Анализ метаболического гомеостаза грызунов разной экологической специализации, обитающих в радиоактивной среде
На правах рукописи
ОРЕХОВА Наталья Александровна
АНАЛИЗ МЕТАБОЛИЧЕСКОГО ГОМЕОСТАЗА ГРЫЗУНОВ
РАЗНОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ,
ОБИТАЮЩИХ В РАДИОАКТИВНОЙ СРЕДЕ
03.00.16 – экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Екатеринбург – 2010
Работа выполнена в Институте экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук
Научный руководитель кандидат биологических наук Расина Лариса Николаевна доктор биологических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Тестов Борис Викторович доктор биологических наук Васильева Ирина Антоновна
Ведущая организация Институт биологии Коми НЦ УрО РАН
Защита состоится 16 марта 2010 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 004.005.01 при Институте экологии растений и животных УрО РАН по адресу:
620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, Факс: 8 (343) 260-82-56;
адрес сайта Института: http://www.ipae.uran.ru E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии растений и животных УрО РАН.
Автореферат разослан «_»_2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Золотарева Н.В.
Введение Актуальность темы. Комплексный анализ биологических последствий радиоактивного загрязнения окружающей среды включает исследования у разных видов животных особенностей метаболических реакций, обусловливающих возможность адаптации к неблагоприятным условиям.
Общие закономерности антропогенной эволюции животных, в частности, селекция, исследованные при воздействии нерадиоактивных поллютантов (Большаков, Моисеенко, 2009), играют важнейшую роль в микроэволюционных преобразованиях популяции под влиянием хронического облучения. Ряд авторов (О генетических процессах…, 1972;
Ильенко, Крапивко, 1989;
Новые материалы…, 2002) полагают, что у мелких млекопитающих на радиоактивно загрязненных территориях в ряду поколений развивается генетическая радиоадаптация, другие исследователи (Тестов, 1993) подчеркивают роль физиологической адаптации, развивающейся в онтогенезе в рамках каждого поколения.
К настоящему времени в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа – ВУРСа (Радиационная авария…, 1989) исследуются популяционные и морфофизиологические характеристики мелких млекопитающих (Популяции млекопитающих…, 1993;
Тестов, 1998;
Жизнеспособность популяций…, 2000;
Мамина, Жигальский, 2000;
Тарасов, 2000;
Чибиряк и др., 2005;
Григоркина и др., 2008), феногенетические и цитогенетические особенности (Васильев и др., 1996;
Гилева, 2002;
Феногенетический анализ…, 2003;
Ялковская, Григоркина, 2009), иммунологические и гематологические изменения (Тарахтий, Кардонина, 1995;
Любашевский, Пашнина, 2002).
Эколого-биохимический анализ метаболизма (Кудяшева, 1996;
Биохимические механизмы…, 1997;
Бурлакова и др., 2001;
Шевченко, 2001;
Устинова, Рябинин, 2003, 2005;
Биологические эффекты…, 2004) актуален как базис для расшифровки механизмов адаптации организмов и популяций к хроническому облучению. Исследования на экологически различающихся видах грызунов, позволяют анализировать эффекты хронического облучения в зависимости от функционально-метаболических особенностей вида и степени радиоактивного загрязнения среды обитания.
Цель работы: изучить особенности метаболического гомеостаза в популяциях трех видов мелких грызунов разной экологической специализации, определяющие стратегии физиологической адаптации к радионуклидному загрязнению среды обитания.
Задачи исследования:
1. Изучить исходный уровень метаболических процессов в организмах трех видов мелких грызунов – малой лесной мыши, красной полевки, обыкновенной слепушонки, обитающих на контрольных фоновых участках вне зоны радиоактивного загрязнения.
2. Определить особенности метаболических реакций изучаемых видов грызунов на обитание в зоне ВУРСа.
3. Оценить значимость исходного уровня метаболических процессов в формировании адаптационной стратегии организмов к хроническому облучению.
4. Выявить взаимосвязь метаболических изменений с концентрацией 90Sr в костной ткани, полом животных, годом их отлова, временем содержания в виварии.
Научная новизна. Сформирован комплекс биохимических показателей для оценки метаболического гомеостаза, позволяющий впервые исследовать на клеточно-тканевом и организменном уровнях стратегии физиологической адаптации к неблагоприятным факторам среды обитания.
Впервые проведен сравнительный анализ исходного уровня основных составляющих метаболического гомеостаза (липидного, углеводного, белкового обмена и окислительных, энергообразующих, процессов) у видов разной экологической специализации – малой лесной мыши, красной полевки и обыкновенной слепушонки.
Установлены особенности метаболических реакций трех видов мелких грызунов разной экологической специализации на обитание в зоне ВУРСа.
