Changes in the Vital Signs of Drosophila Oil-Resistant Lines, Depending on the Conditions of Detention

Full Text

Экологические последствия разливов нефти носят трудно учитываемый характер, поскольку нефтяное загрязнение нарушает многие естественные процессы и взаимосвязи, существенно изменяет условия обитания всех видов живых организмов и накапливается в биомассе [6]. Ухудшение экологической обстановки наносит большой ущерб состоянию флоры и фауны. При загрязнении почвогрунтов нефтью резко сокращается видовой состав и численность водорослей [1]. Без сомнения, нефть отрицательно влияет на окружающую среду [14]. Несмотря на то, что сырая нефть — это продукт естественного происхождения, она действует как загрязнитель. Последствиями деградации при нефтяном загрязнении являются: изменение физических свойств почвы, нарушение газообмена, осложнение поступления воды и питательных веществ, нарушение растительного покрова, что оказывает влияние на другие компоненты системы [10; 17]. Самое сильное воздействие на гидробионты оказывает эмульгированная форма. Такая нефть оседает на дно, покрывая, при этом, грунт и сидячие водные организмы [8]. Также большую опасность из всех миграционных форм представляют водорастворимые компоненты [12].

Целью данного исследования является оценка последствий загрязнения природной среды нефтью и продуктами ее переработки с акцентом на адаптацию к ней живых организмов. Деятельность человека, особенно промышленность, вызывает значительное увеличение количества загрязняющих веществ, выбрасываемых в природу. Кроме того, это привело к резкому сокращению биоразнообразия, изменению баланса населения и усилению воздействия опасных для человека и животных загрязняющих веществ.

Проблема, рассматриваемая в этой статье, заключается в том, чтобы проанализировать способность организмов справляться с таким загрязнением. Так как раньше в связи с многокомпонентным составом нефти считалось, что адаптация живых организмов к ней невозможна, то сейчас это опровергается. Например, в работах Н.В. Бурковского на простейших [2] и Л.Д. Гапочки на водорослях [7] была показана возможность адаптации к нефтяному загрязнению. В работах Г.А. Петуховой [15] показана адаптация мух дрозофил к условиям нефтезагрязнения. Все основные показатели жизнедеятельности выходят на уровень контроля к 70-му поколению.

В ходе эксперимента были проанализированы выживаемость и потенциальная плодовитость мух – дрозофил, в стенах лаборатории ТюмГУ.

Анализируемые показатели:

• Эмбриональные летали на стадии яйца [19]: ранние доминантные, поздние доминантные и частота леталей у мух, адаптированных к 2,5% и 5% нефти в среде в объёме больше 5000 яиц. Анализ ранних и поздних леталей учитывался спустя 48 часов после откладки мухами яиц.
• Плодовитость и выживаемость линий, адаптированных к нефтезагрязнению и линий, адаптированных к нефтезагрязнению, но пересаженных на чистую питательную среду в объёме более 3000 особей, развивающихся не более 3–5 дней.
• Частота крыловых морфозов и деформаций крыла (мятое крыло, крупная и мелкая вырезка) мух, содержащихся в условиях нефтяного загрязнения (2,5% и 5% нефти в среде) и пересаженных в условия чистой питательной среды в объёме 1000 особей каждой исследуемой линии, развивающихся не более 3–5 дней.

Анализ выживаемости и плодовитости проводили по стандартной методике [13; 18].

Правильное использование методов биометрии увеличивает доказательность поставленных заключений, а также выявлять скрытые закономерности и верно их объяснить, установить причины происходящих явлений и т. д. [5]. Статистическую обработку данных проводили по стандартной методике при помощи программы Statistica. Достоверность различий, сравниваемых результатов выявили по t критерию Стьюдента. Различия считали статистически достоверными при р < 0,05.

Частота выживаемости самок дрозофил в нефтезагрязнённой среде не отличается от контроля во все сроки наблюдения. Анализ выживаемости самок мух, при содержании на чистой питательной среде выявил, что особи, адаптированные к 2,5% нефти в среде, на 10 день эксперимента (рис. 1) показывают резкое снижение выживаемости (р < 0,05), а затем, в остальные сроки наблюдения выживаемость сохраняется на уровне контроля. Это может свидетельствовать о том, что к этому времени у мух, у которых не включились гены устойчивости, выживаемость начала снижаться. При содержании мух, адаптированных к 5% нефти в среде, на чистой питательной среде, выживаемость резко сокращается на 15 день эксперимента, а к 20-му дню все самки погибли.

Сейчас известно, что при повышенном содержании токсиканта в питательной среде – он накапливается как в половых, так и в соматических клетках, что приводит к сильному повреждающему действию и летальности [3, с. 53-54].

 

Рис. 1. Выживаемость самок дрозофилы нефтеустойчивых линий в зависимости от условий содержания: А – при содержании в нефтезагрязнённой среде; Б – при содержании на чистой питательной среде.

