Канарейка, кот и дафния

Трое названных в заголовке, а также чайки, мидии, лишайники, пчелы... Что общего может быть у таких разных существ? Все они — живые индикаторы, предупреждающие человека об опасности.

Когда жить невозможно

Эксперименты шотландского физиолога Джона Скотта Холдейна (1860—1936) по изучению токсичного воздействия различных газов на организм человека я бы ни за что не стал воспроизводить. Он превратил свое тело в лабораторию: вдыхал хлор, метан, углекислый и угарный газы, чистые кислород и азот, горчичный газ, всякий раз отмечая, какое воздействие то или иное вещество оказывает на организм. Иногда речь шла о количествах, опасных не только для здоровья, но и для жизни исследователя; однако, к счастью, ему удалось не повторить судьбу Карла Шееле, попробовавшего на вкус синильную кислоту.

Одной из рекомендаций Холдейна по безопасному труду в шахтах было предложение использовать в качестве датчиков на шахтные газы канареек — маленькой птице нужно меньше газа для смертельного исхода. Она отравляется быстрее, чем среднестатистический шахтер, который, увидев, что птичка перестала петь, успеет эвакуироваться из забоя до того, как содержание газов под землей станет опасным и для него. Сейчас птичек в шахтах уже не травят, но датчики на угарный газ в шахтах до сих пор называют «канарейками». А канареек мы можем считать первыми биоиндикаторами — организмами, поведение которых позволяло человеку оценивать экологическую обстановку.

Кроме канареек, такими датчиками на угарный газ невольно стали домашние коты, которые, вдохнув угарного газа, начинали вести себя неадекватно. Присказка «Что ты мечешься как угорелый?» когда-то звучала немного иначе: «Что ты мечешься как угорелый кот?» В 1950-е годы коты японского города Минамата снова попытались предупредить хозяев о грядущей опасности. Жители города стали замечать, что местные коты ведут себя странно — они не могли двигаться из точки А в точку Б по прямой, а перемещались какими-то непредсказуемыми прыжками. Затем и некоторые люди начали двигаться сходным образом. Причиной «лихорадки танцующих котов» оказалось присутствие метилртути в сточных водах местного химического предприятия. Ртутьорганика накапливалась в рыбе и моллюсках, которыми питались люди и кошки, и, опять-таки из-за меньшей массы, животные раньше ощутили симптомы ртутного отравления. Острое отравление ртутью, после этих случаев получившее название «болезнь Минамата», поразило несколько тысяч человек, но, если бы доктора и химики не связали воедино аномальное поведение котов и людей, последствия могли быть гораздо тяжелее.

Датчиками, отслеживающими состояние окружающей среды, побывали десятки видов животных, растений, грибов. Фактически на эту роль подходит любой биологический вид. Химики, экологи и биологи получают подобную информацию от белых медведей, белоголовых орланов и дельфинов. Однако этих представителей фауны неудобно использовать для исследований, посвященных всестороннему изучению окружающей среды, и поэтому называть их «биодатчиками» сложно.

Те виды, которые исследователи склонны считать живыми датчиками, должны иметь достаточно простой обмен веществ; если они не встречаются в живой природе, то их разведение не должно быть сложным и дорогим; и самое главное — они должны давать предсказуемый и измеряемый отклик на изменения среды. На суше этим требованиям отвечают лишайники, растущие на камнях и деревьях, и стадные животные, например олени. В пресной воде это крошечные дафнии и лососевые рыбы, в прибрежных морских и океанских водах — мидии, а в открытом море — чайки и морские млекопитающие.

Хороший пример того, как птицы реагируют на изменения в условиях окружающей среды, — история с ДДТ. Так, популяции белоголовых орлов и многих других птиц в США сокращались во время активного применения ДДТ, однако после того, как в 1972 году применение этого вещества в США запретили, численность птиц вновь начала расти. Таким образом, подсчет численности определенных биологических видов позволяет отследить источники веществ, загрязняющих окружающую среду, пути их перемещения и распределения в биосфере, а также их конечную судьбу. Вся эта информация бывает критически необходима для решения экологических проблем, как современных, так, возможно, и будущих.

