в гомозиготном состоянии.
Рассмотрим пример. Альбинизм человека обусловлен довольно редким рецессивным геном. Если аллель нормальной пигментации обозначить как А, а аллель альбинизма – а, то генотип альбиносов будет аа, генотип нормально пигментированных людей – АА и Аа. Предположим, что частота генотипов альбиносов (частота рецессивной гомозиготы) равна 0,0001, т.е. q2 = 0,0001, тогда . q = 0,01, соответственно р = 1 – 0,01 = 0,99; частота генотипа АА будет равна 0,9801, а генотипа Аа – 2pq = 0,02. Следовательно, в гетерозиготном состоянии находится примерно в 100 раз больше рецессивных аллелей, чем в гомозиготном.

Для генов, сцепленных с полом, равновесные частоты генотипов у ?
(т.е. у гомогаметного пола) совпадают с равновесными частотами аутосомных генов (p2 – AA, 2pq – Aa, q2 – aa). Частоты гамет гемизиготных ? (т.е. гетерогаметного пола) совпадают с частотами аллелей: p – А, q – а. Из этого следует, что фенотипы, определяемые рецессивными генами, у ? встречаются чаще, чем у ?. Этим объясняется то, что наследственным заболеваниям, вызываемыми рецессивными, сцепленными с полом генами, больше подвержены ?.

Генетическое представление об изменчивости

Закон Харди-Вайнберга гласит, что при отсутствии возмущающих процессов частоты генотипов не изменяются. Однако процессы, изменяющие частоты генов, постоянно происходят в популяции, и без них не было бы эволюции.

Рассмотрим процесс мутирования. Мутации – спонтанные изменения, происходящие в ДНК. Они бывают точечные, или генные (самые локализованные мутации, происходят в самом гене), хромосомные (изменяющие структуру хромосом, например, делеции, транслокации) и геномные (изменяющие число хромосом). Мутации вносят в популяцию новые аллели. Это чрезвычайно медленный процесс, т.к. сами по себе они изменяют генетическую структуру популяции с очень низкой скоростью. Если бы мутации были единственным процессом, обуславливающим эволюционные изменения в популяциях, то эволюция протекала бы очень медленно.

Направленность мутаций в природе случайна и непредсказуема. Каким образом они появляются в популяциях и как распространяются? Рассмотрим пример.

В популяции, целиком состоящей из особей с генотипом АА, возникает мутация и появляется одна гетерозигота Аа. Предположим, что а эволюционно нейтральна (не подвержена действию естественного отбора). Гетерозигота АА скрещивается с гомозиготой аа:

Аа x АА потомки (в отношении) АА : Аа
(1/2 : 1/2), т.е. ген а может остаться в популяции или исчезнуть с вероятностью 1/2.
Если он останется и снова произойдет скрещивание, то во втором поколении новая аллель исчезнет из популяции или удвоится с вероятностью 1/4 и т.д.
Вероятность сохранения/удаления из популяции мутации зависит от числа потомков и находится как (1/2)k, где k – число потомков, k = 0, 1, 2, …

Исспользуя уравнение распределения Пуассона, можем рассчитать процент вероятности сохранения и потери нейтральной мутации. Для первого поколения вероятность сохранения мутации (в %) равен 63, потери –37, для второго соответственно 47 и 53, для третьего – 63 и 37 и т.д. Предельная вероятность исчезновения мутации равна 100%; в 127 поколении вероятность исчезновения мутации равна 98, 47% (почти 100%), следовательно, мутация исчезнет из популяции приблизительно через 130 поколений. Потеря мутаций – необратимый процесс.

Рассмотрим теперь повторные мутации. Скорость (или частота) возникновения мутаций является отношением числа мутировавших аллелей к общему числу аллелей в популяции. Она зависит от типа аллеля, а также от внутренних и внешних условий, меняется под действием различных факторов, например, радиации, высоких температур и т.п. При естественных условиях скорость возникновения мутаций колеблется от 10(-4) –10(-7).

Пусть в популяции нормальная аллель А с частотой в начальный момент времени равной p0, а мутантный аллель – а(q0). Скорость мутации из А в а –
U. Общая формула частот аллеля А будет pn = p0(1–U)n, а аллеля а – qn = 1
– p0(1 – U)n. Изменение частоты мутаций за поколение: ?q = Upn, т.е. чем больше р, тем с большей частотой аллель А переходит в аллель а.

Мутации могут происходить и в обратном направлении, за счет чего происходит компенсация и сохранение генетического разнообразия. Если А мутирует в а со скоростью U, а а обратно мутирует в А со скоростью V, тогда равновесные частоты аллелей будут равны p* = V/(U + V), q* = U/ (U + V).

Отметим два обстоятельства. Во-первых, частота аллелей обычно не находится в состоянии, отвечающим равновесию между прямыми и обратными мутациями, поэтому на них влияют и другие процессы (например, естественный отбор). Во-вторых, при наличии прямых и обратных мутаций изменения частот аллелей происходят медленее, чем в том случае, когда мутации идут только в одном направлении, посколько обратные мутации частично компенсируют изменение частоты аллелей в результате прямых мутаций. Это еще раз доказывает, что для того, что бы мутации сами по себе привели к сколько- нибудь значительному изменению частот аллелей, требуется много времени.

Естественный отбор

К идее естественного отбора как основного процесса эволюции пришли независимо друг от друга Чарльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес. В 1858 году на заседании Линнеевского общества в Лондоне были представлены сообщения об их открытии. Доказательства того, что эволюция происходит именно путем естественного отбора, были представлены Дарвином с приведением множества примеров в его работе «Происхождение видов», опубликованной в 1859 году.

Основой теории естественного отбора является факт, что некоторые генотипы в популяции имеют преимущества перед другими, как в выживании, так и при репродукции. То, что генотипы в данных условиях имеют возможность выжить и оставить плодовитое потомство, называется генетической приспособленностью. Она обуславливает направленное сохранение генотипа.

Естественный отбор благоприятствует (и противодействует) сохранению генотипа только через посредство фенотипа. В связи с этим выделено два исхода действия отбора: положительный отбор (сохранение «полезных» генотипов) и отрицательный отбор (эллиминация «вредных» генотипов). Таким образом, естественный отбор – это направленный процесс, движущая сила эволюции.

В качестве количественной меры отбора используется относительная приспособленность (называемая также селективным, или адаптивным значением).
Приспособленность является мерой эффективности размножения данного генотипа, мерой вклада его в следующее поколение.

Особенности существования организма на различных ступенях жизненого цикла могут оказывать влияние на его репродуктивный успех, определяющий направление естественного отбора и, следовательно, на приспособленности генотипов. Эти особенности сказываются на выживаемости, скорости развития, успешности спаривания, плодовитости и т.п., т.е. на величинах, называемых компонентами приспособленности. Важнейшими компонентами являются выживаемость и плодовитость. Другие компоненты могут рассматриваться самостоятельно или включаться в две основные.

Математические модели естественного отбора были описаны Райтом и
Фишером. Простейшая модель – популяция с одной парой аллелей, приспособленность к которой не зависит от других локусов.

Пусть АА, Аа, аа – генотипы популяции, их относительные приспособленности соответственно W11, W12, W22. Частоты генов равны p и q.

Таблица 2*
|Генотип |АА |Аа |аа |Сумма |
|Частота гена до |p2 |2pq |q2 |1 |
|отбора, f | | | | |
|Относительная |W11 |W12 |W22 | |
|приспособленность| | | | |
|, W | | | | |
|Частота гена |W11 p2 |2W12pq |W22 q2 |T |
|после отбора, fW | | | | |
|Новая частота |p12 |2p1q1 |q12 |1 |
|генотипа | | | | |

* – Т – сумма частот генов после отбора, p1,q1 – новые частоты генов, p1=(p2W11+pqW12)/T, q1=(q2W22+pqW12)/T.

Рассмотрим модели действия естественого отбора.

1. Полная эллиминация рецессивных гомозигот (летальных).

Генетическая приспособленность рецессивных гомозигот равна нулю, т.к. они летальны (либо не доживают до репродуктивного возраста, либо не оставляют потомства). Примером служит болезнь фенилкетонурия.

Таблица 3*
|Генотип |АА |Аа |аа |Сумма |
|Частота гена до |p2 |2pq |q2 |1 |
|отбора, f | | | | |
|Относительная |1 |1 |0 | |
|приспособленность| | | | |
|, W | | | | |
|Частота гена |p2 |2pq |0 |T = p2 +2pq |
|после отбора, fW | | | | |
|Частота после |1/(1+q)2 |2q/(1+q)2 |q2/(1+q)2 | |
|отбора, до | | | | |
|случайного | | | | |
|скрещивания | | | | |
|Новая частота |p12 |2p1q1 |q12 |1 |
|генотипа | | | | |
|Нормализованные |p2/(p2+2pq) |2pq/(p2+2pq) |0 | |
|частоты | | | | |

* – частоты аллелей после отбора: p1=1/(1+q); q1=q2/(1+q).

Количество изменений аллелей за одно поколение будет: ?q=–q2/(1+q).
?q пропорциональна q2 (частоте рецессивных гомозигот), т.е. чем больше частота, тем больше количество изменений. ?q всегда отрицательная величина
(или равная нулю), значит значение q уменьшается в результате отбора.
Иногда происходит не полная эллиминация, а частичный отбор, т.е. не все особи доживают до репродуктивного возраста и оставляют жизнеспособное потомство.

Введем понятие коэффициент отбора S, W = 1 – S. S пропорциональна снижению воспроизводства генотипа по сравнению с нейтральным, приспособленность которого условно принимается за единицу. Для нейтральных признаков S = 1, для нейтральных – S = 0.

Таблица 4*
|Генотип |АА |Аа |аа |Сумма |
|Частота гена до |p2 |2pq |q2 |1 |
|отбора, f | | | | |
|Относительная |1 |1 |1–S | |
|приспособленность| | | | |
|, W | | | | |
|Частота гена |p2 |2pq |q2(1–S) |T=1–Sq2 |
|после отбора, fW | | | | |
|Нормализованные |p2/(1–Sq2) |2pq/(1–Sq2) |q2(1–S)/(1–Sq| |
|частоты | | |2) | |
|Частота после |p12 |2p1q1 |q12 | |
|отбора, до | | | | |
|случайного | | | | |
|скрещивания | | | | |

* – частоты аллелей после отбора: p1= p/(1–Sq2); q1=q2(1–Sq)/(1–Sq2).

Примером отбора против рецессивных гомозигот служит явление индустриального меланизма, изученное в Англии на бабочках Biston betularia.
До середины XIX века эти бабочки имели светло-серую окраску. Затем, в промышленных районах, там, где стволы деревьев постепенно почернели от копоти и сажи, стали появляться темные бабочки. В некоторых местностях темная разновидность почти полностью вытеснила светлую. Светло-серые бабочки гомозиготны по рецессивному аллелю, темные – либо гетерозиготны, либо гомозиготны по доминантному аллелю.