У обыкновенной слепушонки впервые изучены метаболические реакции на обитание в зоне ВУРСа.
Впервые показана динамика метаболического гомеостаза мелких грызунов из зоны ВУРСа в зависимости от времени разобщения с радиоактивной средой (при содержании отловленных животных в виварии).
Впервые определен вклад исходных параметров метаболизма и концентрации 90Sr в костной ткани мелких грызунов в формирование стратегии физиологической адаптации к радиоактивной среде обитания.
Теоретическое и практическое значение. Выявление различий исходного уровня метаболизма у мелких грызунов разной экологической специализации и особенностей метаболических реакций на обитание в зоне ВУРСа являются вкладом в комплексный анализ биологических последствий радиоактивного загрязнения окружающей среды и механизмов адаптации к неблагоприятным факторам. Сформированный комплекс биохимических показателей может быть использован для тестирования функционально метаболических изменений при хроническом радиационном воздействии и прогнозирования путей и стратегий адаптационных процессов. Материалы диссертации используются в Институте органического синтеза им. И.Я.
Постовского УрО РАН для изучения механизмов действия вновь синтезированных медикаментозных средств коррекции физиологического состояния облученных млекопитающих и человека.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Радионуклидное загрязнение среды обитания в зоне ВУРСа вызывает существенные сдвиги показателей метаболического гомеостаза у грызунов разной экологической специализации (малая лесная мышь, красная полевка, обыкновенная слепушонка).
2. Особенности метаболических реакций трех изучаемых видов грызунов на обитание в радиоактивной среде базируются на различиях в исходном уровне метаболизма, концентрации 90Sr в костной ткани животных и формируют стратегии физиологической адаптации.
3. Выраженные метаболические сдвиги, являющиеся лишь частью морфофункциональных изменений при данном уровне радионуклидной нагрузки, недостаточны для изменения сформированных в процессе эволюции видовых особенностей гомеостаза.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Всероссийских конференциях молодых ученых в ИЭРиЖ УрО РАН в 2002– 2008 гг.;
на международной научной конференции «Экологические проблемы горных территорий» (Екатеринбург, 2002);
III международном симпозиуме «Механизмы действия сверхмалых доз» (Москва, 2002);
III съезде физиологов Урала «Актуальные проблемы иммунофизиологии» (Екатеринбург, 2006);
IV молодежной научно-практической конференции «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (Озерск, 2007);
международной конференции «Радиоэкология: итоги, современное состояние и перспективы»
(Москва, 2008);
IV съезде физиологов Урала (с международным участием) (Екатеринбург, 2009);
III международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (Томск, 2009);
международной конференции «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, 2009).
Личный вклад автора. При непосредственном участии автора собран и обработан весь необходимый материал, проведена статистическая обработка данных и проанализированы полученные результаты, осуществлена подготовка к печати научных работ, освещающих итоги проведенных исследований.
Публикации. По теме диссертации было опубликовано 18 печатных работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы, включающего 494 наименования, из которых 65 на иностранных языках. Объем работы составляет страницы, содержит 16 таблиц и 27 рисунков.
Глава 1. Исследования приспособительных реакций у млекопитающих к радионуклидному загрязнению среды обитания (литературный обзор) Анализируются механизмы приспособительных реакций организмов и популяций к радионуклидному загрязнению среды обитания. Особое внимание уделено влиянию хронического низкоинтенсивного радиационного воздействия на биохимические параметры метаболического гомеостаза.
Глава 2. Материал и методы 2.1 Радиоэкологическая характеристика района исследований.
Наибольший вклад в загрязнение района исследований внесла Кыштымская авария в 1957 г., а также ветровой перенос радиоактивных ила и песка с берегов оз. Карачай в 1967 г., выбросы радионуклидов из организованных источников ПО «Маяк». К 1991 г. загрязнение территории ВУРСа на 99.3 % было обусловлено 90Sr (Заключение комиссии…, 1991).
Отловы мелких грызунов проводились на четырех стационарных участках (рис. 1), расположенных в зоне ВУРСа и сопредельных к ней территориях. Участок «Бердениш» (55°46 с.ш., 60°52 в.д.) расположен в км от эпицентра аварии (рис. 1, т. 1). Плотность загрязнения почвы по 90Sr на участке составляет от 6740 до 16690 кБк/м2, 137Cs – от 210 до 700 кБк/м2, 239,240Pu – от 33.2 до 62.2 кБк/м2;
-фон на уровне почвы колеблется от 27 до 76 мкР/ч, -фон – от 98 до 921 частиц·мин-1·см-2 (Современное состояние…, 2008;
Модоров, 2009). Участок «Метлино» (55°48 с.ш., 60°00 в.д.) использовался в качестве контроля, он расположен в 10 км от центральной оси следа, в 2 км к северо-востоку от одноименного поселка (рис. 1, т. 2). Согласно данным указанных выше авторов, плотность загрязнения почвы по 90Sr составляет 43. кБк/м2, по 137Cs – 20.3 кБк/м2;
-фон – 12 мкР/ч, -фон – 12 частиц·мин-1·см-2.
