Возможности анализа взаимосвязей параметров экосистем с параметрами организмов

Возможности анализа взаимосвязей параметров экосистем с параметрами

организмов

Possibilities of analysis of the relationship of ecosystem parameters with the organism

parameters

А московский

|P ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ

УДК 574+579 K-682 DOI 10.24411/2413-046Х-2019-10023 Королев Юрий Николаевич,

доктор биологических наук, профессор, Филиал «Угреша» государственный университет «Дубна», г. Дзержинский,

Балоян Бабкен Мушегович, доктор технических наук, профессор, Филиал «Угреша» государственный университет «Дубна», г. Дзержинский,

Шаповалов Дмитрий Анатольевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО Государственный университет по землеустройству, г. Москва

Холин Родион Николаевич, аспирант, ФГБОУ ВО Государственный университет по землеустройству, г. Москва Korolev Yu.N. Baloyan B.M., bbaloyan@gmail.com Shapovalov D.A., shapoval_ecology@mail. ru

Kholin R.N., rodion8049494@yandex. ru

Аннотация. Существование биоценозов в широком диапазоне изменений окружающей среды возможно благодаря их приспособительным изменениям. Литература указывает на ряд параметров экосистемы, которые характеризуют её состояние, использовать на практике которые проблематично. В то же время исследователи указывают на аналогию между развитием биоценоза и онтогенезом организмов. Тогда важно в клетках организмов найти аналоги параметров экосистем, характеризующих состояние организмов. В качестве таковых предлагается использовать информацию о наличии (количестве) в клетках важнейших биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов) и об их пространственном распределении, а также структурной организации в клетках, например, определённой ориентации в макромолекулах химических связей. Для определения параметров «живой» клетки выбран метод спектроскопии внутреннего отражения в ИК-диапазоне электромагнитного излучения.

Summary. Existence of biocenoses in a wide range of environmental changes is possible due to their adaptive changes. The literature points to a number of ecosystem parameters, characterizing it's state, the use of which in practice is problematic. At the same time, the researchers point to an analogy between the development of biocenosis and ontogenesis of organisms. Then it is important to find analogues of ecosystem parameters in the cells of organisms characterizing the state of organisms. It is proposed to use information on the presence (number) of the most important biopolymers (proteins, nucleic acids, lipids, polysaccharides) in the cells and their spatial distribution, as well as the structural organization in the cells, for example, a certain orientation of chemical bonds in the macromolecules as such. To determine the parameters of a «living» cell, the method of internal reflection spectroscopy in the IR range of electromagnetic radiation was chosen. Ключевые слова: биоценоз, параметры экосистемы, состояние организмов. Key words: biocenosis, ecosystem parameters, state of organisms.

Введение

В условиях стремительно увеличивающихся масштабов антропогенного воздействия на окружающую природу происходит глубокая перестройка биоценозов как единого целого. Существование биоценозов в широком диапазоне изменений окружающей среды возможно благодаря приспособительным изменениям биоценозов, которые были названы экологическими модификациями. Последние представляют собой единую взаимообусловленную систему приспособлений, включающую в себя различные способы достижения соответствия интенсивности и характера метаболизма биоценоза изменяющимся условиям среды (экологический прогресс, экологическая модуляция, экологический регресс), механизмы саморегуляции численности популяции, регуляторные механизмы особи, приспособительные изменения органов растительных и животных организмов и компенсаторно-приспособительные реакции в их элементарном проявлении на клеточном и субклеточном уровнях.

Указанная теория модификаций обращает внимание на возможность использования показателей развития организмов для характеристики состояния экосистем. Исследователи указывают на «множество параллелей» между развитием экосистем и развитием организмов: не только уровень организации отдельных видов организмов, но и уровень организации их сообществ зависит от окружающей среды. Основные направления изменений биоценозов в условиях загрязнения окружающей среды отражают сущность этой зависимости.

Регуляторная система биосферы включает в себя компенсаторно-приспособительные реакции на самых разнообразных уровнях. Это и на клеточном и субклеточном уровнях, и приспособительные изменения органов животных и растений, и регуляторные механизмы организмов, и механизмы саморегуляции популяций, и регуляторные механизмы биоценозов - экологические модификации.

Для рационального управления природоохранной деятельностью, для создания системы высокоэффективного экологического мониторинга чрезвычайно важно понимание того, что окружающая природная среда реагирует на антропогенные воздействия, как иерархически структурированная целостная планетарная экологическая система, а не как конгломерат компонентов.

Из сказанного следует, что для контроля состояния экосистем возможно использовать организмы (в частности, микроорганизмы), входящие в них, т.к. при определённом

изменении среды система откликается соответствующей «реакцией», отражающейся в изменении параметров организмов в соответствии с состоянием экосистемы [1]. Она проявляется либо в количественном варианте (изменение количества тех или иных биохимических компонентов в определённом объёме клетки, изменение степени пространственной ориентации этих биохимических образований), либо в качественном варианте (изменение векторов изменений градиентов концентраций биохимических компонентов, изменение векторов изменений градиентов степени пространственной организации).