Вытеснение в промышленных районах светлой разновидности Biston betularia темной происходило благодаря избирательному истреблению бабочек птицами: на почерневшей от копоти коре светлые бабочки становились более заметными, в то время как темные были хорошо замаскированы. Бабочек отлавливали, метили и при повторном отлове доля темных бабочек составляла
53%, а светлых – 25%. Посколько плодовитость обеих форм примерно одинакова, можно предположить, что их относительные приспособленности определяются исключительно в выживаемости, обусловленной их неодинаковой уязвимостью для насекомоядных птиц.

2. Отбор против доминантных аллелей.

Это часто встречающийся тип отбора, к нему относятся почти все геномные и доминантные генные мутации.

Отбор против доминантных аллелей идет более эффективно, чем отбор против рецессивных, поскольку доминантные аллели проявляются не только в гомозиготном, но и в гетерозиготном состоянии.

Таблица 5*
|Генотип |АА |Аа |аа |Сумма |
|Частота гена до |p2 |2pq |q2 |1 |
|отбора, f | | | | |
|Относительная |1–S |1–S |1 | |
|приспособленность| | | | |
|, W | | | | |
|Частота гена |p2(1–S) |2pq(1–S) |q2 |T=1–S+Sq2 |
|после отбора, fW | | | | |
|Нормализованные |p2(1–S)/T |2pq(1–S)/T |q2/T | |
|частоты | | | | |
|Частота после |p12 |2p1q1 |q12 | |
|отбора, до | | | | |
|случайного | | | | |
|скрещивания | | | | |

* – частоты аллелей после отбора: p1= p(1–S)/T; q1=q(1–pS)/T.

Изменение частоты доминантного аллеля: p=–(Sq2(1–q))/(1–Sq2), уже за одно поколение отбора частота p уменьшится. Если доминантная аллель летальна, то ? p = –p и за одно поколение аллель полностью исчезнет из популяции.

3. Отбор в пользу гетерозигот.

Такой отбор происходит, когда обе гомозиготы имеют пониженную приспособленность по сравнению с гетерозиготой (W11W22) и называется сверхдоминированием, или гетерозисом.

Таблица 6*
|Генотип |АА |Аа |аа |Сумма |
|Частота гена до |p2 |2pq |q2 |1 |
|отбора, f | | | | |
|Относительная |1–S1 |1 |1–S2 | |
|приспособленность| | | | |
|, W | | | | |
|Частота гена |p2(1– S1) |2pq |q2(1–S2) |T=1–S1 |
|после отбора, fW | | | |p2–S2q2 |
|Нормализованные |p2(1– S1)/T |2pq/T |q2(1–S2)/T | |
|частоты | | | | |
|Частота после |p12 |2p1q1 |q12 | |
|отбора, до | | | | |
|случайного | | | | |
|скрещивания | | | | |

*– частоты аллелей после отбора: p1= (p– p2S1)/(1–S1 p2–S2q2); q1= (q
– q2 S2)/(1–S1 p2–S2q2).

? q=pq(pS1– qS2)/(1–S1 p2–S2q2); при положительных значениях частота рецессивного признака увеличивается, при отрицательных – уменьшается, до тех пор. пока не достигнется состояние равновесия, т.е. pS1=qS2.
Равновестные частоты равны q*= S1/(S1+ S2), p*=S2/(S1+ S2). Равновесия при отборе в пользу гетерозигот – устойчивое, оно определяется коэффициентом отбора.

Рисунок 1.

Хорошо известным примером сверхдоминирования может служить серповидноклеточная анемия, широко распространенная в некоторых странах
Африки и Азии. Нормальный гемоглобин обозначается HbAHbA, аномальный –
HbSHbS. Возможно наличие трех вариантов генотипов: HbAHbA (1– S1), HbAHbS
(1), HbSHbS (1–S2). S2 близок к единице, т.к. HbSHbS редко выживают.
Приспособленность HbAHbA близка к единице в районах, где малярия не наблюдается. Из этого следует, что q*= S1/(S1+ S2) приблизительно равна
S1/(1+S1).

Несмотря на то, что большинство людей с генотипом HbSHbS погибают до достижения половозрелости, частота аллеля HbS достигает в ряде районов земного шара довольно высоких значений, причем именно в тех районах, в которых распространена особая форма малярии, вызываемая паразитом
Plasmodium falciparium. Гетерозигота HbAHbS более устойчива к малярии, чем нормальная гомозигота HbAHbA, поэтому в районах рапространения малярии указанной формы она обладает селективным преимуществом по сравнению с обоими гомозиготами, у которых смертность от анемии (HbSHbS) или от малярии
(HbAHbA) выше, чем у гетерозигот.

Серповидноклеточная анемия представляет собой пример зависимости приспособленности генотипов от окружающей среды. В тех местах, где малярию искоренили или где ее никогда не было, гомозиготы HbAHbA обладают одинаковой приспособленностью с гетерозиготами. При этом направление отбора изменяется, он уже не благоприятсвует гетерозиготам, а направлен против рецессивных гомозигот и приводит к эллиминации рецессивного аллеля.

4. Отбор против гетерозигот.

Возможны ситуации, в которых гетерозигота обладает более низкой приспособленностью, чем обе гомозиготы. Примером такого рода могут служить транслокации, что связано с более низкой плодовитостью гетерозигот в данном случае.

Таблица 7*
|Генотип |АА |Аа |аа |Сумма |
|Частота гена до |p2 |2pq |q2 |1 |
|отбора, f | | | | |
|Относительная |1 |1–S |1 | |
|приспособленность| | | | |
|, W | | | | |
|Частота гена |p2 |2pq(1–S) |q2 |T=1–2Spq |
|после отбора, fW | | | | |
|Нормализованные |p2/T |2pq(1–S)/T |q2/T | |
|частоты | | | | |
|Частота после |p12 |2p1q1 |q12 | |
|отбора, до | | | | |
|случайного | | | | |
|скрещивания | | | | |

*– частоты аллелей после отбора: p1= p(1– pS)/(1–2Spq); q1= q(1– pS)/(1–2Spq).

?q=2Spq(q–1/2), 1/2 – точка равновесия, равновесие неустойчивое.

Рисунок 2

5. Частотно – зависимый отбор.

К устойчивому генетическому полиморфизму может приводить не только преимущество гетерозигот, но и частично-зависимый отбор, при котором приспособленности генотипов изменяются в зависимости от их частот.
Предположим, что приспособленности двух генотипов, AA и aa, связаны с их частотами обратной зависимостью: приспособленность велика, когда генотип редок, приспособленность мала, если генотип широко встречается в популяции.
При изменчивой среде редким генотипам может быть свойственна высокая приспособленность, поскольку сочетание условий, при которых отбор благоприятствует таким генотипам, могут встречаться довольно часто. Когда же какой-нибудь генотип широко распространен в популяции, он может обладать низкой приспособленностью, т.к. благоприятствующие ему сочетания внешних условий будут встречаться значительно реже.

Частотно-зависимый половой отбор возникает, когда вероятность скрещиваний зависит от частот соответствующих генотипов. Нередко при выборе брачных партнеров предпочтение придается носителям редких генотипов, особенно если они выражены фенотипически. Это предпочтение представляет собой один из механизмов поддержания генетического полиморфизма в популяциях, поскольку приспособленность генотипа повышается по мере того, как он становится редким. Частотно-зависимый отбор особенно важен при наличии миграций.

6. Общая модель действия отбора на популяцию по одному локусу.

Эта модель связана с понятием средней приспособленности популяции,
Wср.

Таблица 8*
|Генотип |АА |Аа |аа |Сумма |
|Частота гена до |p2 |2pq |q2 |1 |
|отбора, f | | | | |
|Относительная |W1 |W2 |W3 | |
|приспособленность| | | | |
|, W | | | | |
|Частота гена |W1 p2 |2W2pq |W3 q2 |Wср |
|после отбора, fW | | | | |
|Нормализованная |W1 p2/ Wср |2W2pq/ Wср |W3 q2/ Wср |1 |
|частота генотипа | | | | |

* – Wср= W1 p2+2W2pq+ W3 q2.

Общая формула для всех типов отбора следующая:

?q=(pqdWср)/(2Wсрdq); при равновесии ?q=0, dWср/dq=0, между средней приспособленностью и изменением частоты рецессивного аллеля наблюдается обратная пропорциональность.

Совместное действие мутаций и отбора

Во всех случаях отбора его окончательный результат был одним и тем же
– «вредный аллель» полностью эллиминировался из популяции. Присутствие этих аллелей в популяции поддерживалось мутациями. Эффекты этих двух процессов уравновешивали друг друга, когда число вредных аллелей, исчезнувших и появившихся в результате двух этих процессов, было одинаково.

В равновесном состоянии между действием мутаций и отбора против рецессивных гомозигот, при U – скорости мутирования за поколение и S – интенсивности отбора, частота рецессивного аллеля q* =(U/S)1/2, а для летальных рецессивных гомозигот q* =(U)1/2.

Рисунок 3

Равновесие устойчивое, благодаря чему «вредные» гены нельзя удалить из популяции.

Для случая, когда происходят мутации и отбор против доминантных аллелей, скорость мутирования равна V, p* =(V/S)1/2, для летали – p*
=(V)1/2. Пример – брахидактилия.

Случай неустойчивого равновесия наблюдается при отборе против гетерозигот, W1=W2, q* =U/S.

Миграция и инбридинг

Миграции, или поток генов, возникает, когда особи из одной популяции перемещаются в другую и скрещиваются с представителями второй популяции.
Поток генов не изменяет частот аллелей у вида в целом, однако в локальных группах они могут изменяться. Эффективность обмена генами зависит от структуры популяции, от интенсивности миграции и различий в частотах гена.

Если в локальную популяцию с определенной частотой входят мигранты
(скорость миграции – m), то в следующем поколении потомки получат долю генов m от мигрантов и (1–m) – от аборигенов. С учетом начальных частот генов q0 и Q соответственно для исходной и соседней популяций, получим изменение гена за одно поколение ? q= – m(q0– Q) и через n поколений qn–Q
=(1– m)n(q0– Q); частоты генов локальной популяции будут стремиться к частотам гена мигрантов.

Интересную форму ассортативного скрещивания представляет собой инбридинг, когда скрещивание между родственными особями происходит чаще, чем можно было бы ожидать на основе случайного скрещивания. Ограниченность в выборе партнера приводит к тому, что у одной особи могут встретиться два идентичных аллельных гена, имеющих общее происхождения.

Самым крайним случаем инбридинга является самооплодотворение, или самоопыление. Инбридинг часто используют в садоводстве и животноводстве. В человеческих популяциях инбридинг повышает частоту проявления вредных рецессивных аллелей.

Вероятность инбридинга описывает коэффициент инбридинга (F), являющийся мерой его генетических последствий. Вычислить его можно, опираясь на частоты аллелей родителей и потомства, а также при помощи так называемого коэффициента путей, для нахождения которого строится родословная интересующих нас особей, выбирается один из ближайших предков, для которого существует R путей, состоящих из шагов: m1, m2,…, mx. Для t общих предков: R=1/2(S по i от 1 до t) x. Отсюда F=1/2(S по i от 1 до t)((1/2)mi–1).