Примечание: * – статистически достоверное различие между контролем и вариантом эксперимента при (р <0,05)

 

Частота выживаемости самцов дрозофил в нефтезагрязнённой среде не отличается от контроля во все сроки наблюдения (р < 0,05). Анализ выживаемости самцов мух, при содержании на чистой питательной среде выявил, что особи, адаптированные к 2,5% нефти в среде, на 10 и на 15 дни эксперимента (рис.2) показывают резкое снижение выживаемости (р < 0,05), а затем, в остальные сроки, наблюдаемая выживаемость сохраняется на уровне контроля. При содержании адаптированных к 5% нефти в среде мух на чистой питательной среде выживаемость резко понизилась на 10 и все последующие дни эксперимента (р < 0,05), а к 20-му дню все самцы погибли.

 

Рис. 2. Выживаемость самцов дрозофилы нефтеустойчивых линий в зависимости от условий содержания: А – при содержании в нефтезагрязнённой среде; Б – при содержании на чистой питательной среде.

Примечание: * – статистически достоверное различие между контролем и вариантом эксперимента при (р <0,05)

 

Выживаемость мух в нефтезагрязнённой среде не отличается от контроля во все сроки наблюдения. Это свидетельствует о полной адаптации дрозофил к данной среде. Анализ общей выживаемости дрозофил, при содержании нефтеустойчивых линий в условиях чистой питательной среды показал, что у линий, адаптированных к 2,5% нефти в среде, резкое снижение выживаемости (р < 0,05) происходит только на 10 день эксперимента (рис. 3), а у линий, адаптированных к 5% нефти в среде, выживаемость резко понизилась (р < 0,05) на 10 и все последующие дни эксперимента, а к 20-му дню все дрозофилы погибли. Это может быть свидетельством того, что у мух, адаптированных к 2,5% нефти в среде адаптивные механизмы работают лучше и их жизнеспособность выше, чем у 5% потому, что концентрация нефти в среде меньше, а значит механизмы выживания требуют меньше энергетических затрат, которые в свою очередь идут на восстановление организма и адаптацию.

 

Рис. 3. Выживаемость дрозофил нефтеустойчивых линий в зависимости от условий содержания: А – при содержании в нефтезагрязнённой среде; Б – при содержании на чистой питательной среде.

Примечание: * – статистически достоверное различие между контролем и вариантом эксперимента при (р < 0,05)

 

Наряду с выживаемостью, ещё один показатель адаптации дрозофил – их плодовитость, которая рассчитывается по количеству вылетевших потомков первого поколения в пересчете на 1 самку, другими словами – удельная плодовитость.

Анализ плодовитости дрозофил в нефтезагрязнённой среде не отличается от контроля во все сроки наблюдения. Анализ общей плодовитости мух, адаптированных к 2,5% нефти в среде при переводе на чистую питательную среду, на 15 и 20 дни эксперимента (рис.4Б) резко снижается (р < 0,05). А при содержании на чистой питательной среде мух, адаптированных к 5% нефти в среде – плодовитость резко уменьшается (р<0,05) во все дни эксперимента, вплоть до полной гибели особей на 20 день.

Также отмечается, что у мух, не адаптированных к токсическому загрязнению среды возникает гораздо больше нарушений, которые не могут нейтрализоваться антиоксидантной системой, что соответственно, снижает выживаемость и плодовитость [16].

 

Рис. 4. Плодовитость дрозофил в зависимости от условий содержания: А – при содержании в нефтезагрязнённой среде; Б – при содержании на чистой питательной среде.

Примечание: * – статистически достоверное различие между контролем и вариантом эксперимента при (р <0,05)

 

Плодовитость дрозофилы – достаточно изменчивый показатель. Количество потомков, откладываемых одной самкой, может меняться в зависимости от условий среды, температуры и даже количества самцов [9].

Помимо общих показателей: плодовитости и выживаемости дрозофил, изучали состояние повреждаемости половых клеток, реализуемых как ранние доминантные летали, поздние доминантные летали и их суммарная частота.

Общее количество доминантных леталей (рис. 5) зависит от количества ранних и поздних леталей и отражает их общую частоту. У мух, адаптированных к 2,5% и 5%, частота доминантных леталей значительно превышает контрольные показатели (р < 0,05). На данный момент влияние нефти на живые организмы недостаточно изучено, но опираясь на имеющуюся литературу, можно прогнозировать возможные летальные исходы животных от токсического действия [20].

 

Рис. 5. Суммарная частота леталей у мух тестируемых линий по дням исследования при содержании в нефтезагрязнённой среде.

Примечание: * – статистически достоверное различие между контролем и вариантом эксперимента при (р < 0,05)

 

Несмотря на то, что мухи живут и размножаются в условиях нефтезагрязнения достаточно долго и уже достигнута адаптация к неблагоприятным условиям, в каждом поколении ещё идёт отбор чувствительных особей уже на первых этапах эмбрионального развития. Не все отложенные яйца способны развиться в жизнеспособный организм при высоких концентрациях нефти. В экспериментах К.В. Ватги и М.М. Тихомирова, выявлены похожие серьёзные нарушения при действии радиации и температуры [4].