Методы исследования и результаты

Чтобы рассмотреть возможности практической реализации сказанного, выделим на примере экологического прогресса базовые параметры экосистем, характеризующие их состояние, и сформулируем соответствующие им параметры клеток организмов, в частности, в популяции микроорганизмов (Таблица 1).

Таблица 1 - Базовые параметры экосистем, характеризующие их состояние (пример экологического прогрессаи соответствующие им параметры клеток

в популяции микроорганизмов

Экосистема Популяция микроорганизмов

увеличение разнообразил биоценоза, е. частности в увеличении общего числа ендов появление различных форм и размеров клеток при рассинхроннзации

уменьшение энтропии повышение структурированности в пространственной организации клетки, дихроизм молекулярных структур биохимических составляющих клеток

усложнение межвиловых отношений логарифмическая и стационарная фазы развития им

увеличение пространственной: гетерогенности пространств енное перераспределение концентраций биохимических компонентов в клетке

усложнение временной структуры — увеличение набора временных характеристик различных организмов в экосистеме вследствие увеличения видового разнообразия и разнообразия связен то же при рассинхроннзации

увеличение длины жизненных циклов увеличение продолжительности жизни на каждом последующем этапе развития

увеличение устойчивости к внешним возмущениям — увеличение диапазона устойчивости и уменьшение времени восстановления то же для пм

Все перечисленные параметры показывают взаимосвязь между пространственными и временными характеристиками биосистем, поэтому необходимо показать не только возможность контроля всех перечисленных выше параметров клеток организмов, не только взаимосвязь в изменениях этих параметров в популяции микроорганизмов, но и возможную взаимосвязь их изменений с изменениями, происходящими в состоянии экосистемы.

В качестве объектов исследования использовали самые разнообразные организмы. Но для большинства экспериментов были использованы культуры микроорганизмов. Во-первых, микроорганизмы - одна из основных доминантных частей любой экосистемы. Это своего рода собирательное понятие о способах существования земных организмов [2].

Мы обратились к понятиям изотропности или анизотропности системы. В процессе эксперимента необходимо получить данные о наличии, распределении и пространственной упорядоченности биополимеров в клетках разных биологических систем с помощью методов, обеспечивающих сохранность нативного состояния исследуемых объектов. Нас должна интересовать возможность получения информации, позволяющей судить не только

о наличии или количестве в клетках важнейших биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов), но и об их пространственном распределении, а также структурной организации в клетках, одним из параметров которой является определённая ориентация в макромолекулах определенных химических связей. Нужны методы для получения информации о процессах, которые выражаются в пространственной переориентации отдельных (белковых, липидных и т. д.) макромолекул. Можно предположить, что преимущественная ориентация определённых химических связей в ансамблях макромолекулярных компонентов клеток может характеризовать in vivo организованность биосистемы (соответственно и её функциональное состояние) в определённый момент времени.

Открытость живых систем предполагает возможность взаимодействия со средой обитания. Оно может быть реализовано прежде всего через внешние структуры клетки (либо через контакты, либо с помощью химических или физических взаимодействий). Тогда организация внешних структур клетки должна иметь ряд особенностей.

Структурная организация клеточных поверхностей и связанных с ними белковых веществ претерпевает глубокие изменения в ходе развития клеток различного происхождения.

Анализ современных методов исследования показывает, что получение информации о таких сложных объектах, как нативные клетки, перспективно осуществлять через регистрацию изменений параметров электромагнитных излучений при их взаимодействии с объектами исследований. Эти объекты, как правило, многокомпонентны, гетерогенны, сильно рассеивают свет. Причём анализ их желательно вести по слоям. Наиболее полно в настоящее время отвечают перечисленным выше требованиям методы спектроскопии внутреннего отражения (СВО) [3]. Спектральные характеристики, полученные в поляризованном свете, дают к тому же информацию и о преимущественной пространственной ориентации определённых химических связей в макромолекулярных компонентах клетки.

Проверка на выживаемость микроорганизмов проводилась по принятой в микробиологии методике. Подчеркнём, что при использовании предлагаемых методов объект может изучаться в своем естественном состоянии без какой-либо дополнительной подготовки.

Известно, что при анализе биологических образцов (особенно для анализа целых клеток) одним из самых информативных является ИК-диапазон электромагнитного излучения.

Теория экологических модификаций позволила выделить «обязательные» параметры экосистем, определяющие их состояние. Она показала, что необходим одновременный комплексный контроль этих параметров, осуществить который за малый промежуток времени практически невозможно.