Рисунок 1 – Карта-схема района исследований 1 – Бердениш, 2 – Метлино (участки отлова малой лесной мыши и красной полевки);
3 – Лежневка, 4 – Аминево (участки отлова обыкновенной слепушонки) Участок «Лежневка» (55° с.ш., 60°54 в.д.) находится в 6 км от эпицентра аварии (рис. 1, т. 3). Плотность загрязнения почвы по 90Sr составляет от 23 900 до 39 800 кБк/м2, по 137Cs – от 657.7 до 1244.0 кБк/м2, по 239,240Pu – от 40.9 до 101.6 кБк/м2;
-фон на уровне почвы колеблется от 290 до 450 мкР/ч, -фон – от 2000 до 3000 частиц·мин-1·см (Тарасов, 2000;
Современное состояние…, 2008). Участок «Аминево» (рис. 2, т. 4) использовался в качестве контроля, он не входит в зону влияния ВУРСа и удален от крупных промышленных центров.
2.2 Экологическая характеристика объектов исследования. В разделе рассмотрены систематическое положение, климато-географическое распространение, биотопическая приуроченность, жизненная форма, пищевая специализация, репродуктивная активность, особенности терморегуляции, поведенческих реакций и социальной организации малой лесной мыши (Apodemus (S.) uralensis Pall., 1811), красной полевки (Clethrionomys (Cl). rutilus Pall., 1779) и обыкновенной слепушонки (Ellobius (Е.) talpinus Pall., 1770).
Краткая характеристика экологических различий изучаемых видов мелких грызунов представлена основными из них.
Особенность климато-географического распространения: малая лесная мышь – типичный представитель лесной и лесостепной зон юго-западных областей Евроазиатского континента, красная полевка – лесной, лесотундровой и тундровой зон северной части Евразии, обыкновенная слепушонка – степной, полупустынной и пустынной зон южных областей Евроазиатского континента (Ивантер, 1975;
Громов, Ербаева, 1995;
Пантелеев, 1999;
Павлинов, 1999).
Специфика образа жизни: малая лесная мышь и красная полевка – активно мигрирующие наземные виды грызунов, с высокими темпами полового созревания, репродукции и относительно низкой продолжительностью жизни, обыкновенная слепушонка – вид, специализированный к подземнороющему образу жизни, с низкими темпами полового созревания, репродукции и высокой продолжительностью жизни (Наумов, 1963;
Большаков, 1972;
Суточная активность…, 1976;
Башенина, 1977;
Летицкая, 1984;
Садыков, 1984;
Колчева, 1992;
Евдокимов, 2001).
Концентрация 90Sr в костной ткани животных, обитающих на территории ВУРСа: малая лесная мышь – от 89 до 161 Бк/г сырой кости (Тарасов, 2000;
Стариченко, 2004;
Григоркина и др., 2009);
красная полевка – 288±99 Бк/г (Стариченко, 2004);
обыкновенная слепушонка – от 225 до 1652 Бк/г (Стариченко, 2002, 2004, 2007).
2.3 Методы отлова, лабораторного содержания и камеральной обработки грызунов. Отлов проводили методом безвозвратного изъятия из популяции с помощью живоловушек (Система мониторинговых…, 2005).
Малая лесная мышь и красная полевка отловлены на участках «Бердениш» и «Метлино» в 2002–2008 гг., обыкновенная слепушонка – на участках «Лежневка» и «Аминево» в 2001 г. В виварии диких грызунов содержали согласно опубликованным рекомендациям (Покровский, Большаков, 1979).
Отловленных грызунов подвергали первичной камеральной обработке, определяя вес животного и стандартные промеры длины тела, хвоста, ступни, учитывая степень развития генеративных органов (Шварц и др., 1968). Общее количество зверьков в эксперименте составило 149 особей, из них малая лесная мышь – 82 особи (45 – контроль, 37– ВУРС), красная полевка – 34 (23 – контроль, 11– ВУРС), обыкновенная слепушонка – 37 особей (15– контроль, – ВУРС). Однородность выборки по возрастному и репродуктивному статусу сформировали, используя функционально-онтогенетический подход (Оленев, Отлов 2002, 2004), и представили неполовозрелыми сеголетками.
обыкновенной слепушонки, определение возраста и репродуктивного статуса проведен сотрудниками ИЭРиЖ УрО РАН канд. биол. наук Н.Г. Евдокимовым и канд. биол. наук Н.В. Синевой.