Рисунок 4

2 предка; путь каждого – по 4 шага;

=> 2 пути

Приведем примеры коэффициента инбридинга F для различных случаев скрещивания:

F(дядятетя x племянницаплемянник)= 1/8

F(двоюродные сибсы)= 1/16

F(двоюродный(-ая) дядятетя x племянницаплемянник)= 1/32

F(троюродные сибсы)=1/64

F отражает в популяции избыток особей, гомозиготных по какому-нибудь локусу, показывая также увеличение доли гомозиготных локусов в генотипах отдельных особей.

Учитывая коэффициент инбридинга, мы можем получить обобщенный закон
Харди-Вайнберга, называемый законом Райта.

Пусть в гомозиготе AA с вероятностью F оба аллеля идентичны, а с вероятностью (A–F) – независимы, т.е. происходят от разных предковых аллелей. Частота AA равна p, частота aa – q; с вероятностью pF гомозигота
AA будет идентична, с вероятностью qF гомозигота aa будет идентична.

Частоты генотипов в популяции (при инбридинге) будут следующие:

AA= p2+Fpq

Aa=2pq–2Fpq aa=q2+Fpq

Отсюда видно, что частота гомозигот увеличивается, а частота гетерозигот уменьшается при имбридинге. При этом коэффициент имбридинга
Райта (F) не связан с изменением частот аллелей, а указывает на то, как аллели объединяются в пары.

Имбридинг обычно приводит к понижению приспособленности потомства вследствии ухудшения таких важных характеристик организма, как плодовитость, жизнеспособность, устойчивость к болезням. Это явление принято называть имбредной депрессией. Она обусловлена повышением степени гомозиготности по вредным рецессивным аллелям. Имбредной депрессии можно противопоставить скрещивание между представителями независимых имбредных линии. Такие гибриды обычно обнаруживают заметно возросшую приспособленность. Говорят, что такие гибриды обладают гибридной мощностью, или гетерозисной силой. Независимые имбредные линии обычно становятся гомозиготными по «вредным» аллелям; при скрещивании между двумя такими линиями можно сохранить в потомстве гомозиготность по искусственно отобранным признакам, тогда как «вредные» аллели переводятся в гетерозиготное состояние.

У человека имбридинг приводит к возникновению имбредной депрессии, поэтому в большинстве человеческих культур запрещены кровнородственные браки, хотя в некоторых популяциях они все же существуют. С учетом накопления вредных аллелей в потомстве от браков между родственниками, частота появления новорожденных с различными дефектами примерно вдвое выше, чем в потомстве не состоящих в родстве супругов. Впрочем, это касается рецессивно наследуемых дефектов; вероятность появления доминантнозависимых дефектов от родственных браков не выше, чем в потомстве от неродственных браков.

Генетическая структура подразделенной популяции

Большая популяция называется подразделенной, если она состоит из некоторого числа популяций, каждая из которых является самостоятельной единицей, скрещивание между ними происходит случайно (в зависимости от типа изоляции – полной или частичной).

Случай полной изоляции.

Пусть частота аллеля a – qi в i-группе, рi – частота A, k – количество групп. qi + рi=1. Среднее значение частот по группам qср и рср: qср= (Sqi)/k рср=(S рi)/k

Насколько велика изменчивость гетерогенной популяции, можно узнать с помощью ?2 (вариансы):

?2q= ?2p= (Sqi2)/k – qср2=(S pi2)/k – pср2

AA – pср2+ ?2 рi

Aa=2piqi–2?2 q2 aa – qср2+ ?2 qi

Получаем. что процент гомозигот увеличивается (как при имбридинге).

Случай частичной изоляции (последствия миграций).

При миграциях различия между группами сглаживаются, ?2 (и F) уменьшаются. Этот случай хорошо иллюстрирует островная модель Райта.

Рисунок 5

qi!= qi – m(qi –qср)

? q= – m(qi –qср)

?2 qi= (1–m)2?2 q2

Частоту мутаций определяют двумя методами.

Прямой метод. Применяним только к доминантным мутациям для одного аллеля, признак которых не вызывается негенетическими факторами.
Производится подсчет всех носителей доминантных мутаций в популяции, родители которых имели нормальные аллели и считается их отношения.

Косвенный метод. Подходит как для доминантных, так и для рецессивных мутаций (в гетерозиготе мутации не проявляются).

Допустим, что между подгруппами возможны миграции и на популяцию действует отбор, тогда для генотипов AA, Aa, aa, с промежуточными приспособленностями W1, W2, W3, равными соответственно 1, 1–S,
1–2S (S – коэффициент отбора), скорость миграции равна m. q*= {(m+S)±( (m+S)2–4mS qср)1/2}/2S.

Если S>0, то отбор будет направлен против рецессивных гомозигот, если
S>m) или миграций (|S|

[pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] |
|
| Шиповник майский |
|[pic][pic][pic] |
| |
|[pic] |
|Шиповник майский |
| |
|Шиповник собачий |
|ШИПОВНИК МАЙСКИЙ (Ш. КОРИЧНЫЙ, РОЗА КОРИЧНАЯ) — Rуsa majбlis Herrm. =|
|R. cinnamуmea L. (лат. назв. розы, возможно, связано с кельт. rhodd -|
|красный; лат. cinnamomeus, a, um — коричный, из-за коричневой окраски|
|ветвей, сходной с корицей, majalis, e — майский). Колючий кустарник |
|из семейства розоцветных — Rosaceae высотой 0,5-2 м. Старые ветви |
|буровато-коричневые, цветоносные — усажены редкими, загнутыми книзу |
|серповидно изогнутыми сплюснутыми в основании шипами, расположенными |
|попарно в основании листовых черешков; бесплодные ветви — турионы |
|(годовалые стерильные побеги) с тонкими прямыми шипами. Листья |
|сложные, непарноперистые, с 5-7 парами продолговато-эллиптических или|
|яйцевидных, по краю зубчатых листочков, с двумя прилистниками. Цветки|
|крупные, одиночные или по 2-3, на коротких цветоножках, с |
|ланцетовидными прицветниками, пятичленные, с розовым или |
|темно-красным венчиком и простыми цельными ланцетовидными |
|чашелистиками. Плод — цинародий (один из типов апокарпного плода) |
|шаровидной, сплюснуто-шаровидной, реже яйцевидной или эллиптической |
|формы, гладкий, оранжевый или красный, мясистый, с сохраняющимися, |
|вверх направленными чашелистиками; внутри гипантия — многочисленные |
|опушенные плодики-орешки, которые созревают в августе-сентябре. |
|В качестве лекарственного сырья используют плоды шиповника — Fructus |
|Rosae. Плоды собирают в августе — октябре до заморозков, когда они |
|приобретают ярко-красную или оранжевую окраску и остаются твердыми. |
|Сушат их быстро, при температуре 80-90°С. |
|Применяются в виде настоя, экстракта, сиропов; входят в состав |
|витаминных и поливитаминных сборов и микстуры по прописи Траскова. |
|Препараты используют как поливитаминное средство при гипо- и |
|авитаминозах и при заболеваниях, сопровождающихся повышенной |
|потребностью организма в витаминах. Из плодов, кроме того, получают |
|масло шиповника, богатое витамином Е и каротиноидами, и Каротолин, |
|применяемые как ранозаживляющие средства. |
|Плоды шиповников из секции собачьих — Canina, в частности Ш. |
|собачьего — R. canina L. беднее аскорбиновой кислотой, но содержат |
|органические кислоты. Используют для производства желчегонного |
|препарата холосас и каротолина. |
|В гомеопатии применяется Ш. собачий. |
| |
| |
|[pic] |
| |
| |

|Интересные факты о розах |
|Роза является национальным цветком США, Англии и Ирана. |
|Все классы роз названы по представителям, изначально произраставших в |
|северном полушарии, а ниже экватора нет ни одного «родного» для него |
|класса — все привозные. |
|Дикую розу Rosa Acicularis можно встретить в районе Северного Полярного |
|Круга. |
|Одно из древнейших изображений розы найдено на острове Крит и датируется |
|примерно 2000 г. до нашей эры. |
|Задолго до того, как Сафо увековечила розу эпитетом «королева цветов», |
|греки называли ее «король цветов». |
|Происхождение слова «шляпа» восходит к «шапо», «шапель» — римский венок |
|из роз. |
|В раннем христианстве роза была символом тех, кто выжил в результате |
|преследований и гонений. |
|В Россию роза попала только в 16 веке, и вначале была достоянием лишь |
|царского двора. Как украшение садов она стала появляться лишь при Петре I|
|и особенно при императрице Екатерине II. |
|Лучшими розоводами мира по праву считаются французы, никто не продает |
|больше роз, чем голландцы, болгары известны производством розового масла.|
| |
|Розовое масло (по большей части синтетическое) входит в состав 46% |
|мужской и 98% женской парфюмерии. Однако из всего разнообразия в |
|парфюмерии используется только два вида роз — дамасская и центифолия. |
|Натуральное розовое масло — одно из самых дорогих, на международном рынке|
|оно ценится дороже золота и платины. Для получения одного килограмма |
|розового масла требуется в среднем три тонны лепестков. |
|Больше всего роз в мире — около 3 миллионов — продается в День Святого |
|Валентина. |
|Желтые, оранжевые, коралловые розы появились от скрещивания с дикой розой|
|Персидская желтая, а ярко-красный цвет — наследство китайских роз. |
|Ген, отвечающий за аромат, рецессивен, т.е. если скрестить две розы с |
|сильным ароматом, получится гибрид либо со слабым запахом, либо вообще |
|без него. |
|Одним из первых термин «ароматерапия» предложен русским ученым |
|Н.А.Кюнцелем в 30-х годах. Люди, регулярно вдыхающие аромат розы, |
|вызывают симпатию окружающих, имеют светлую ровную ауру, доброжелательны |
|и ненавязчивы. |
|Оказывается, ничто так не помогает почувствовать себя в чужих стенах, как|
|дома, как аромат болгарской розы в ничтожной, едва уловимой самым тонким |
|обонянием концентрации. |
|Современные розы бывают практически всех цветов, за исключением синего и |
|черного: отсутствуют естественные гены. Однако голубой розой сейчас |
|занимается генная инженерия, а черную заменяют очень темно-красные |
|оттенки. |
|Когда лепестки «Аптекарской розы» (Apothecary’s Rose) высыхают, их аромат|
|усиливается. |
|У Авиценны перечень показаний, при которых используется роза, занимает |
|две страницы. |
|В Японии выведена роза, у которой днем ярко-красные лепестки, а вечером |
|белые. Сорт назван «Хамелеон». |
|Самая большая одиночная роза — белый куст Lady Banks в США, штат Аризона |
|- занимает площадь, равную футбольному полю. В сезон цветения он |
|покрывается более чем 200 тысячами цветов. Представители Книги рекордов |
|Гиннеса замеряют его каждый год. |
|Бутоны самой маленькой розы сорта «Си» (по-испански — «Да») не больше |
|зернышка риса. |
|Старейшая в мире роза находится в Германии — 1000-летний куст у собора в |
|Хильдесхайме, который уже почти достиг крыши этого здания (а вообще |
|средняя продолжительность жизни роз — 25 лет). |
|Библиотека Конфуция насчитывала около 600 томов о розах. Шекспир в своих |
|поэмах упоминал о розах более 50 раз. |
|В США о розах написано около 4 тысяч песен, самые известные — Moonlight |
|and Roses, The Last Rose of Summer, Yellow Rose of Texas, Days of Wine |
|and Roses, I Didn’t Promise You a Rose Garden и т.д. |
|Розами также называют фанатские шарфы болельщиков спортивных команд. |
|Источники: http://www.rose-2002.org/quiz.html, |
|http://znatoki.kulichki.net, |
|http://www.rosesinc.org, http://www.aboutflowers.com, есть еще, но точно |
|уже не помню |
|Именно благодаря розе Колумб открыл Америку. Согласно письменным |
|источникам, 11 октября 1492 года в заштилевшем Саргассовом море член |
|команды Колумба увидел розовую ветвь. Этот знак приближающейся земли |
|укрепил надежды мореплавателей и вдохновил на поиски Нового Света. |
|(http://rus.roses.ru) |
|Подборка интересных фактов с сайта «Путешествия натуралиста» |
|(www.naturalistravel.ru) |
|Роза у древних считалась цветком священным, отпугивающим своим |
|божественным ароматом всякую нечистую силу. Именно поэтому так ценилось и|
|розовое масло. |
|Некоторые прекрасные девы, отвергнутые своими любимыми, даже уходили из |
|этого мира с помощью роз: ставили на ночь огромный букет и навсегда |
|засыпали, убаюканные запахом цветов… Такая смерть считалась у древних |
|не грехом, а чистым переходом в лучший мир! |
|По представлениям индусов воплощение в виде розы означало высшее |
|признание небес, грядущую миссию праведника. |
|Считалось, что в заповедной стране Востока, легендарной Шамбале, |
|расположенной в тибетских горах, розовый сад есть и у самого Великого |
|Владыки! И что все цветы там, а особенно розы, огромного размера, а |
|запахи этих Великих Роз праведный человек может ощутить не только в |
|каком-нибудь очень далеком городе низины, но и в любом уголке мира. |
|Западные традиции сделали розу цветком Богоматери. Поэтому рыцари, |
|отправлявшиеся в крестовые походы, любили брать с собой розу. А если воин|
|«Гроба Господня» погибал, его товарищи считали, что душа убиенного |
|отлетает на небо в виде розы, приумножая таким образом бессмертный и |
|никогда не вянущий букет Матери Спасителя. В России роза тоже была |
|священным цветком, принадлежащим Богородице. |
|Наконец, самые смелые искатели эликсира бессмертия утверждают, что в |
|качестве обязательного компонента в нем должны находиться истолченные |
|лепестки розы. И кто знает, так ли уж они далеки от истины? |