Однако токсическое действие нефти может вызывать также нарушения эмбриогенеза. Отмечая токсическое действие нефти и нефтепродуктов на организм, можно говорить о различных нарушениях, таких как: работа источника гликогена, липидного, белкового и энергетического обмена, нарушение клеточного метаболизма [11].

А также морфозы – ненаследственные изменения, вызываемые в соматических клетках организма факторами внешней среды; возникают в результате нежизнеспособности клеток имагинальных дисков. Некоторые из них менее выражены, другие – можно пронаблюдать, например: вырезки на крыле разных размеров (крупные и мелкие) или скомкивание (мятость) крыла. Появление морфоза – это результат деления клеток имагинальных дисков крыла, если количество клеток, которое не способно регенерировать большое, то и размер вырезки – крупный; если регенерация не полная – вырезка мелкая.

Были рассмотрены крылья 500 самок и 500 самцов дрозофилы нефтеустойчивой линии и линии, содержащейся на чистой питательной среде, возрастом 3–5 дней.

Анализ морфозов крыльев самок мух в нефтезагрязнённой среде не отличается от контроля. Анализ морфозов самок мух, при содержании в условиях чистой питательной среды выявил, что особи, адаптированные к 2,5% нефти в среде, содержат, на хотя бы одном крыле, вырезку мелкого размера (рис. 6) с меньшей частотой (р < 0,05), чем остальные, а прочие морфозы сохраняется на уровне контроля. При содержании на чистой питательной среде мух, адаптированных к 5% нефти в среде, крупная вырезка резко увеличивается (р < 0,05).

 

Рис. 6. Морфозы крыльев у самок мух нефтеустойчивых линий и мух, нефтеустойчивых линий в условиях чистой питательной среды: А – при содержании в нефтезагрязнённой среде; Б – при содержании на чистой питательной среде.

Примечание: * – статистически достоверное различие между контролем и вариантом эксперимента при (р < 0,05)

 

Частота морфозов крыльев самцов мух в нефтезагрязнённой среде не отличается от контроля. Анализ морфозов крыльев у особей, адаптированных к 5% нефти в среде при содержании в условиях чистой питательной среды, показал резкое увеличение (р < 0,05) количества мятых крыльев (рис. 7).

 

Рис. 7. Морфозы крыльев у самцов мух нефтеустойчивых линий и мух, нефтеустойчивых линий в условиях чистой питательной среды: А – при содержании в нефтезагрязнённой среде; Б – при содержании на чистой питательной среде.

Примечание: * – статистически достоверное различие между контролем и вариантом эксперимента при (р < 0,05)

 

Морфоз – это неадаптивная и обычно нестабильная вариация индивидуального морфогенеза, связанная с изменением внешней среды. Нарушения эмбрионального развития отличаются двумя основными критериями: не наследственностью и высокой частотой проявления.

Итак, показатели жизнедеятельности дрозофил в нефтезагрязнённой среде не отличается от контроля по всем измеряемым признакам. Это свидетельствует о полной адаптации данной линии к условиям нефтезагрязнения. У мух нефтеустойчивой линии, адаптированной к хроническому нефтезагрязнению среды, все показатели приспособленности находятся на уровне контроля. Что касается половых клеток, ранних леталей больше у мух, содержащихся в нефтяной среде большей концентрации. Это может свидетельствовать о том, что при хроническом содержании мух в нефти с большой концентрацией невозможно избежать отбора особей, чувствительных к неблагоприятным условиям среды даже несмотря на адаптацию.

Что касается мух, пересаженных в чистую питательную среду, то их выживаемость и плодовитость нестабильны. Чем более токсична среда содержания дрозофил до смены местообитания, тем сильнее последствия. Изучение первичных продуктов повреждаемости клеток у дрозофил в условиях чистой питательной среды свидетельствует о том, что повреждаемость их клеток также возрастает, а вторичные продукты – накапливаются и деструктивно влияют на клетки.

Изучение показателей жизнедеятельности мух нефтеустойчивой линий в нефтезагрязнённых условиях и в условиях чистой питательной среды позволило заключить:

1. Показатели жизнедеятельности нефтеустойчивой линии дрозофил при содержании в нефтезагрязнённой среде не отличается от уровня контроля во все сроки наблюдения.
2. Более высокая частота проявления ранних леталей у мух, содержащихся в условиях нефтезагрязнения, возможно, связана с низкой оплодотворяющей способностью самцов, либо с отбором устойчивых генотипов и элиминацией в эмбриогенезе особей, не включивших гены нефтеустойчивости.
3. У мух увеличивается частота крыловых морфозов, что свидетельствует о тератогенном влиянии условий содержания.
4. Содержание мух в стандартных условиях чистой питательной среды, даже если организм не встречался с ней в течение длительного времени (в ходе нескольких сотен поколений), приводит к тому, что среда становится инадаптивной.

About the authors

Liana Y. Yangirova

Tyumen State University

Author for correspondence.
Email: Lianochka137@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7546-485X

аспирант

Russian Federation, Tyumen

Galina A. Petukhova

Tyumen State University

Email: gpetuhova1@mail.ru

Professor, Doctor of Biological Sciences

Russian Federation, Tyumen

References

Supplementary files