2.4 Биохимические методы исследования метаболического гомеостаза:
– углеводный обмен оценивали по содержанию гликогена печени, концентрации глюкозы в плазме крови, активности глюкозофосфатизомеразы в эритроцитах периферической крови;
– липидный обмен – путем определения концентрации общих липидов, холестерина и малонового диальдегида (МДА), как продукта перекисного окисления липидов (ПОЛ), в тканях печени, надпочечников, миокарда и плазме периферической крови;
– белковый обмен изучали по содержанию общего белка и белка ядерной, митохондриальной и постмитохондриальной фракций в тканях печени, надпочечников, миокарда, головного мозга, селезенки и плазме крови;
– окислительные, энергообразующие, процессы определяли на основании активности цитохромоксидазы в митохондриях печени, миокарда и головного мозга;
исследовали путем определения – про- и антиоксидантные процессы концентрации МДА и активности каталазы в митохондриях печени, миокарда, головного мозга;
– кислород-транспортную функцию эритроцитов изучали по содержанию гемоглобина и метгемоглобина, по активности каталазы в эритроцитах периферической крови с учетом их численности;
– функциональную активность генома клеток определяли на основании отношений ДНК/общий белок и РНК/ДНК в печени и селезенке.
Использовано 20 методов, от 16 до 45 показателей для каждой особи.
Животных декапитировали, плазму крови и эритроциты получали центрифугированием. Количество эритроцитов в периферической крови подсчитывали в камере Горяева (Лабораторные методы…, 1987). Органы взвешивали, гомогенизировали в трис-HCl буферном растворе (0.025моль/л;
рН 7.4) (Современные методы …, 1977). Гликоген печени выделяли путем щелочного гидролиза (Davidson, Berliner, 1974). Экстракцию общих липидов и осаждение тканевого белка проводили по методу J. Folch et al. (1957) в модификации М. Кейтса (1975). Нуклеиновые кислоты выделяли путем осаждения кислотонерастворимой фракции, МДА – обработкой 17 % - ным раствором трихлоруксусной кислоты (Современные методы …, 1977).
Субклеточные фракции получали дифференциальным центрифугированием гомогената ткани по методу C.W.Schneider (1948) в модификации Л.А.
Романовой и И.Д. Стальной (Современные методы…, 1977).
Количественное определение показателей проводили фотоколориметрическими, спектрометрическими и титрометрическими методами (Асатиани, 1956;
Биохимические методы…, 1969;
Bradford, 1976;
Современные методы …, 1977;
Метод определения…, 1988).
2.5 Методы статистического анализа данных. Для сравнения выборок по показателям с распределением, не отличающимся от нормального, использовали ковариационный анализ (Афифи, Эйзен, 1982). Многомерное сравнение проводили посредством дискриминантного, кластерного и факторного анализов (Sneath, Sokal, 1973;
Прикладная статистика…, 1989;
Ким и др., 1998). Взаимосвязь между показателями определяли регрессионным анализом (Айвазян и др., 1985).
Глава 3. Сравнительный анализ метаболического гомеостаза грызунов, обитающих на фоновых участках вне зоны радиоактивного загрязнения Малая лесная мышь как наиболее многочисленный вид на изучаемых территориях (Популяции млекопитающих..., 1993;
Мелкие млекопитающие…, 2007) служила основным объектом исследований метаболического гомеостаза.
Среди трех изучаемых видов малая лесная мышь занимает промежуточное положение между красной полевкой и обыкновенной слепушонкой по содержанию основных метаболических резервов организма (гликоген и липиды печени), интенсивности окислительного метаболизма в тканях (концентрация МДА в печени и миокарде, активность глюкозофосфатизомеразы в эритроцитах), уровню кислород-транспортной функции эритроцитов (содержание гемоглобина и метгемоглобина, активность каталазы).
Характерная особенность этого вида – высокое содержание общего и митохондриального белка в тканях печени, миокарда, головного мозга, надпочечников и селезенки животных, что указывает на повышенный уровень пластических, белок-синтезирующих, процессов.
Красная полевка среди трех изучаемых видов отличается наиболее низким уровнем углеводных и липидных резервов организма, что обусловлено их интенсивным использованием в окислительном метаболизме тканей (высокая концентрация глюкозы и общих липидов в плазме крови, МДА – в печени и миокарде, высокая активность глюкозофосфатизомеразы в эритроцитах) и энергообразующих процессах (высокая активность цитохромоксидазы митохондрий печени, миокарда, головного мозга). Уровень белок-синтезирующих процессов, напротив, более низкий. Выявленные особенности характеризуют энергозатратные механизмы приспособительных реакций, направленные прежде всего на высокую функциональную активность клеток и тканей, что согласуется с приуроченностью данного вида к обитанию в суровых климато-географических условиях Севера (Шварц, 1963;
Большаков, 1977;
Ковальчук, Ястребов, 2003;
Млекопитающие Полярного…, 2007).