|История, легенды, сказки о розах |
| |
|Мировая история |
|Роза в книге Н.Ф. Золотницкого «Цветы в легендах и преданиях» |
|Из этой известной и интереснейшей книги, изданной в Москве в |
|1913 году, сюда просто просится глава о розах 🙂 |
|Жизнь растений — Роза на сайте «Путешествия натуралиста» |
|»Вечная возлюбленная человека, чье происхождение и «книга |
|странствий» по сей день занимают не только садоводов, но и |
|историков. Откуда она, таинственная незнакомка?» |
| |
|Происхождение названий отдельных сортов роз |
|Роза была выведена во Франции накануне оккупации во время |
|Второй мировой войны. Несколько растений на последнем самолете |
|успели вывезти в США… Мир (Peace, Gloria Dei) |
|Началось все, конечно, с розы. Сорт «Тадж-Махал», |
|темно-розовая, крупноцветная чайно-гибридная, выведена в США в |
|1972 г. Красота. А потом я решила узнать побольше про сам |
|мавзолей Тадж-Махал. В общих чертах эта история любви почти |
|четырехсотлетней давности известна всем, но углубившись в |
|детали, я была потрясена до глубины души. Если совсем кратко, |
|то: Тадж-Махал расположен в индийском городе Агра, построен в |
|1632-53 гг. императором Шах Джаханом из династии Великих |
|Моголов в память своей жены Мумтаз Махал. А если довериться |
|тайнам неторопливо-томного Востока, то получится сказка, |
|достойная Тысячи и Одной Ночи… Тадж-Махал |
| |
|Сказки о розах |
|»Жил когда-то на свете восточный царь — могучий падишах. Многие|
|завидовали его богатствам, а для падишаха дороже всех сокровищ |
|была единственная дочь — красавица принцесса. Вокруг дворца |
|падишаха цвели чудесные розы…» Турецкая сказка о розе |
| |
|Сказки для детей изрядного возраста |
|Г.Х. Андерсен. |
|»Сад окружала живая изгородь из орешника. За нею начинались |
|поля и луга, где паслись коровы и овцы. Посреди сада цвел |
|розовый куст, а под ним сидела улитка. Она была богата |
|внутренним содержанием — содержала самое себя…» Улитка и розы|
| |
|»Все восточные сказания говорят о любви соловья к розе: в тихие|
|звездные ночи несется к благоухающему цветку серенада крылатого|
|певца…» Роза с могилы Гомера |
|Розы в жизни Г.Х. Андерсена |
|»Эта тема дважды неисчерпаема: сказочник и розы. Две |
|неисчерпаемости заставляют быть романтичным. Романтика — как |
|форма и содержание бытия.» |

Федеральное агентство по образованию

Пензенский государственный педагогический университет

им. В. Г. Белинского

Факультет Кафедра

Естественно-географический биохимии

Реферат на тему:

Общая характеристика пептидгидролаз нервной ткани нелизосомальной локализации и особенности их функций. Эндопептидазы

Студент ____________________________________________

подпись

Руководители _______________________________________

подпись

______________________________________

подпись

Пенза, 2008 г

Краткая историческая справка изучения протеолитических ферментов нервной ткани

Прогресс в изучении протеолитических ферментов мозга, а также других органов и тканей, наметившийся в последние годы, обусловлен тем, что на смену традиционным представлениям о роли пептидгидролаз, как внутриклеточной системе деградации белка, сформировалось новое понимание их биологической роли. При этом, интересы нейрохимиков концентрируются на изучении протеолитических ферментов внелизосомальной локализации, поскольку становится понятным, что многие из этой группы пептидгидролаз имеют непосредственное отношение к физиологическим процессам, лежащим в основе функциональной деятельности нервной системы.

Общая характеристика пептидгидролаз нервной ткани нелизосомальной локализации и особенности их функций

В нервной ткани, как и в большинстве органов и тканей животных, имеется сложная система протеолиза, включающая различные по внутриклеточной локализации и специфичности действия протеолитические ферменты . В настоящее время внутриклеточные ферменты разделяют на две группы в соответствии с локализацией в клетке и их функциональной ролью .

К первой группе относятся пептидгидролазы лизосом, а ко второй – ферменты внелизосомальной локализации. Последние в свою очередь в зависимости от их локализации и специфических функций подразделяют на три подгруппы.

Изначально разделение было основано на представлении о существовании двух путей катабализма белка в клетке – лизосомального и нелизосомального, но исходя из сегодняшних представлений о биологической роли пептидгидролаз нелизосомальной локализации, этот принцип разделения, по-видимому, не является определяющим. На самом деле гидролиз белка в клетке может идти по двум путям – лизосомальному и нелизосомальному, однако, вклад в процесс деградации белка этих путей не равнозначен. Различие определяется прежде всего особенностями внутриклеточной организации систем пептидгидролаз лизосом и нелизосомальной локализации. Надо полагать, что лизосомальный путь белкового катаболизма более эффективный как по скорости, так и по глубине деградации белка, поскольку он обеспечивается различным по специфичности действия комплексом ферментов эндо- и экзопептидазного характера действия одних и тех же компартменов – лизосом. Лимитирующим фактором, определяющим скорость распада белка в данном случае является образование вторичных лизосом. Последующий ход событий характеризуется быстрой деградацией фагоцитируемого белка ферментами лизосом .

Конечными продуктами гидролиза белка в лизосомах являются преимущественно свободные аминокислоты . Протеолитические ферменты лизосомального аппарата, таким образом, осуществляют полный гидролиз белка, оказавшегося внутри лизосом. Потенциальные возможности лизосомального пути внутриклеточной деградации белка, судя по возрастанию количества лизосом при изменении функционального состояния организма и тем более при патологии, достаточно велики, чтобы обеспечить катаболическую фазу белкового обмена в клетке.

Тем не менее, в клетке имеется система протеолитических ферментов нелизосомальной локализации. В нервной ткани эта система представлена большим набором как эндо-, так и экзопептидаз . Для некоторых ферментов установлена локализация их в клетке, изучены особенности регионального распределения. В клетке практически нет компартментов, где бы не были обнаружены протеолитические ферменты.

Надо полагать, что определенная часть белков нервной ткани подвержена действию протеолитических ферментов внелизосомальной локализации, однако, вклад пептидгидролаз этой системы в общий процесс внутриклеточной деградации белка значительно меньший по сравнению с лизосомальной системой . Обусловлено это множеством факторов, которые и определяют особенности системы протеолиза внелизосомальной локализации.

Наиболее существенным фактором является разобщенность в локализации и действии пептидгидролаз. Ферменты нелизосомального пути гидролиза белка большей частью находятся в связанном состоянии с мембранными образованиями различных субклеточных структур . Несомненно, в клетках мозга имеется определенная организация в локализации пептидгидролаз, определяющая их степень и последовательность участия в каталитическом процессе, однако трудно предположить, что в масштабах клетки пептидгидролазы нелизосомальной локализации представляют собой систему непрерывного конвейера, где белок относительно быстро и полно разрушается до аминокислот. Подобный механизм разрушения белка в клетке известен лишь с участием лизосомальных пептидгидролаз. Другие замкнутые системы сообщества пептидгидролаз, близкие к лизосомальным (пептидгиролазы секреторных везикул), содержат ограниченный набор индивидуальных ферментов с ограниченной специфичностью действия . Их протеолитические ферменты участвуют в двух, трех актах гидролиза белка при процессинге секретируемых белков и регуляторных пептидов . В основном же, пептидгидролазы, находящиеся в различных компартментах клетки, естественно, лишены возможности одновременно действовать на белок, подвергая его полному гидролизу. Разобщенность в локализации, таким образом, является одним из эффективных факторов, сдерживающих полную деградацию белка ферментами нелизосомальной локализации и является важнейшим фактором в определении их функций.

И наконец, некоторые специфические свойства пептидгидролаз, например, их относительная лабильность по сравнению с лизосомальными, зависимость от ионов металлов, избирательная специфичность по отношению к внутриклеточным белкам, пептидам ставит ферменты внелизосомальной локализации вне участия в генерализованном протеолизе.

Перечисленные особенности свойств, локализации ферментов нелизосомальной системы, по-видимому, не в полной мере относятся к ферментам гиалоплазмы. В растворимой фракции при гомогенизации различных отделов и структур нервной ткани обнаруживается определенная часть как эндо- так и экзопептидаз . Известно, что растворимая фракция содержит протеасомы, отвечающие за распад белков до коротких пептидов, и большой набор амино-, карбокси-, и дипептидаз с различной специфичностью действия . При этом не исключено, что в неразрушенной клетке имеет место определенная компартментализация этой группы экзопептидаз в виде сообществ (метаболонов?) или надмолекулярных комплексов. Вероятно пептидазы гиалоплазматической локализации по функциональной организации, а значит и по эффективности участия в процессе деградации белка, представляют собой систему менее сходную с системой мембраносвязанных ферментов нелизосомальной локализации и более сходную с системой ферментов лизосом. Более того, многие белки в силу своей субклеточной локализации являются более доступными для действия цитоплазматических пептидаз, чем лизосомальных.