Высказывания экологов про аналогию между индивидуальным развитием биоценоза и онтогенезом организмов, «множество параллелей» между развитием экосистем и развитием организмов, позволили высказать следующую рабочую гипотезу.

Если создать методологию одновременного контроля всех «обязательных» параметров клеток организмов, то возможно ли получить информацию: а) о состоянии организма; б) и нельзя ли эту возможность использовать для оценки состояния экосистем.

Для реализации всей этой программы был выбран и обоснован метод спектроскопии внутреннего отражения. Сформулированы требования к методам анализа при работе с интактными клетками [4].

Теория СВО доказывает возможность проведения спектрального анализа различных веществ (в том числе и рассеивающих свет) на разной глубине проникновения светового потока в исследуемый объект.

Таким образом, имеется возможность получать информацию о градиентах как биохимического состава, так и о градиентах пространственной организации клеток, а также о динамике этих изменений во времени.

Сформулируем предварительно условия, выполнение которых гарантирует возможность получения спектральной информации с разных глубин проникновения светового потока в клетку: 1) появление в спектрах, полученных с разных глубин, новых полос поглощения или исчезновение ранее обнаруженных полос; 2) если различаются концентрации биохимических компонентов в разных структурах клетки, то на разных глубинах должно изменяться соотношение полос поглощения, характеризующих эти компоненты; 3) получение различных дихроичных отношений на разных глубинах.

Проверку возможности получения информации о процессах, происходящих во внешних структурах клетки, и изменениях гетерогенности структурной организации целой клетки провели при исследовании морских одноклеточных зеленых водорослей Б. 1етИо1ес1а. Микроводоросли культивировали при температуре + (19-20) 0С, освещенности 3 тыс. люкс, на питательной среде Гольдберга в периодическом режиме. В качестве посевного материала использовали клетки культуры, находящейся в стационарной фазе роста (30 суток). Объём инокулята составлял 5%; начальная плотность клеток 0,5 105 кл/мл; длительность эксперимента 50 суток. Исследовали неразрушенные клетки сразу же после внесения инокулята, после 5-и, 15-и, 30-и и 50-и суток культивирования. Физиологическое состояние микроводорослей и количество клеток в среде контролировали микроскопическими методами.

Был использован метод многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО), основанный на анализе неразрушенных клеток в ИК диапазоне области 18001200 см-1. Метод МНПВО дает возможность получить информацию об изменениях биохимического состава, концентрации и пространственной организации важнейших биохимических компонентов клетки. Используемый для анализа материал, содержащий клетки, готовили в виде водной пасты, наносили на измерительный элемент и подсушивали при комнатной температуре в токе воздуха. Время от нанесения объекта на элемент до начала записи характеристик, и время регистрации не превышало 1-2 мин.

Спектры пятидневной культуры были получены для целых клеток, их внешних структур без поляризации и в поляризованном свете. Ввиду того, что в качестве посевного материала использованы были клетки, находящиеся в стационарной фазе роста, их спектры сходны со спектрами возрастной культуры (30-ти суточной культуры). Однако, наблюдаются и характерные различия основных биохимических компонентов для целых клеток и их внешних структур, что, по-видимому, является следствием адаптации клеток к питательной среде, отличающейся составом от 30-ти суточной. Для целых клеток также появляется полоса 1450 см-1, её нет во внешних структурах, что свидетельствует о происходящем накоплении информации. Расчет дихроичных отношений для 5-ти суточной

культуры показывает, что этот показатель для внешних структур приближается к 2, а для целых клеток - значительно отличается от 2. Такие отношения должны быть характерны в те моменты культивирования, когда идет адаптация клеток к среде обитания. Отметим также, что дихроичные отношения для а1 и а2 для целых клеток имеют прямо противоположное направление.

Спектры целых клеток и их внешних структур 15-ти суточной культуры в неполяризованном свете свидетельствуют о нормальном состоянии культуры. Во внешних структурах на этом этапе культивирования появляется полоса в области 1600 см-1, которая ранее не наблюдалась. В целых клетках она отсутствует. Однако у 5-ти суточной культуры эта полоса в клетках просматривается и полностью отсутствует во внешних структурах. Возможно, это связано с тем, что происходит синтез и накопление в клетках метаболитов, а затем их выход в среду через внешние структуры.

Расчет дихроичных отношений для 15-суточной культуры показывает, что дихроичные отношения для внешних структур меньше 2-х, а для клеток - близки к 2. Кроме того для полосы амид 1 дихроичные отношения для внешних структур больше 2, а для амид 2 -меньше 2, т.е. направления векторов прямо противоположны.