Для обыкновенной слепушонки характерны высокий уровень углеводных и липидных резервов в организме, низкий уровень их потребления в окислительном метаболизме и низкая кислород-транспортная функция крови, снижающая степень кислородного обеспечения тканей (низкая численность эритроцитов и содержание гемоглобина, высокое – метгемоглобина). Это свидетельствует о пониженном уровне энергетического гомеостаза и функциональной активности клеток и тканей. Особенности ресурсосберегающих механизмов приспособительных реакций, обусловлены в первую очередь подземно-колониальным образом жизни этого вида (McNab, 1966;
Слоним, 1979;
Большаков и др., 1982;
Евдокимов, 2001;
Новиков, 2007).
Глава 4. Особенности метаболического гомеостаза грызунов, обитающих на территории ВУРСа 4.1 Малая лесная мышь характеризуется следующими особенностями метаболического гомеостаза:
– концентрация глюкозы в плазме крови более низкая, чем в контроле (до 62 %), активность глюкозофосфатизомеразы в эритроцитах более высокая (до 169 %), содержание гликогена печени не изменяется. Эти результаты свидетельствуют об интенсивном использовании в окислительном метаболизме тканей углеводных резервов и их возмещении за счет глюконеогенеза, что направлено на сохранение энергетического потенциала при длительном воздействии неблагоприятных факторов среды обитания (Mayer, Rosen, 1977;
Панин, 1978). Повышение активности лактатдегидрогеназы в печени и миокарде животных из радиоактивно загрязненной среды (Биохимические механизмы..., 1997;
Устинова, Рябинин, 2005) также показывает усиление процессов окисления глюкозы в тканях;
– концентрация общих липидов в печени, надпочечниках, плазме крови (табл.1) выше, чем в контроле, в миокарде – ниже, что при выраженном увеличении продуктов ПОЛ (МДА) указывает на возрастание доли липидов в окислительном метаболизме. Более высокая концентрация холестерина при низком отношении белок/липид свидетельствует о возрастании атерогенной фракции липопротеидов периферической крови. Значительные изменения липидного обмена в печени, головном мозге, селезенке были обнаружены у полевок-экономок из районов с повышенной естественной радиоактивностью и аварийной зоны Чернобыльской АЭС (Биохимические механизмы…, 1997;
Роль антиоксидантного…, 2000;
Состав фосфолипидов…, 2000;
Шевченко, 2001;
Показатели антиоксидантного..., 2005).
Результаты указывают на повышение уровня липидного и углеводного обмена в организме животных из зоны ВУРСа и характеризуют активацию следующих метаболических функций: стероидогенной – надпочечников, гликоген- и липопротеидсинтезирующей – печени, транспортной – плазмы крови, кислород-транспортной – эритроцитов (Расина, Орехова, 2007).
Таблица 1 – Показатели липидного обмена в тканях малой лесной мыши контрольной и загрязненной радионуклидами (ВУРС) территорий (результаты ковариационного анализа) Показатели Скорректированные Средний квадрат F средние (1.76) Контроль ВУРС MSB MSR Концентрация общих липидов:
печень, мг/г сух. массы 62.8 93.0 20137.1 195.10 103. надпочечники, мг/г сух. массы 288.4 457.6 658140.4 6137.36 107. миокард, мг/г сух. массы 89.5 81.9 1392.6 114.21 12. плазма крови, мг% 300.1 463.1 624635.9 7484 83. Концентрация МДА:
печень, нмоль/г сух. массы 58.5 101.2 39267.4 242.97 161. 2.8* 3.1* надпочечники, нмоль/г сух. массы 2.9 0.06 50. миокард, нмоль/г сух. массы 47.8 53.6 761.2 6.34 119. 3.5 * 3.6 * плазма крови, пмоль/мл 0.2 0.02 12. Концентрация холестерина в плазме крови, мкмоль/мл 2.0 3.4 43.5 0.317 137. Отношение белок/липид в плазме крови, г/г 36.1 21.8 3934.5 48.27 81. Примечания – различия по всем показателям статистически значимы (р0.05);
*данные логарифмированы Выявленные функционально-метаболические изменения в условиях ВУРСа можно отнести к хронической форме неспецифической адаптационной реакции, направленной через мобилизацию стресс-реализующей гипоталамо гипофизарно-надпочечниковой системы на формирование резистентности организма (Регуляция энергетического…, 1978;
Панин, 1983;
Меерсон, 1981).