Но отличительным и весьма существенным фактором является как раз то, что в гиалоплазме, в отличие от лизосом, содержится только — эндопептидазы с ограниченной возможностью их участия в генерализованном протеолизе. Это, например, протеасома, кальпаин, эндопептидазы . и . . Экзопептидазы же гиалоплазмы активны в большинстве своем по отношению к низкомолекулярным пептидам, и если биологическая роль этой группы ферментов и заключается в деградации внутриклеточного белка, то их участие важно при этом лишь на заключительных стадиях.

Однако, известно, что, среди экзопептидаз имеются ферменты, которые непосредственно могут участвовать в образовании физиологически активных пептидов – регуляторов и модуляторов функций нейронов, а также в гидролизе (инактивации) нейропептидов . Данное обстоятельство не позволяет все без исключения ферменты гиалоплазматической локализации рассматривать как инструмент деградации.

Встает вопрос о значении системы пептидгидролаз нелизосомальной локализации. В настоящее время он довольно успешно решается. Что касается понимания и установления функций большей части отдельных пептидгидролаз нелизосомальной локализации то далеко не все еще ясно, но в целом биологическая роль этой системы становится понятной.

На сегодня мы имеем множество примеров, убедительно доказывающих образование физиологически активных форм белков, ферментов, гормонов, нейропептидов с участием пептидгидролаз нелизосомальной локализации. И этот путь является важнейшим при образовании физиологически активных форм биомолекул пептидной природы. То есть, назначение части пептидгидролаз нелизосомальной локализации заключается в обеспечении образования биологически активных клеточных компонентов белковой природы из неактивных предшественников.

Исходя из сказанного об особенностях биологической роли протеолитических ферментов нелизосомальной локализации, трудно согласиться с существующим представлением о двух путях катаболизма белка в клетке, если в слово «катаболизм» вкладывать его устоявшееся понятие – деградация. Элемент катаболизма с участием пептидгидролаз нелизосомальной локализации присутствует, поскольку имеет место реакция гидролиза, характерная для процесса распада. Однако здесь в результате реакции появляется пептидный компонент, обязательный для функционирования клетки. В настоящее время для отдельных этапов нелизосомального пути гидролиза белка используют термин «ограниченный протеолиз», подразумевая под этим образование физиологически активного компонента из его предшественника .

В этом случае на наш взгляд адекватным термином был бы «протеолитическая модификация», поскольку термин «ограниченный протеолиз» указывает лишь на то, что свершен акт гидролиза ограниченного числа пептидных связей, и не говорит о том, что этот акт сопровождается образованием новой формы белка (пептида), наделенного специфическими функциями.

Таким образом, если с участием пептидгидролазы осуществлен гидролиз пептидной связи в белковой молекуле и при этом образовался белок с новыми свойствами и функцией, обеспечивающего нормальное функционирование клетки, можно ли в таком случае, говоря о двух путях деградации белка – лизосомальном и нелизосомальном, приравнивать эти пути по функциональному назначению? Можно говорить о взаимосвязи этих путей, поскольку некоторые белки, пептиды, образовавшиеся в реакциях с участием ферментов нелизосомальной локализации, могут быть гидролизованы в лизосомах и наоборот.

Из вышесказанного становится очевидным, что протеолитическая система нелизосомальной локализации в отличие от лизосомальной, где осуществляется генерализованный распад белка, имеет отношение к образованию активных форм молекул пептидной природы, необходимых для функционирования клетки, организма, то есть эти две системы различаются по своему функциональному назначению.

В нервной ткани обнаружены ферменты, участвующие в модификации некоторых нейроспецифических белков, в обмене нейропептидов . Эти и подобные по функциональному назначению пептидгидролазы нелизосомальной локализации представляют исключительный интерес для понимания нейрохимических механизмов функционирования нервной системы. В изучении пептидгидролаз нелизосомальной локализации нервной ткани в последнее время достигнуты значительные успехи. Обзор работ по этим ферментам, который будет представлен ниже, является свидетельством большого интереса к пептидгидролазам нервной ткани нелизосомальной локализации, и вместе с тем это лишь первые шаги в выяснении функциональной роли этой группы пептидгидролаз.

Характеристика протеолитических ферментов нервной ткани нелизосомальной локализации и их биологическая роль

Пептидгидролазы нелизосомальной локализации по сравнению с таковыми лизосом изучены в меньшей степени. Причиной этому было множество факторов, среди которых можно выделить длительное время бытовавшее представление о роли внутриклеточных пептидгидролаз, как аппарате деградации белка и более высокую активность ферментов лизосом по сравнению с другими . Лизосомальные пептидгидролазы были первыми в ряду изучаемых тканевых протеиназ . Этому способствовали и факторы методического характера (доступность субстратов, разработка методов тестирования), и достижения в области биохимии и смежных наук. В частности, открытие Де Дювом лизосом в значительной степени стимулировало изучение лизосомальных ферментов, в том числе лизосомальных пептидгидролаз мозга.

Пептидгидролазы нелизосомальной локализации нервной ткани начали изучаться с некоторым опозданием по сравнению с лизосомальными, но на сегодня идет значительное опережение в выяснении физико-химических свойств и роли ферментов нелизосомальной локализации. Среди пептидгидролаз нервной ткани нелизосомальной локализации в относительно лучшей степени изучены и интенсивно исследуются в наши дни кальций-зависимые протеиназы и ферменты обмена регуляторных пептидов. Интерес к этим ферментам вполне понятен, поскольку они принимают участие в обмене если не нейроспецифических белков и пептидов, то таких, содержание которых в нервной ткани значительно выше по сравнению с другими органами и тканями . В связи с этим, надо полагать, что биологическая роль пептидгидролаз нервной ткани отражает специфику обменных процессов, раскрытие которых необходимо для понимания нейрохимических механизмов деятельности нервной системы.

Эндопептидазы

К эндопептидазам относятся пептид-гидролазы, катализирующие гидролиз пептидных связей внутри белковой молекулы. В настоящее время в нервной ткани обнаружено несколько эндопептидаз нелизосомальной локализации. Следует отметить, что в цитоплазме обнаружено только две эндопептидазы, способные катализировать гидролиз высокомолекулярных белков (кальпаин и мультикаталитический протеиназный комплекс), остальные эндопептидазы цитоплазмы и плазматической мембраны (эндопептидазы ., ., ., пролилэндопептидаза) способны расщеплять лишь сравнительно короткие пептиды, длина которых, как правило, не превышает — аминокислотных остатков . В секреторных везикулах содержится достаточно много эндопептидаз, способных расщеплять высокомолекулярные белки, однако практически все они обладают строгой субстратной специфичностью и способны расщеплять только субстраты, содержащие пары остатков основных аминокислот . Ниже приведена характеристика наиболее важных и относительно хорошо изученных эндопептидаз нервной ткани нелизосомальной локализации.

Сигнальные пептидазы

Сигнальные пептидазы удаляют сигнальный пептид от препробелка и играют центральную роль в секреторном пути, а также в доставке белков в межмембранное пространство митохондрий . Каталитический механизм расщепления препробелков и физико-химические свойства ферментов, осуществляющих его, малоизучен . Однако полагают, что существует несколько сигнальных пептидаз, принадлежащих к новому семейству сериновых протеаз, обладающих специфичностью к определенной последовательности гидрофобных аминокислот и проявляющих максимальную активность при нейтральных значениях pH .

Прогормонконвертазы

К семейству прогормонконвертаз (фуриновых эндопептидаз) в настоящее время относят ряд субтилизиновых эндопептидаз, локализованных в секреторных везикулах различных тканей. Эти ферменты расщепляют различные пропептиды по парам основных аминокислот . Они имеют сходные физико-химические, каталитические и иммунологические свойства, но отличаются по значениям молекулярной массы, связанными с отличиями в строении С-концевого домена . Они проявляют максимальную активность при pH,-,, активируются ионами Ca+, ингибируются ЭДТА .

В тканевом, региональном и клеточном распределении различных ферментов данного семейства обнаружены существенные отличия. Так, фурин широко распространён во всех тканях организма, тогда как PC/ и PC локализованы, в основном, в эндокринных и нейроэндокринных клетках, а PC обнаружена в семенниках . В нейрональных клетках, осуществляющих процессинг ПОМК, экспрессируется PC, но не PC/ .

В субстратной специфичности указанных ферментов также обнаружены некоторые отличия. Так, PC расщепляет хроматогранин A, а PC/ – нет, PC/ расщепляет проинсулин преимущественно при Arg-Apr, а PC – при Lys-Arg .

В настоящее время не вызывает сомнений, что прогормонконвертазы вовлекаются в процессинг предшественников биологически активных пептидов и секретируемых белков . Эти ферменты не являются пептид-специфичными, но отличия в их субстратной специфичности могут способствовать образованию различных продуктов из одних и тех же предшественников в разных тканях .

Са+ — зависимая нейтральная протеиназа

Ca+-активируемая нейтральная протеиназа (CANP, кальпаин, Ca+-зависимая нейтральная протеиназа, (К.Ф….)) впервые обнаружена в головном мозге крысы Guroff . Фермент выделен и очищен из головного и спинного мозга, а также других тканей различных видов животных.

CANP из различных источников имеет оптимум pH при pH,-, с максимумом при pH,-,, он является метал-зависимой тиоловой протеиназой и требует для проявления активности присутствия восстанавливающих реагентов. Фермент ингибируется хелатирующими агентами; N-этилмалеимидом, ПХМБ, ПХМФС, иодуксусной кислотой; ингибиторами тиоловых протеиназ лейпептином, антипаином и мерсалилом; N,a-тозил-L-лизин хлорметилкетоном; додецилсульфатом натрия; мочевиной; и полифосфатами АТФ, АДФ, ИТФ и специфичным дипептидным ингибитором кбз-Val-Phe . L-тозиламид—фенилэтилхлорметилкетон, пепстатин, апротинин, ФМСФ, бестатин, фосфорамидон, ингибиторы трипсина из сои и лимы не влияют на активность кальпаина.

Кальпаин является Ca+-зависимым металлоферментом. По чувствительности к ионам Ca+ выделяют три формы фермента:

а) CANP I (mCANP) – кальпаин, активируемый микромолярными концентрациями кальция, проявляет половину максимальной активности при концентрации ионов Ca+ около мкМ, максимальную – около мкМ ;

б) CANP II (mCANP) – кальпаин, активируемый милимолярными концентрациями кальция, проявляет половину от максимальной активности при концетрации кальция — мкМ, максимальную – — мМ ;

в) CANP III – проявляет максимальную активность при концентрации Ca+ мкМ, подвергается быстрому автолизу, после чего проявляет максимальную активность в присутствии, мкМ Ca+ .