Живые датчики поставляют информацию и по другим устойчивым загрязнителям — полихлорбифенилам, полициклическим ароматическим углеводородам, бромсодержащим антипиренам и фторорганическим соединениям. Также изучение биологических видов показывает влияние на биосферу тяжелых металлов, в первую очередь — свинца, кадмия и ртути. Биологические индикаторы дают нам возможность наблюдать не только загрязнение окружающей среды, но и влияние человека на круговорот азота и фосфора в природе, а также изменения в экологических системах, связанные с переменой климата и проникновением в экологические системы чуждых им биологических видов.

Конечно, живые датчики не заменяют традиционную химически-экологическую систему отбора проб и их лабораторного анализа. Существуют долгосрочные кампании по химическому анализу и мониторингу содержания загрязнителей в образцах воздуха, воды, почвы и льдов. Такие исследования позволяют определить, какие загрязнители присутствуют в окружающей среде, в каком количестве и откуда они появились, насколько далеко смогли переместиться от источника загрязнения и как быстро снижается в окружающей среде их концентрация. Биоиндикаторы также позволяют оценить динамику изменения концентрации загрязнителей окружающей среды плюс дополнительную информацию о том, как загрязнители воздействуют на экосистемы. Новые технологии расширяют способы использования живых датчиков — например, сегодня экологи отправляют дроны брать образцы из фонтанов китов, чтобы понять, все ли хорошо с этими гигантскими млекопитающими.

Важный элемент современной биоиндикации — взаимодействие с эволюционной и функциональной экологической геномикой. Долгое время в биомедицинских исследованиях использовали два вида, о которых была собрана подробная информация, — дрозофилы и нематоды Caenorhabditis elegans. Однако быстрый прогресс геномики позволил специалистам по эволюционной биологии, экологам и токсикологам расширить исследования на другие виды. Например, теперь можно изучать, как симбиотические связи вирусов, бактерий и грибков с растениями и животными, включая Homo sapiens, влияют на биологическое разнообразие и как, с другой стороны, деятельность человека влияет на эти симбиотические связи. Исследования подобного рода помогают понять, как геномы реагируют на изменения окружающей среды. Дело в том, что даже для наиболее хорошо изученных геномов неизвестно, какую функцию выполняет около трети генов, экспрессию которых не проводили в лабораторных условиях. Специалисты полагают, что пора использовать новые подходы: узнать, каким образом условия внешней среды воздействуют на гены с неизвестной функцией.

Далее мы расскажем о некоторых биологических видах, которые помогают нам изучать состояние окружающей среды.

Дафнии

Дафнии (водяные блохи, Daphnia) — род планктонных ракообразных из надотряда ветвистоусых, обитают в прудах и озерах. Размеры дафний колеблются от 0,2 до 6 мм. Их количество в образце воды, размер и цвет — известные маркеры качества воды. Натуралисты изучают дафний с начала XVII века. Достаточно давно было установлено, что эти крошечные рачки — важное звено в пищевых цепях между водорослями и бактериями, которыми дафнии питаются, и рыбами, которые питаются дафниями. С 1900-х годов, когда начали широко использоваться фармацевтические средства, пестициды и продукты нефтепереработки, дафнии стали важным инструментом токсикологических скринингов. Например, изучение предельно допустимых для водяных блох концентраций вредных веществ легло в основу законов, регламентирующих безопасное содержание этих веществ и продуктов их превращений в пресной воде.