Уровень окислительных, энергообразующих, процессов в тканях животных из зоны ВУРСа, более высокий, чем в контроле, судя по активации цитохромоксидазы в митохондриях печени, миокарда и головного мозга (рис. 2), более высокое содержание ПОЛ (МДА) при сохранении уровня антиоксидантной защиты – активности каталазы (табл. 2), характеризует возросшее использование в окислительных циклах энергоемких субстратов – липидов и сукцината (Владимиров и др., 1966;
Osmundsen et al., 1991;
Виноградов, Гривенникова, 2005).
Рисунок 2 – Активность цитохромоксидазы в митохондриях малой лесной мыши на контрольной и загрязненной радионуклидами (ВУРС) территориях.
Примечание – на рис. 2-5 различия по всем показателям статистически значимы при р0. Таблица 2 – Состояние про-антиоксидантных систем в митохондриях малой лесной мыши на контрольной и загрязненной радионуклидами (ВУРС) территориях (результаты ковариационного анализа) Показатели Скорректированные Средний квадрат F средние (1.76) Контроль ВУРС MSB MSR Содержание МДА, нмоль/мг белка:
головной мозг 1.29 1.62 2.02 0.03 73. миокард 0.26 0.51 1.21 0.01 115. Активность каталазы, мкКат/мг белка:
головной мозг 42.14 42.27 0.31 58.121 0. миокард 26.76 30.23 217.95 59.326 3. Примечание – полужирным шрифтом выделены статистически значимые (р0.05) различия Незначительное повышение содержания общего белка в печени, миокарде, головном мозге и надпочечниках, снижение – в селезенке (рис. 3) определяет в условиях ВУРСа преимущественный расход энергии на функциональную активность, а не на пластические, белок-синтезирующие, процессы, что характерно (Шапот, 1952;
Меерсон, 1963) для напряженной работы физиологических систем.
Увеличение отношения ДНК/общий белок и снижение – РНК/ДНК в печени и селезенке (рис. 4) как показателей функционирования генома, а также уменьшение относительной доли ядерных белков (рис.5), свидетельствуют об ограничении доли пролиферирующих и возрастании доли дифференцированных клеток в тканях, что соответствует процессам ускоренного старения при хроническом облучении низкой мощности (Корогодин, Поликарпов, 1958;
Wangenheim, 1976;
Волчков, 1992).
Рисунок 3 – Содержание общего белка в тканях малой лесной мыши, отловленной на контрольной и загрязненной радионуклидами (ВУРС) территориях 1 – печень, 2 – миокард, 3 – головной мозг, 4 – надпочечники, 5 – селезенка Рисунок 4 – Соотношение показателей Рисунок 5 – Содержание белка ДНК/общий белок (1) и РНК/ДНК (2) в ядерной (1), митохондриальной (2) и тканях печени и селезенки малой лесной постмитохондриальной (3) фракций мыши на контрольной и загрязненной клеток печени малой лесной мыши на радионуклидами (ВУРС) территориях контрольной и загрязненной Примечание – ДНК/общий белок (мг/г) по радионуклидами (ВУРС) территориях левой оси ординат, РНК/ДНК (мг/г) по правой оси ординат Установленные изменения метаболического гомеостаза у малой лесной мыши из зоны ВУРСа определяют стресс-реализующую стратегию физиологической адаптации с признаками ускоренного старения организма.
Влияние пола животных на метаболические показатели. Реакция самцов на обитание в зоне ВУРСа более выражена, чем у самок, и характеризует их большую чувствительность к радионуклидному загрязнению.
Межгодовая изменчивость метаболического гомеостаза взаимосвязана с динамикой численности популяции. Высокий уровень и более выраженные отклонения параметров метаболического гомеостаза у животных из зоны ВУРСа, относительно контрольного уровня, наблюдаются в годы высокой численности – 2005, 2006 гг.
Метаболический гомеостаз в зависимости от времени содержания животных в виварии в контрольной группе не изменяется в течение 45 сут, у животных из зоны ВУРСа – приближается к контрольным значениям и в соответствии с линиями регрессии через 40–60 сут большинство показателей возвращается к исходному уровню. Динамика изменений согласуется с установленным (Стариченко, Любашевский, 1998) снижением до 25 % суммарной бета-активности в организме мелких грызунов ВУРСа через три недели содержания в виварии. Обратимость ответной реакции после снятия радионуклидной нагрузки указывает на отсутствие генетически закрепленных изменений среди изучаемых нами метаболических показателей и характеризует фенотипическую (индивидуальную) адаптацию малой лесной мыши к условиям среды обитания ВУРСа (Орехова, Расина, 2009).