Пептидное картирование трёх форм кальпаина с различной чувствительностью к ионам Ca+ показало, что все три формы состоят из общих пептидов, достоверных отличий между этими формами не обнаружено. Моноклональные антитела, полученные к CANP II, в одинаковой степени реагируют и с CANP I и III .

CANP также активируется ионами Sr+ и Ba+, ионы Cu+, Pb+ и Zn+ ингибируют его, другие двухвалентные ионы не влияют на активность фермента .

И m- и mCANP могут быть представлены как одиночной полипептидной цепью с молекулярной массой около кДа, так и гетеродимерами, состоящими из одной большой субъединицы с молекулярной массой около кДа и — кДа и малой субъединицы, причём молекулярная масса малой субъединицы в зависимости от источника и способа выделения может колебаться от кДа до кДа . Кроме того, имеются сообщения об обнаружении трёх высокомолекулярных форм CANP с молекулярной массой в области — кДа и низкомолекулярной формы (- кДа) . Все формы имели очень близкие, но не идентичные иммунологические свойства. В присутствии ионов Ca+ все формы CANP подвергаются быстрому автолизу . По-видимому, такая гетерогенность CANP может быть обусловлена не только существованием всех этих форм in vivo но и появлением их в результате автолиза при очистке. Следует также отметить, что для активации CANP II и III необходимы концентрации Ca+, значительно превосходящие физиологические, поэтому в организме эти формы являются, фактически, проферментами.

И кальпаин I, и кальпаин II в нервной ткани обнаруживаются как в растворимой, так и в связанной с мембранами и цитоскелетом формах, причём если на долю мембраносвязанной mCANP приходится -% от общего количества mCANP в клетке, то на долю мембраносвязанной mCANP приходится около % от общего количесва mCANP . Мембраносвязанная форма CANP ассоциирована преимущественно с миелином, но обнаруживается и в синаптических мембранах .

CANP обнаружена практически во всех тканях млекопитающих. Её содержания в ЦНС достаточно высокое . Наибольшая активность кальпаина обнаруживается в спинном мозге, несколько меньше – в амигдале, среднем мозге и белом веществе мозжечка. Активность фермента в коре больших полушарий и сером веществе мозжечка достаточно низкая . То есть, наиболее высокое содержание кальпаина наблюдается в богатых миелином областях. Фермент обнаружен как в нейронах, так и в глии . Он локализован преимущественно в нейронах неокортекса и пирамидных нейронах гиппокампа, идентифицирован в перикарионе и проксимальных дендритах этих нейронов .

CANP расщепляет большинство белков цитоскелета и нейрофиламентов, белки микротрубочек, основной белок миелина, глиальный фибриллярный кислый белок, тубулин, спектрин, миофибриллярные белки и окисленную B цепь инсулина, виментин, рецептор фактора роста эпидермиса, быстро транспортируемые белки, cdk активатор белка p, эукариотический фактор инициации G . Кальпаин также активирует кальций-активируемую фосфолипид-зависимую протеинкиназу, осуществляет ограниченный протеолиз фодрина . Имеются сведения о том, что CANP расщепляет предшественник киоторфина, динорфин -, BAM-P, a- и b-неоэндорфины, ангиотензин I и нейротензин, а также синтетические субстраты Suc-Leu-Met-NHMec, Suc-Leu-Tyr-NHMec, Boc-Val-Leu-Lys-NHMec, Suc-Leu-Leu-Val-Tyr-NHMec, Boc-Leu-Thr-Arg-NHMec .

Активность фермента подавляется эндогенными ингибиторами тиоловых протеиназ цистатинами, кининогенами, ингибиторами тиоловых протеиназ из плазмы крови . Кроме этих неспецифичных ингибиторов, в различных тканях животных, в том числе и мозге, обнаружены специфичные ингибиторы CANP – кальпстатины, не влияющие на активность других протеиназ. Ингибиторы из разных тканей имеют несколько отличающиеся свойства, их молекулярная масса колеблется от кДа до кДа. Однако высокомолекулярные кальпстатины, имеющие несколько ингибиторных центров, могут подвергаться протеолизу, при этом образуются фрагменты, сохраняющие ингибиторную активность, но обладающие меньшим числом связывания с ферментом. Молекулярная масса самого короткого фрагмента, сохраняющего ингибиторную активность, составляет кДа . То есть, все многообразные формы кальпстатинов, обнаруженные в различных тканях, могут, вероятно, образовываться из одного предшественника в результате его протеолитического расщепления различной глубины. При взаимодействии кальпстатина с CANP происходит протеолиз кальпстатина, при этом образуются связанные с ферментом фрагменты, подавляющие его активность. Распределение ингибитора CANP в ЦНС соответствует таковому CANP, в особенности mCANP .

В различных тканях обнаружен эндогенный активатор CANP. Активатор CANP из мозга представляет собой термостабильный гомодимер с молекулярной массой кДа, он повышает активность только микро-кальпаина примерно, но при этом не изменяет сродства фермента ни к субстрату, ни к ионам Ca+ . Активатор кальпаина связывается с каталитической кДа субъединицей фермента, вызывая диссоциацию гетеродимера фермента, а затем усиливает автолиз каталитической субъединицы, что и приводит к активации кальпаина . В мозге обнаружены растворимая и связанная с мембранами (цитоскелетом) формы активатора .

Исходя из способности CANP с высоким сродством гидролизовать многие белки микротрубочек и белки цитоскелета, представляется, что основные функции кальпаина нервной системы состоят в ограниченном протеолизе этих белков, что может приводить к изменению физико-химических и функциональных свойств данных белков в зависимости от потребности клетки . Фермент, вероятно, может участвовать в регуляции концентрации различных рецепторов на поверхности клеточных мембран как путём их прямого протеолиза, так путём протеолиза фодрина . Кроме того, CANP активирует кальций-активируемую фосфолипид-зависимую протеинкиназу, вовлекающуюся во внутриклеточный ответ на воздействие некоторых гормонов, и гидролизует эукариотический фактор инициации G . Таким образом, ограниченный протеолиз кальпаином специфичных белков может быть частью внутриклеточного механизма действия некоторых гормонов. CANP также вовлекается в процессы димиелинизации и клеточного апоптоза .

Синаптическая локализация CANP, его участие в гидролизе некоторых нейропептидов, вызывает соблазн предположить возможность её участия в обмене биологически активных пептидов, однако кальпаин локализован на внутренней, а не на внешней поверхности синаптической мембраны и поэтому вряд ли может вовлекаться в деградацию нейропептидов in vivo.

Нейтральная эндопептидаза

Эндопептидаза . (NEP, нейтральная эндопептидаза, энкефалиназа, энкефалиназа A, неприлизин, CALLA) – интегральный трансмемранный белок плазматических мембран, катализирующий расщепление пептидных связей внутри низкомолекулярных пептидов с N-конца остатков гидрофобных аминокислот. Она выделена и очищена из почек, семенников, гипофиза, мозга, стриатума различных видов животных. Фермент из различных источников имеет очень близкие иммунологические и физико-химические свойства, но отличается степенью гликозилирования . Поэтому молекулярная масса фермента из различных органов и тканей варьирует в пределах от кДа до кДа. Имеется единичное сообщение об обнаружении формы NEP с Mr около кДа, однако наличие этой формы может быть обусловлено агрегацией молекул фермента посредством дисульфидных мостиков . Различия в степени гликозилирования могут обуславливать и колебания pI от, до, .

NEP проявляет максимальную активность при pH около, и является Zn+-зависимой металлоэндопептидазой. Она сильно ингибируется о-фенантролином, ЭДТА, дитиотреитолом, химостатином, фосфатом и NaCl, специфичными ингибиторами тиорфаном и фосфорамидоном и другими синтетическими ингибиторами . N-этилмалеимид, ПХМБ, ФМСФ, апротинин, пуромицин, бацитрацин, ингибиторы АПФ каптоприл, SQ, SQ не влияют на её активность . Активность фермента подавляется некоторыми биологически активными пептидами и их фрагментами: Leu-энкефалином (IC мкМ), Met-энкефалином (IC мкМ), ангиотензинами I и II (IC мкМ), брадикинином (IC мкМ), Tyr-Gly-Gly-Phe (IC мкМ) . Не исключено, что in vivo вышеперечисленные пептиды могут участвовать в регуляции активности фермента.

Нейтральная эндопептидаза расщепляет низкомолекулярные пептиды (с молекулярной массой, как правило, не более Да, единственное исключение интерлейкин b), состоящие не менее чем из аминокислотных остатков с N-конца гидрофобных аминокислот. Наиболее специфичным субстратом для фермента следует считать дансил-Gly-pNOPhe-bAla (Km мкМ), однако не исключено, что и он может расщепляться отличными от NEP эндопептидазами. Эндопептидаза . in vitro расщепляет различные биологически активные пептиды и их фрагменты с Km порядка — мкМ .

NEP широко распространена в тканях млекопитающих. Максимальное количество фермента содержиться в почках, примерно в раза меньшее – в семенниках, ещё в раза меньшее – в лимфатических узлах. Содержание фермента в различных отделах кишечника составляет -%, в поджелудочной железе, надпочечниках, аденогипофизе и спинном мозге – около % от такового в почках. В отделах головного мозга содержание фермента в — раз меньше, чем в спинном мозге. Максимальная активность NEP обнаружена в стриатонигральном пути, в — раз ниже (в порядке убывания) – в мозжечке, коре больших полушарий и таламусе .

В нервной системе NEP обнаружена в нейронах, Шванновских клетках периферических нервов, формирующих миелин, гонадотропных клетках гипофиза . Фермент локализован на пресинаптической и постсинаптической мембранах и мембранах терминалей аксонов . На мембранах дендритов и клеток глии он не обнаруживается . В стриатонигральном пути фермент связан с афферентными волокнами . Показана локализация молекул NEP вблизи m- и/или d-опиоидных рецепторов и рецепторов вещества P .

Полагают, что биологическая роль NEP в ЦНС заключается в генерализованной деградации нейропептидов после связывания последних с рецепторами и модуляции нейропептидов после их секреции из пресинаптической мембраны . Однако NEP не является ферментом, отвечающим за деградацию одного какого-то определённого нейропептида или группы нейропептидов, а вовлекается в деградацию большого числа нейропептидов .

Эндопептидаза

Эндопептидаза . (КФ …) – цинк-зависимый металлофермент, состоит из одной полипептидной цепи с молекулярной массой от кДа до кДа, проявляет максимальную активность при pH около,, активируется дитиотреитолом. Он ингибируется ЭДТА, ЭГТА,-фенантролином, N-этилмалеимидом, гидроксимеркурийбензоатом и специфическим ингибитором N-[-(R,S)-карбокси—фенилпролил]-Ala-Ala-Phe-п-аминобензоатом . ФМСФ не влияет на его активность .

Наиболее высокое содержание фермента обнаружено в мозге, семенниках и гипофизе, в остальных тканях содержание фермента очень низкое . В мозге наиболее высокая активность фермента найдена в клетках Пуркинье мозжечка, клетках зубчатой извилины гиппокампа и отдельных ядрах гипоталамуса . Эндопептидаза . обнаружена как в нейронах, так и в клетках глии . Около % фермента находится в растворимой форме и % связано с мембранами .