Одно из самых интересных свойств дафний состоит в том, что они могут откладывать два типа яиц, и яйца одного типа способны веками сохраняться в состоянии спячки в донных отложениях водоемов. Исследователи научились добывать эти спящие яйца и использовать вылупившихся из них дафний, чтобы выяснить, как влияют на их организмы и геномы синтетические вещества, которых еще не существовало, когда яйцо было отложено. Эти исследования показывают, как различные поколения дафний адаптируются к естественным и антропогенным изменениям в круговороте азота и фосфора, к появлению в экологических системах синтетических веществ и климатическим изменениям. А результаты позволяют экстраполировать опасность применяющихся и планируемых к применению веществ для других видов растений и животных, в том числе человека. Например, когда изучали реакцию дафний из озера Миннесоты на пестицид хлорпирифос, появившийся на рынке в 1965 году, оказалось, что дафнии из яиц, отложенных в доиндустриальную эру (1301—1646 гг.), в 2,7 чувствительнее к этому веществу, чем из яиц, отложенных сразу после начала его масштабного применения (1967—1977 гг.). Это позволяет говорить о том, что водяные блохи сумели выработать толерантность к нему. Дафнии же, появившиеся совсем недавно (2007—2011 гг.), когда содержание хлорпирифоса в озере опустилось ниже границы определения, снова теряют устойчивость к этому пестициду («Ecotoxicology», 2015, 24, 488—496; doi:10.1007/s10646-014-1397-1).

Чайки

Морские птицы давно служат живыми датчиками. Например, серебристые чайки Larus argentatus с 1970-х годов помогают экологам и токсикологам отслеживать информацию о веществах, загрязняющих окружающую среду, в области североамериканских Великих озер. Исследователи не ловят самих птиц, их интересуют яйца серебристых чаек — а также яйца толстоклювых кайр Uria lomvia, глупышей Fulmarus glacialis, моёвок Rissa tridactyla, бургомистров Larus hyperboreus и чистиков обыкновенных Cepphus grylle. Все эти пернатые, как правило, гнездятся в арктических и субарктических регионах. Обычно на роль живых датчиков выбирают птиц, которые гнездятся обособленными и доступными для человека колониями, чтобы нетрудно было отбирать «пробы» и сравнивать результаты для представителей одного вида, живущих в разных участках земного шара.

Одним из главных результатов мониторинга концентраций наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды, таких как ДДТ, полихлордифенилы и диоксины, стала череда запретов 1970—1980-х годов на использование одних из них и серьезное ограничение в нормах применения других. Изучение «химии» в птичьих яйцах показало, что с 1975 по 2003 год птицы подвергались воздействию значительных количеств бромсодержащих антипиренов, ас 2003 года, после того, как появились другие огнезащитные составы, содержание броморганики резко снижается. Содержание длинноцепочечных фторалкильных производных в организме птиц и их яиц увеличивалось с 1975 по 2009 год, а после взаимной договоренности химических компаний об ограничении их применения стало понижаться. Что же касается содержания ртути в яйцах морских птиц, то оно возрастало с 1975 по 1993 год, после чего вышло на плато и прекратило изменяться.

Мидии

В конце 1960-х годов было установлено, что хлорсодержащие пестициды, ртутьсодержащие соединения и продукты нефтепереработки стали серьезной угрозой для обитателей прибрежных морских и океанических вод. Для оценки состояния этих вод пытались использовать различные виды, в том числе омаров, крабов и рыб; однако разнообразные особенности поведения и рациона несопоставимых друг с другом видов ставили под сомнение воспроизводимость результатов и правомерность их сравнения. В 1975 году специалист по геохимии морских ресурсов Эдвард Голдберг предложил простое решение: использовать мидий (программа «Mussel Watch»). Эта программа стала первым шагом в биологическом мониторинге загрязнения прибрежных вод.

Мидии, космополитичный вид, способный развиваться и в пресных, и в соленых водах, наряду с устрицами и другими съедобными моллюсками идеально подходят для решения этой задачи. Они встречаются повсюду, их просто собирать. Кроме того, мидий и устриц часто выращивают специально для пищевой промышленности, что дополнительно облегчает слежение за состоянием популяции и проведение анализов. Питаются мидии фитопланктоном и, чтобы отфильтровать его, пропускают через себя большое количество воды. Как и многие другие животные, мидии в процессе эволюции не приобрели способности вырабатывать ферменты, разрушающие загрязнители, подобные полихлорбифенилам и углеводородам, поэтому они концентрируют в своем организме эти вещества, что облегчает анализ. Спустя четыре с лишним десятилетия локальная для США программа по определению токсичных веществ с помощью мидий стала международной, и благодаря ей отслеживают не только присутствие в прибрежных водах посторонних веществ, но и степень их вреда для человека.