4.2 Красная полевка характеризуется следующими особенностями метаболической реакции на радиоактивное загрязнение среды обитания:
– концентрация глюкозы в плазме крови и содержание гликогена печени ниже, чем в контроле – 76 % и 80 % соответственно, что свидетельствует о повышенном использовании углеводных резервов в окислительном метаболизме тканей;
– концентрация общих липидов в плазме крови ниже, чем в контроле – 66 %, в печени и миокарде выше – 125 % и 116 %, в надпочечниках – не изменялась, что при сниженной до 48 %, 85 %, 63 % продукции ПОЛ (МДА) в этих органах указывает на ограничение доли липидов в окислительном метаболизме;
– активность цитохромоксидазы в митохондриях печени, миокарда и головного мозга как показателя уровня окислительных, энергообразующих, процессов в условиях ВУРСа ниже, чем в контроле, и составляет 85 %;
– содержание общего белка в тканях печени, головного мозга, миокарда, надпочечников и селезенки выше – 133 %, 124 %, 124 %, 118 %, 145 % соответственно, что указывает на активацию белок-синтезирующих процессов;
– отношение ДНК/белок в печени и селезенке выше, чем в контроле – 147 % и 169 % соответственно, что при менее выраженных изменениях РНК/ДНК – 118 % и 80 % характеризует увеличение доли пролиферирующих и уменьшение доли дифференцированных клеток в тканях. Морфофункциональные исследования (Материй и др., 2003) также выявили стимуляцию клеточного деления, увеличение относительной доли полиплоидных гепатоцитов и появление менее зрелых клеточных форм в печени полевок-экономок из зоны аварии Чернобыльской АЭС.
Установленные изменения метаболического гомеостаза у красной полевки из зоны ВУРСа определяют гипобиотическую стратегию физиологической адаптации, направленную на замедление процессов старения.
4.3 Обыкновенная слепушонка отличается гетерогенностью уровня и направленности изменений метаболического гомеостаза на основании существенного увеличения стандартных отклонений средних значений большинства показателей. Гетерогенность метаболических реакций обыкновенной слепушонки согласуется прежде всего с установленными В.И.
Стариченко (2002, 2004, 2007) существенными межсемейными различиями в концентрации 90Sr в костной ткани животных, которая составляет 627±26, 847±66, 1269±27, 1411±77 Бк/г для четырех семей соответственно.
Метаболические реакции, рассмотренные относительно концентрации радионуклида, характеризуют:
– стресс-реализующую стратегию адаптации при 627±26 и 847±66 Бк/г, направленную на повышение уровня кислородного обеспечения тканей с преимущественным вкладом липидов, как источников функциональной активации, в энергетический гомеостаз;
– гипобиотическую стратегию при 90Sr 1269±27 и 1411±77 Бк/г, основанную на снижении кислородного обеспечения тканей и вклада липидов в энергопродукцию с преимущественной активацией пластических, белок синтезирующих, процессов и усилением расхода углеводных резервов (Орехова, Расина, 2009).
4.4 Сравнение радиационного воздействия на показатели исходного уровня метаболизма у трех видов мелких грызунов было проведено с помощью дискриминантного и кластерного анализов. Кластерный анализ показал (рис.6) порядок расположения видов по степени выраженности ответной реакции: обыкновенная слепушонка (1269±27 и 1411±77 Бк/г) красная полевка (288±99 Бк/г) обыкновенная слепушонка (847±66 Бк/г) малая лесная мышь (от 89 до 161 Бк/г) обыкновенная слепушонка (627± Бк/г). Ответная реакция обыкновенной слепушонки в зависимости от концентрации радионуклида в костной ткани менее выражена, что свидетельствует о меньшей чувствительности этого вида и согласуется с результатами цитогенетических, гематологических и иммунологических исследований (Гилева, 2002;
Пашнина, 2003).
Рисунок 6 – Кластерный анализ (UPGMA) девяти групп животных трех видов на основе комплекса метаболических параметров Несмотря на существенные метаболические сдвиги различия между видами по изученным показателям гомеостаза сохраняются и характеризуют недостаточность радионуклидной нагрузки для нивелирования сформированных в процессе эволюции видовых особенностей.
Выводы 1. У трех экологически различающихся видов мелких грызунов (красной полевки, обыкновенной слепушонки, малой лесной мыши) установлены различия исходного уровня метаболического гомеостаза, сформировавшиеся в процессе эволюционного развития:
– для малой лесной мыши установлен средний уровень энергозатрат на функциональную активность клеток и тканей при высокой белок синтезирующей активности;
– для красной полевки характерны выраженные энергозатратные механизмы приспособительных реакций, направленные на высокую функциональную активность клеток и тканей в результате интенсивного использования углеводных и липидных резервов в окислительном метаболизме при низком уровне белок-синтезирующих процессов;
– у обыкновенной слепушонки определены ресурсосберегающие механизмы с ограниченным использованием углеводных и липидных резервов в окислительном метаболизме, ведущие к низким уровням функциональной активности и белок-синтезирующих процессов.