Эндопептидаза . превращает некоторые проэнкефалин и продинорфин-происходящие пептиды в энкефалины и деградирует различные биологически активные пептиды: брадикинин, нейротензин ангиотензины I и II, рилизинг фактор лютеинизирующего гормона расщепляет человеческий белок-предшественник амилоида .

Специфический ингибитор фермента N-[-(R,S)-карбокси—фенилпролил]-Ala-Ala-Phe-п-аминобензоат блокирует образование Leu-энкефалина из динорфина -, a- и b-неоэндорфинов и Met-энкефалина из Met-энкефалин-Arg-Gly-Leu, вызывает антиноцепцию и сильное снижение артериального давления .

В настоящее время не вызывает сомнений, что эндопептидаза . вовлекается в обмен биологически активных пептидов, в частности образование энкефалинов из коротких предшественников, в деградацию брадикинина и рилизинг-фактора лютеинизирующего гормона .

Эндопептидаза . (нейролизин, КФ …) обнаружена в растворимой и в мембранной фракциях мозга и почек, показано, что фермент присутствует в астроцитах . Обе формы фермента обладают очень близкими свойствами, имеют молекулярную массу около кДа, pI,-,, состоит из одной полипептидной цепи и не является гликопротеином. Фермент проявляет максимальную активность при pH,, ингибируется дитиотреитолом, ЭДТА и N-(фенилэтилфосфонил)-Gly-L-Pro-L-аминогексановой кислотой; ингибиторы АПФ и эндопептидаз . и . не влияют на его активность . Фермент расщепляет нейротензин, брадикинин, вещество P, ангиотензины I и II, люлиберилин, динорфины — и — и a-неоэндорфин . Динорфин — является мощным ингибитором (IC =, мкМ) эндопептидазы . и не расщепляется ею, поэтому Barelli et al. считают, что динорфин — участвует в регуляции концентрации нейропептидов in vivo посредством ингибирования активности эндопептидазы .. Считают, что in vivo фермент вовлекается в обмен биологически активных пептидов, но он не является пептид-специфичным, как можно подумать из его названия – «нейролизин» .

Пролилэндопептидаза

Пролилэндопептидаза (КФ …) расщепляет пептидные связи с С-конца пролина . Фермент мозга имеет Mr кДа, проявляет максимальную активность при рН,, ингибируется диизопропилфторфосфатом и кбз-Pro-пролиналом, активируется дитиотреитолом . Наиболее высокая активность фермента в мозге обнаружена в коре больших полушарий, стриатуме и гиппокампе, перепады уровней активности фермента в мозге не превышают — раз . Он гидролизует пептиды, содержащие от до аминокислот, расщепляет тиролиберин, ангиотензин, брадикинин, нейротензин, вещество P . Вероятно, биологическая роль фермента заключается в гидролизе пролин-содержащих пептидов.

Динорфин-превращающий фермент

Динорфин-превращающий фермент – тиол-зависимая эндопептидаза, расщепляющая пропептиды по одиночным остаткам основных аминокислот . Имеет молекулярную массу примерно кДа, оптимум pH между, и,, ингибируется ПХМБ . Высокая активность фермента обнаружена в гипофизе, надпочечниках и мозге Региональное распределение фермента соответствует таковому динорфина . Фермент локализован в секреторных везикулах .

Он расщепляет динорфин B- с образованием динорфина B- и динорфина B-, превращает АКТГ — в АКТГ — и динорфин A в Leu-энкефалин, Leu-энкефалин-Arg и Leu-энкефалин-Arg-Arg . На основании cовпадения регионального распределения фермента с распределением динорфина B- предполагают, что физиологическая роль динорфин-превращающего фермента заключается в образовании динорфина B-, однако не исключено, что он может вовлекаться в образование и других нейропептидов.

Тиоловая прогормон-конвертаза

Прогормон тиоловая протеаза – тиоловая эндопептидаза секреторных везикул, расщепляющая пептидные субстраты по моно- и диосновным сайтам процессинга с обеих сторон (N- и C-) . Представляет собой одноцепочечный кДа гликопротеин с pI, и оптимумом pH,. Для проявления активности требует ДТТ, ингибируется иодацетамидом, п-гидроксимеркурийбензоатом, хлоридом ртути, цистатином C, (D-Tyr)-Glu-Phe-Lys-Arg-CHCl, кбз-Leu-Val-Gly-NH и кбз-Arg-Leu-Val-Gly-NH . Расщепляет предшественники энкефалина BAM-P, пептиды E и F по ди- и моноосновным остаткам, образуя в конечном итоге Met-энкефалин .

Полагают, что PTP является основным ферментом процессинга, вовлекаемым в превращение предшественников энкефалина, отличающимся от других эндопептидаз процессинга, включая субтилизиновые прогормон-конвертазы и проопиомеланокортин-превращающий фермент.

АТФ, убиквитин-зависимая мультикаталитическая протеиназа

Мультикаталитический протеиназный комплекс ( S протеасома) впервые выделен в г. из гипофиза быка . В дальнейшем было обнаружено, что комплекс проявляет активность только по отношению к убиквитированным белкам и для своей активации требует АТФ . Комплекс имеет молекулярную массу кДа, состоит примерно из субъединиц двух типов с молекулярной массой — кДа. a-субъединицы являются структурными, не обладают ферментативной активностью и играют важную роль в сборке комплекса . Комплекс содержит несколько подсемейств b-субъединиц, обладающих пептидазной активностью . S протеасома проявляет химотрипсиноподобную, трипсиноподобную и постглутамил-гидролазную активность при нейтральных и слабощелочных значениях pH, активируется ДТТ, ингибируется N-этилмалеимидом и ДФФ .

В свободном виде протеолитическая активность S протеасомы незначительна . Начальным этапом распада белка при участии мультиферментного комплекса является его убиквитирование, протекающее при участии АТФ. Затем в результате АТФ-зависимого процесса S протеасома соединяется с S регуляторным комплексом. При этом образуется S протеасома, быстро гидролизующая убиквитированный белок при участии АТФ в основном до октапептидов .

В мозге S протеасомы локализованы преимущество в цитоплазме нейронов, но обнаруживаются и в ядрах .

Предполагают, что начальным этапом деградации большинства цитоплазматических белков является АТФ, убиквитин-зависимый протеолиз

Литература:

Азарян А.В. Пептидгидролазы нервной системы и их биологические функции // Ереван. – Айастан. – 1989. – 208 с.

Ашмарин И.П., Каменская М.А. Нейропептиды в синаптической передаче // ВИНИТИ. Сер. физиолог. чел. жив. – 1988. – 34. – 184 с.

Гомазков О.А., Григорьянц О.О. Регуляция биосинтеза энкефалинов: биохимические и физиологические аспекты // Усп. совр. биол. – 1989. – 108, № 1 (4). – С. 109-124.

Елисеева Ю.Е., Орехович В.Н. Выделение и изучение специфичности карбоксикатепсина // Докл. АН СССР. – 1963. – 153. – С. 954-956.

Корниш-Боуден Э. Основы ферментативной кинетики. – М.: Мир, 1979. – 190 с.

Палладин А.В., Белик Я.В., Полякова Н.М. Белки головного мозга и их обмен.– Киев: Наукова думка, 1972.– 316 с.

Adams E., Smith E.L. Proteolytic activity of pituitary extracts // J. Biol. Chem. – 1951. – 191, N 3. – P. 651-658.

Панченко Л.Ф., Фирстова Н.В., Митюшина Н.В., Генгин М.Т. Регуляторные пептиды и ферменты их обмена при стрессе // Нейрохимия. – 2000. – 17, № 2. – С. 83-92.

Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: в 2-х томах. – М.: Мир, 1993. – 795 с.

Нерохимия / Под ред. Ашмарина И.П. и Стукалова П.В. – М.: Инст. Биомед. химии РАМН, 1996.– 469 c.

Когда во время шестимесячной засухи озеро Чад в Африке уменьшает свою площадь почти на одну треть и обнажается илистое дно, местные жители отправляются на рыбалку, прихватывая с собой… мотыги. Они отыскивают на обсохшем дне холмики, напоминающие кротовины, и выкапывают из каждого глиняную капсулу с рыбой, сложившейся вдвое, подобно заколке для волос.

Рыба эта называется протоптерус (Protopterus) и относится к подклассу1 двоякодышащих рыб (Dipnoi). Помимо обычных для рыб жабр у представителей этой группы имеются еще и одно или два легких – видоизмененный плавательный пузырь, через оплетенные капиллярами стенки которого происходит газообмен. Атмосферный воздух для дыхания рыбы захватывают ртом, поднимаясь к поверхности. А в их предсердии присутствует неполная перегородка, продолжающаяся и в желудочке. Венозная кровь, поступающая от органов тела, попадает в правую половину предсердия и в правую половину желудочка, а кровь, поступающая из легкого, – в левую часть сердца. Потом насыщенная кислородом «легочная» кровь попадает в основном в те сосуды, которые ведут через жабры к голове и органам тела, а кровь из правой части сердца, также пройдя через жабры, в значительной степени попадает в сосуд, ведущий к легкому. И хотя бедная и богатая кислородом кровь частично смешиваются и в сердце, и в сосудах, все же можно говорить о зачатках у двоякодышащих рыб двух кругов кровообращения.

Двоякодышащие рыбы – очень древняя группа. Их остатки находят в отложениях девонского периода палеозойской эры. В течение долгого времени двоякодышащие были известны только по таким окаменелым остаткам, и только в 1835 г. было установлено, что обитающий в Африке протоптер – двоякодышащая рыба. Всего же, как оказалось, до наших дней дожили представители шести видов этой группы: австралийский рогозуб из отряда однолегочных, американский чешуйчатник – представитель отряда двулегочных и четыре вида африканского рода Protopterus, также из отряда двулегочных. Все они, как, видимо, и их предки, пресноводные рыбы.

Австралийский рогозуб (Neoceratodus forsteri) встречается на очень небольшой территории – в бассейнах рек Бернетт и Мэри на cеверо-востоке Австралии. Это крупная рыба с длиной тела до 175 см и массой свыше 10 кг. Массивное тело рогозуба сжато с боков и покрыто очень крупной чешуей, а мясистые парные плавники напоминают ласты. Окрашен рогозуб в однообразные тона – от рыжевато-коричневого до голубовато-серого, брюхо светлое.

Живет эта рыба в реках с медленным течением, сильно заросших водной и надводной растительностью. Каждые 40 – 50 мин рогозуб всплывает и с шумом выдыхает воздух из легкого, издавая при этом характерный стонуще-хрюкающий звук, который разносится далеко по окрестностям. Сделав вдох, рыба снова опускается на дно.

Большую часть времени рогозуб проводит на дне глубоких омутов, где лежит на брюхе или стоит, опираясь на свои ластоподобные плавники и хвост. В поисках пищи – различных беспозвоночных – он медленно ползает, а подчас и «ходит», опираясь на те же парные плавники. Плавает медленно, и только будучи вспугнутым, пускает в ход свой мощный хвост и выказывает способность к быстрому движению.

Период засухи, когда реки мелеют, рогозуб переживает в сохранившихся ямах с водой. Когда в перегретой стоячей и практически лишенной кислорода воде гибнет рыба, а сама вода в результате гнилостных процессов превращается в зловонную жижу, рогозуб благодаря своему легочному дыханию остается живым. Но если вода высыхает полностью, эти рыбы все же погибают, так как в отличие от своих африканских и южноамериканского сородичей не могут впадать в спячку.