В спектрах 30-ти суточной культуры, полученных в неполяризованном свете с измерительным элементом из германия для внешних структур, отсутствуют полосы поглощения в области 1240 см-1, принадлежащие, в основном, нуклеиновым кислотам, и значительное поглощение в области 1740 см-1, за которое отвечают липиды. Спектры, полученные на КО-2 для целых клеток, имеют ярко выраженную полосу поглощения в области 1240 см-1, что подтверждает то, что ведется послойный анализ клетки без ее разрушения. Появляется слабая полоса в диапазоне 1450 см-1 и сильная полоса - 1400 см-1 во внешних структурах, а для целых клеток наоборот - сильная полоса в диапазоне 1450 см-1, слабая - 1400 см-1, что свидетельствует, по-видимому, об обмене информацией клеток со средой. В поляризованном свете по появившимся изменениям в полосах поглощения 1660 см-1 и 1550 см-1 можно объяснить значительные изменения отдельных составляющих внешних слоев клетки.

Дихроичные отношения для амид 1 и амид 2 внешних структур близки к 2, а для клеток - отличаются от 2 и имеют прямо противоположное направление: для амид 1 больше 2, а для амид 2 - меньше. Если сопоставить эти данные с данными 5-ти суточной культуры, то наблюдается прямо противоположное направление векторов. Это характеризует функционирование системы, т.е. изменение её состояния.

Спектры, полученные в неполяризованном свете для целых клеток и их внешних структур после 50-ти суток культивирования, показывают, что поглощения в области 1550 см-1 существенно искажены. Это, по-видимому, объясняется морфоструктурными изменениями клеток (начавшийся лизис). Полосы, ответственные за содержание липидных компонентов значительно сильнее для целых клеток, чем для внешних структур, что, вероятно, также свидетельствует о тех же изменениях. Спектры, полученные в поляризованном свете, также свидетельствуют о деструкции клеток, и характерная для внешних слоев полоса 1375 см-1 отсутствует, а появляется полоса в области 1340 см-1 и 1400 см-1(для параллельно поляризованного света).

После 50-ти суток культивирования в наших условиях в культуре водорослей резко возрастает количество лизированных клеток.

В процессе работы у клеток разного возраста были обнаружены существенные различия в спектрах поглощения в области 1660 см-1 и 1550 см-1, которые принадлежат белковым компонентам. Расчёт дихроичных отношений свидетельствует о структурных и биохимических изменениях, происходящих во внешних слоях клеток. Получены данные об изменениях, происходящих в целых, не разрушенных клетках, их внешних структурах, меняющемся биохимическом составе и пространственной организации макромолекул важнейших биополимеров в процессе культивирования микроводорослей. Методика может быть использована для проведения мониторинга в различных средах: почвы, вода, воздух [5,6].

Заключение

Полученные результаты свидетельствуют о том, что описанный метод можно применять в работах по изучению изменений в культурах клеток как при анализе причинности и механизмов перехода из одной фазы развития в другую, так и при различном воздействии на эти культуры.

Учитывая возможности контроля характеристик во времени можно сказать, что практически все параметры, аналогичные параметрам состояния экосистемы, могут быть получены для любого организма.

Степень пространственно-временной организации структур клеток, через которые осуществляется взаимодействие со средой обитания, характеризует изменения живой системы в зависимости от этапа развития и от характера взаимодействия со средой обитания.

Итак, подтверждена возможность иметь информацию о процессах, происходящих во внешних структурах клетки, и изменениях гетерогенности структурной организации целой клетки.

Проведенные «контрольные» опыты позволили подойти к поиску закономерностей, характеризующих состояние популяции микроорганизмов таким образом, чтобы можно было использовать эти данные при построении эмпирической модели на базе культуры микроорганизмов для оценки состояния экосистем.

Список литературы

1. Асланян Р.Р. и др. Культуры микроорганизмов как пример информационного взаимодействия // Вестник МГУ, сер. 16, биология, № 2, 2009, 19-25.

2. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. М.: ACADEMIA, 2003, 462 с.

3. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир, 1972, 353 с.

4. Балоян Б.М., Чуднова Т.А., Королева С.Ю., Королев Ю.Н. Способ получения информации при экомониторинге с помощью дисперсии оптического вращения. Прикладная экология. Опыт, результаты, прогнозы. Выпуск 2. Дзержинский. 2009, 131-135.

5. Щербаков А.Ю., Карев С.Ю., Абрамцев В.С., Прохоров И.С., Шаповалов Д.А., Скибарко А.П. Вопросы подготовки и контроля качества искусственно созданных грунтов для озеленения московских газонов // Экологические системы и приборы.- 2012.- № 10.- с. 28-33.

6. Шаповалов Д.А., Груздев В.С., Балоян Б.М., Ухоботина Е.В., Хромов В.М. Тяжёлые металлы в малых водоёмах Подмосковья // Мелиорация и водное хозяйство.- 2009.- № 6.- с. 20-23.