2. Выявленные особенности метаболического гомеостаза изучаемых видов грызунов в зоне ВУРСа базируются на исходном уровне метаболизма и влияют на формирование стратегий физиологической адаптации к радионуклидному загрязнению среды:
– для малой лесной мыши на базе исходно высокого уровня метаболических резервов и низкой напряженности функционирования клеточно-тканевых систем формируется стресс-реализующая стратегия адаптации с увеличением вклада липидов в окислительные, энергообразующие, процессы и повышением функционирования клеток и тканей;
– для красной полевки на базе исходно низкого уровня метаболических резервов и белок-синтезирующих процессов, высокой напряженности функционирования клеточно-тканевых систем формируется гипобиотическая стратегия с ограничением вклада липидов в окислительные, энергообразующие, процессы и снижением функциональной активности;
– для обыкновенной слепушонки характерен более широкий диапазон метаболических реакций на обитание в зоне ВУРСа с признаками гипобиотической, как у красной полевки, стратегии физиологической адаптации и стресс-реализующей, как у малой лесной мыши.
3. Установлена зависимость стратегий физиологической адаптации от концентрации 90Sr у одного вида (обыкновенная слепушонка), что исключает влияние различий в исходном уровне метаболизма. Более низкая концентрация Sr определила стресс-реализующую стратегию, более высокая концентрация – гипобиотическую.
4. Показана зависимость выраженности ответной метаболической реакции на радионуклидное загрязнение от пола, года отлова животных и их численности (малая лесная мышь), реакция показателей более выражена у самцов, а также в годы высокой численности (2005, 2006 гг.).
5. Снятие радионуклидной нагрузки в результате содержания животных в виварии (малая лесная мышь) приводит исследованные показатели метаболического гомеостаза к исходному уровню, что указывает на отсутствие генетически закрепленных изменений и характеризует фенотипическую составляющую адаптационного процесса.
6. Выраженные метаболические сдвиги, являющиеся лишь частью морфофункциональных изменений при данном уровне радионуклидной нагрузки, недостаточны для изменения сформированных в процессе эволюции видовых особенностей гомеостаза.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Расина Л.Н. Показатели перекисного окисления липидов и систем его регуляции в тканях Ellobius talpinus Pall, обитающей на территории Восточно уральского радиоактивного следа / Л.Н. Расина, Н.А. Орехова // Радиац.
биология. Радиоэкология. 2003. Т. 43, № 2. С.206-209.
2. Расина Л.Н. Окислительный метаболизм как характеристика физиологической адаптации к низкоинтенсивному радиационному воздействию / Л.Н. Расина, Н.А. Орехова // Вестн. Урал. мед. акад. науки. 2006. № 3- 2(15).
С. 89-90.
3. Расина Л.Н. Метаболический гомеостаз как характеристика адаптации организма к длительному низкоинтенсивному радиационному воздействию / Л.Н. Расина, Н.А. Орехова // Вестн. Рос. воен.-мед. акад. 2008. № 3 (23). С.
138 – 139.
4. Расина Л.Н. Метаболический гомеостаз мелких млекопитающих в условиях Восточно-Уральского радиоактивного следа / Л.Н. Расина, Н.А.
Орехова // Радиац. биология. Радиоэкология. 2009. Т. 49, № 2. С. 238-245.
5. Орехова Н.А. Стратегии физиологической адаптации мелких млекопитающих на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа / Н.А. Орехова, Л.Н. Расина // Вестн. Урал. мед. акад. науки. 2009. № 2. С. 146 147.
Статьи и тезисы, опубликованные в других изданиях 6. Расина Л.Н. Биохимические характеристики метаболических процессов у Apodemus (Sylvaemus) uralensis в условиях ВУРСа / Л.Н. Расина, Н.А.
Орехова // Вопр. радиац. безопасности. 2007. Спец. вып. С. 79-90.
7. Орехова Н.А. Структура метаболических процессов в механизмах радиорезистентности Apodemus (S) uralensis и Clethrionomys rutilus / Н.А.
Орехова, Л.Н. Расина // Биосфера Земли: прошлое, настоящее, будущее:
материалы конф. молодых ученых. Екатеринбург: Гощицкий, 2008. С. 176-180.
8. Орехова Н.А. Механизмы адаптационных процессов у малой лесной мыши на территории ВУРСа / Н.А. Орехова, Л.Н. Расина // Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды: материалы междунар. конф. Сыктывкар, 2009. С. 91- 93.
9. Орехова Н.А. Метаболические механизмы устойчивости мелких млекопитающих на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРС) / Н.А. Орехова, Л.Н. Расина // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: материалы III междунар. конф. Томск:
SST, 2009.С. 425-428.
Подписано в печать 15.01.2010 г.
Формат 6084 1/ Усл.п.л. 1, Тираж 120 экз.