Нерест рогозуба приходится на период дождей, когда реки вздуваются и вода в них хорошо аэрируется. Крупные, до 6–7 мм в диаметре, икринки рыба откладывает на водные растения. Через 10–12 дней вылупляются личинки, которые до рассасывания желточного мешка лежат на дне, лишь изредка перемещаясь на короткое расстояние. На 14-й день после вылупления у мальков появляются грудные плавники, и с этого же времени, вероятно, начинает функционировать легкое.

Рогозуб имеет вкусное мясо, а ловить его очень просто. В результате численность этих рыб сильно сократилась. Сейчас рогозубы находятся под охраной и предпринимаются попытки акклиматизации их в других водоемах Австралии.

С рогозубом связана история одной из самых известных зоологических мистификаций. В августе 1872 г. директор Брисбейнского музея совершал поездку по северо-восточной Австралии, и однажды ему сообщили, что в его честь приготовили завтрак, для которого туземцы доставили очень редкую рыбу, пойманную ими в 8–10 милях от места пиршества. И действительно, директор увидел рыбу очень странного облика: длинное массивное тело было покрыто чешуей, плавники походили на ласты, а рыло напоминало утиный клюв. Ученый сделал рисунки этого необычного существа, а после возвращения передал их Ф. Де Кастельнау, ведущему австралийскому ихтиологу. Кастельнау не замедлил описать по этим рисункам новый род и вид рыб – Ompax spatuloides. Последовала довольно бурная дискуссия о родственных связях нового вида и о его месте в классификационной системе. Оснований для споров было много, так как в описании Ompax многое оставалось неясным и совсем отсутствовали сведения по анатомии. Попытки добыть новый экземпляр оказались безрезультатными. Нашлись скептики, которые высказывали сомнения в существовании этого животного. Тем не менее таинственный Ompax spatuloides без малого в течение 60 лет продолжал упоминаться во всех справочниках и сводках по австралийской фауне. Загадка разрешилась неожиданно. В 1930 г. в «Сиднейском бюллетене» появилась заметка, автор которой пожелал остаться неизвестным. В этой заметке сообщалось, что с простодушным директором Брисбейнского музея сыграли невинную шутку, так как поданный ему «Ompax» был приготовлен из хвостовой части угря, туловища кефали, головы и грудных плавников рогозуба и рыла утконоса. Сверху все это хитроумное гастрономическое сооружение было искусно покрыто чешуей того же рогозуба…

Африканские двоякодышащие – протоптеры – имеют нитевидные парные плавники. Самой крупный из четырех видов – большой протоптер (Protopterus aethiopicus) может достигать в длину более 1,5 м, а обычная длина малого протоптера (P.amphibius) – около 30 см.

Плавают эти рыбы, змееобразно изгибая тело наподобие угрей. А по дну c помощью своих нитевидных плавников они передвигаются как тритоны. В коже этих плавников имеются многочисленные вкусовые почки – как только плавник касается съедобного предмета, рыба разворачивается и хватает добычу. По временам протоптеры поднимаются на поверхность, заглатывая через ноздри2 атмосферный воздух.

Протоптеры живут в Центральной Африке, в озерах и реках, протекающих по болотистой местности, подверженной ежегодным затоплениям и подсыхающей в сухой сезон. При пересыхании водоема, когда уровень воды снижается до 5–10 см, протоптеры начинают рыть норы. Рыба захватывает грунт ртом, измельчает и выбрасывает наружу через жаберные щели. Выкопав вертикальный вход, протоптер делает в его конце камеру, в которой и размещается, перегнув тело и выставив кверху голову.

Пока вода еще не высохла, рыба время от времени поднимается, чтобы глотнуть воздуха. Когда пленка усыхающей воды доходит до верхней кромки жидкого ила, выстилающего дно водоема, часть этого ила засасывается в нору и закупоривает выход. После этого протоптер уже не показывается на поверхности. До того как пробка окончательно просохнет, рыба, тычась в нее рылом, уплотняет ее снизу и несколько приподнимает в виде колпачка. При высыхании такой колпачок становится пористым и пропускает достаточное количество воздуха для того, чтобы поддержать жизнь спящей рыбы. Как только колпачок затвердевает, вода в норе становится вязкой от обилия слизи, выделяемой протоптером. По мере подсыхания грунта уровень воды в норе падает, и в конце концов вертикальный ход превращается в воздушную камеру, а перегнувшаяся пополам рыба замирает в нижней, расширенной части норы. Вокруг нее образуется плотно прилегающий к коже слизистый кокон, в верхней части которого имеется тонкий ход, по которому воздух проникает к голове. В таком состоянии протоптер и ожидает следующего периода дождей, который наступает через 6–9 месяцев. В лабораторных условиях протоптеров держали в спячке свыше четырех лет, и по окончании опыта они благополучно проснулись.

Во время спячки у протоптеров резко снижается интенсивность обмена веществ, но тем не менее за 6 месяцев рыба теряет до 20% первоначальной массы. Поскольку энергия поставляется в организм за счет распада не жировых запасов, а главным образом мышечной ткани, в теле рыбы накапливаются продукты азотистого обмена. Во время активного периода они выводятся преимущественно в виде аммиака, но во время спячки аммиак преобразуется в менее токсичную мочевину, количество которой в тканях к концу спячки может составлять 1–2% массы рыбы. Механизмы, обеспечивающие устойчивость организма к таким высоким концентрациям мочевины, еще не выяснены.

При заполнении водоемов с началом периода дождей грунт постепенно размокает, вода заполняет воздушную камеру, и протоптер, прорвав кокон, начинает периодически высовывать голову и вдыхать атмосферный воздух. Когда вода покрывает дно водоема, протоптер покидает нору. Вскоре мочевина выводится из его организма через жабры и почки.

Через месяц-полтора после выхода из спячки у протоптеров начинается размножение. При этом самец роет на дне водоема, среди зарослей растительности, особую нерестовую нору и заманивает туда одну или нескольких самок, каждая из которых откладывает до 5 тыс. икринок диаметром 3–4 мм. Через 7–9 дней появляются личинки, имеющие большой желточный мешок и 4 пары перистых наружных жабр. При помощи специальной цементной железы личинки прикрепляются к стенкам гнездовой норы.

Через 3–4 недели желточный мешок полностью рассасывается, мальки начинают активно питаться и покидают нору. При этом они теряют одну пару наружных жабр, а оставшиеся две или три пары могут сохраняться еще в течение многих месяцев. У малого протоптера три пары наружных жабр сохраняются до тех пор, пока рыба не достигнет размеров взрослой особи.

Покинув нерестовую нору, мальки протоптера в течение некоторого времени плавают только рядом с ней, скрываясь туда при малейшей опасности. Все это время самец находится около гнезда и активно защищает его, бросаясь даже на приблизившегося человека.

Протоптер темный (P. dolloi), встречающийся в бассейнах рек Конго и Огове, обитает в болотистых местностях, где слой подземной воды сохраняется и во время сухого сезона. Когда поверхностные воды летом начинают убывать, эта рыба, как и ее сородичи, зарывается в придонную грязь, но докапывается до слоя жидкого ила и подземной воды. Устроившись там, протоптер темный проводит сухой сезон, не создавая кокона и поднимаясь время от времени вверх, чтобы подышать свежим воздухом.

Начинается нора темного протоптера наклонным ходом, расширенная часть которого служит рыбе и нерестовой камерой. По рассказам местных рыбаков, такие норы, если их не разрушают паводки, служат рыбе от пяти до десяти лет. Подготавливая нору к нересту, самец год от года наращивает вокруг нее грязевой холмик, который в итоге достигает 0,5–1 м высоты.

Протоптеры привлекли к себе внимание ученых, занимающихся созданием снотворных препаратов. Английские и шведские биохимики попытались выделить «снотворные» вещества из организма животных, впадающих в спячку, в том числе и из организма протоптера. Когда экстракт из мозга уснувших рыб вводили в кровеносную систему лабораторных крыс, температура их тела начинала быстро падать, и они засыпали так быстро, словно падали в обморок. Сон продолжался 18 ч. Когда крысы просыпались, никаких признаков того, что они находились в искусственном сне, у них обнаружить не удалось. Экстракт, полученный из мозга бодрствующих протоптеров, не вызывал у крыс никаких последствий.

Американский чешуйчатник (Lepidosiren paradoxa), или лепидосирен, – представитель двоякодышащих, обитающий в бассейне Амазонки. Длина тела этой рыбы достигает 1,2 м. Парные плавники короткие. Живут лепидосирены преимущественно во временных водоемах, заливаемых водой в период дождей и разливов, и питаются разнообразной животной пищей, преимущественно моллюсками. Может быть, поедают они и растения.

Когда водоем начинает пересыхать, лепидосирен роет на дне нору, в которой устраивается так же, как и протоптеры, и забивает вход пробкой из грунта. Кокон у этой рыбы не образуется – тело спящего лепидосирена окружено слизью, увлажненной грунтовыми водами. В отличие от протоптеров, основой энергетического обмена в период спячки у чешуйчатника служат запасы накопленного жира.

Через 2–3 недели после нового затопления водоема лепидосирены приступают к размножению. Самец роет вертикальную нору, иногда горизонтально загибающуюся к концу. Некоторые норы достигают 1,5 м длины и 15–20 см ширины. В конец норы рыба затаскивает листья и траву, на которые самка выметывает икринки диаметром 6–7 мм. Самец остается в норе, охраняя икру и вылупившуюся молодь. Слизь, выделяемая его кожей, обладает коагулирующим действием и очищает воду в норе от мути. Кроме того, в это время на его брюшных плавниках развиваются обильно снабженные капиллярами ветвящиеся кожные выросты длиной 5–8 см. Одни ихтиологи считают, что в период заботы о потомстве лепидосирен не использует легочного дыхания и эти выросты служат ему дополнительными наружными жабрами. Существует и противоположная точка зрения – поднявшись к поверхности и глотнув свежего воздуха, самец лепидосирена возвращается в нору и через капилляры на выростах отдает часть кислорода в воду, в которой развиваются икра и личинки. Как бы там ни было, после периода размножения эти выросты рассасываются.

Вылупившиеся из икринок личинки имеют 4 пары сильно ветвящихся наружных жабр и цементную железу, при помощи которой прикрепляются к стенкам гнезда. Примерно через полтора месяца после вылупления, когда мальки достигают длины 4–5 см, они начинают дышать с помощью легких, а наружные жабры рассасываются. В это время мальки лепидосирена оставляют нору.

Местное население ценит вкусное мясо лепидосерена и интенсивно истребляет этих рыб.

Список литературы

Жизнь животных. Том 4, часть 1. Рыбы. – М.: Просвещение, 1971.

Наука и жизнь; 1973, №1; 1977, №8.

Наумов Н.П., Карташев Н.Н. Зоология позвоночных. Ч. 1. Низшие хордовые, бесчелюстные, рыбы, земноводные: Учебник для биолог. спец. ун-тов. – М.: Высшая школа, 1979.