Лишайники

Лишайники — это симбиотические ассоциации грибов и микроскопических зеленых водорослей или цианобактерий. Известны виды лишайников самых разных размеров и цветов. Некоторые из них напоминают миниатюрные растения, другие — пятна краски на камнях и стволах деревьев. У лишайников нет корневой системы, они поглощают питательные вещества напрямую из тумана, дождя и того, что приносит им ветер. Следовательно, у них нет барьеров, защищающих от опасных веществ, и при усилении загрязнения окружающей среды они умирают первыми. Лишайники, конечно, жалко, но это свойство делает их хорошими живыми датчиками.

Лишайники начали применять в этом качестве еще с 1860-х годов, когда ботаники в Париже выяснили, что лишайники разрастаются в областях с чистым воздухом, а там, где воздух грязный, их колонии начинают чувствовать себя хуже. Первоначальные исследования в основном были посвящены прямому влиянию на лишайники диоксида серы, выделяющегося при сгорании каменного угля. Спустя какое-то время оказалось, что лишайники также позволяют отследить влияние кислотных дождей — если выбросы предприятия содержат диоксид серы или диоксид азота, они растворяются в дождевых каплях, образуя кислоты. Кроме того, эти организмы могут служить индикаторами на нитраты и ионы аммония, основной источник которых — сельское хозяйство. А еще в лишайниках накапливаются металлы от цинка до ртути.

В 1980-е годы Федеральное лесное управление США запустило программу биомониторинга, в рамках которой регистрируются данные о многообразии и распространенности лишайников во всех регионах страны. Фиксируют состояние колоний лишайников, пробы собирают и анализируют в лабораториях, чтобы определять степень загрязнения воздуха в тех или иных областях, выявлять их причины и при необходимости корректировать нормы промышленных выбросов.

Пчелы

Медоносных пчел Apis mellifera можно считать самыми недооцененными героями природы. Летая по своим делам, собирая пыльцу и нектар, они также опыляют растения. Самих пчел сложно назвать видом, подходящим для применения в качестве живых индикаторов, — пчелы окультурены, пчеловоды заботятся о них, часто по мере расцветания различных медоносов перемещают пчелиные семьи с одного участка на другой, после чего бывает сложно привязать данные о веществах-загрязнителях к какой-то определенной области. Однако эти насекомые тоже вносят свой вклад в изучение состояния окружающей среды — для этого анализируют мед.

Массовое применение инсектицидов в сельском хозяйстве — серьезная угроза для пчел и других опылителей. Например, главные подозреваемые в деле о внезапном уменьшении численности пчел — инсектициды неоникотиноиды, которые могут поражать нервную систему этих насекомых. Они влияют на обучаемость пчел, их способность к распознаванию запахов и ориентации в пространстве. Все это мешает собирать пищу, снижает численность и количество пчелиных семей, что в долгосрочной перспективе может снизить урожайность сельскохозяйственных культур и стать причиной продовольственного кризиса. В последнее время исследователи даже стали применять микродатчики, которые прикрепляют пчелам на спинки, чтобы отслеживать перемещения отдельных насекомых от ульев к медоносам, определить их способность опылять растения.

Результаты опубликованного в 2018 году исследования 200 образцов меда со всего света показали, что в 75% образцов обнаруживается по крайней мере один из пяти основных неоникотиноидов, а в 45% — два и более. Концентрации пестицидов в меде гораздо ниже предельного значения, установленного регуляторами США и ЕС как безопасное для людей, однако в трети образцов было достаточно неоникотиноидов, чтобы нанести вред личинкам пчел («Science», 2017, 358, 6359, 109—111, doi: 10.1126/science.aan3684).

Итак, можно сказать, что сама окружающая среда приходит на помощь человеку разумному, желающему эту среду сохранить, — растения, грибы, беспозвоночные и позвоночные жертвуют собой, чтобы рассказать, как дорого природе обходятся технологии, облегчающие жизнь людям. И если мы будем внимательно следить за нашими «канарейками», то, возможно, успеем спастись.