Адаптация популяций к техногенному стрессу

Специалисты Института экологии растений и животных УрО РАН проводят исследования по оценке состояния природных популяций и их сообществ в зонах воздействия промышленных предприятий, а именно, изучают как под действием хронического облучения происходит изменение генетической структуры популяций, биохимического статуса растений и как это связано с выживаемостью организмов, их способностью дать полноценное потомство. Анализ механизмов адаптации природных популяций к условиям хронического облучения, сравнение действия радиационного и химического фактора, сочетанное влияние техногенного стресса и погодных условий может быть учтено при проведении природоохранных и восстановительных мер в зонах техногенного загрязнения.

Жизнь на Земле существует в условиях естественного радиационного фона, к которому живые организмы приспособились в ходе длительного процесса эволюции. В ХХ веке техногенная нагрузка на экосистемы в отдельных регионах усилилась в результате испытаний ядерного оружия, штатных и аварийных выбросов на предприятиях атомной промышленности. Ионизирующая радиация является мутагенным фактором. Поэтому необходимы комплексные радиоэкологические изыскания, в рамках которых будут оценены миграционные потоки долгоживущих радионуклидов в основных компонентах экосистем, рассчитаны современные дозовые нагрузки и исследованы эффекты действия радиации на живые организмы.

Научная команда лаборатории популяционной радиобиологии ИЭРиЖ УрО РАН (г. Екатеринбург) занимается изучением последствий действия радиации на биологические системы. Специалисты наблюдают за изменением темпов роста и развития многолетних растений, а также качеством семенного потомства популяций травянистых растений в зависимости от дозовой нагрузки. Кроме того, в длительных мониторинговых исследованиях ученые рассматривают совместное действие на биоту радиации и погодных условий, модифицирующих действие техногенного стресса.

Елена Валерьевна Антонова – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории популяционной радиобиологии Института экологии растений и животных Уральского отделения РАН (ИЭРиЖ УрО РАН), г. Екатеринбург – рассказала о характере многолетних наблюдений за популяциями растений на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРСа), а также о том, от каких факторов зависит радиочувствительность и в каких условиях у организмов может проявиться радиоадаптация.

«Растения очень удобный объект для исследования. Они распространены практически повсеместно; ведут прикрепленный образ жизни, а это особенно важно для точности оценки воздействия экологических факторов, а также для понимания механизмов их приспособления к факторам среды обитания. Растения являются основными продуцентами наземных экосистем; производят достаточно семян, а, значит, мы можем изучать не только родителей, но и их потомков, в том числе, в течение нескольких поколений (трансгенерационные эффекты). В последние два десятилетия Международный комитет по радиационной защите (МКРЗ) смещает фокус внимания с человека (антропоцентрический подход) на природные экосистемы (экоцентрический подход), формулирует основные принципы защиты природных популяций и сообществ от радиации. Так, были определены эталонные группы живых организмов, коэффициенты перехода радионуклидов из окружающей среды в биоту, дозовые коэффициенты, ключевые параметры для оценки радиобиологических эффектов и т.д. Растения (как древесные, так и травянистые) также были выбраны МКРЗ в качестве основных референтных организмов для оценки отдаленных последствий действия ионизирующей радиации на природные экосистемы. Человек, в отличие от живых организмов, обитающих в природных условиях, может выбирать для себя экологически безопасные места. Доступ в загрязненные зоны для людей ограничен. Поэтому у человека всегда есть выбор, который другим видам живых организмов недоступен. Изучение накопления радионуклидов биотой очень важно, поскольку многие виды способны накапливать токсические вещества в количествах, многократно превышающих их концентрацию в окружающей среде (почве, донных отложениях и др.). Таким путем поллютанты включаются в биогенные циклы и мигрируют по пищевым цепочкам», – Елена Антонова популярно объяснила, в чем важность изучения действия радиации на растения.

Фундаментальная работа специалистов ИЭРиЖ УрО РАН в этой области знаний носит систематический многолетний характер. Длительность исследований связана, по словам ученого: «В первую очередь, с особенностями изучения природных популяций, оценкой действия тех или иных экологических факторов, комплексностью проводимых работ и т.д. Так, для изучения сочетанного действия облучения с другими экологическими факторами (например, с погодно-климатическими условиями) необходимо около 10 лет. Кроме того, в последние годы исследования вышли на новый уровень благодаря использованию генетического и биохимического подходов, что позволяет выявить механизмы адаптации на разных уровнях организации живого».

В настоящее время в лаборатории популяционной радиобиологии под руководством доктора биологических наук Веры Николаевны Позолотиной проводятся исследования в рамках проекта РФФИ «⁹⁰Sr в древесной растительности зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа: современные уровни загрязнения, дендроиндикация» (№ 19-05-00469). «Для этого направления Вера Николаевна объединила специалистов в области радиоэкологии, дозиметрии, популяционной лесной биологии, дендрохронологии, радиобиологии и математического моделирования. Деревья, как известно, из-за наличия годичных колец являются естественными регистраторами изменений в окружающей среде. Дендрохронологи используют годичные кольца для реконструкции климата. В нашем проекте, кроме заполнения белых пятен в области классических задач радиоэкологии и радиобиологии, появилась уникальная возможность ответить на ряд вопросов, находящихся на стыке перечисленных дисциплин. Это поможет оценить уровни воздействия климатических факторов на биоту до Кыштымской аварии, совместное действие радиационного и климатических факторов в ближний и отдаленные периоды после аварии, а также проследить процессы восстановления роста деревьев в поставарийный период. Проект открывает перспективы для картографии, лесоведения и моделирования поведения долгоживущих радионуклидов в наземных экосистемах», – отмечает Елена Антонова.

Особый интерес к исследованиям растений при сочетанном действии разных по природе факторов у екатеринбургских специалистов ведет отсчет с 1991 года, когда Вера Николаевна Позолотина собрала семена одуванчика лекарственного на территории буферной зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРСа) и за его пределами, и выявила их особенности. В последние годы уральским ученым удалось дополнить эти результаты данными из наиболее загрязненной, головной части ВУРСа.

Как подчеркивает Елена Антонова: «Мощности поглощенных растениями доз в буферной и импактной зоне ВУРСа различалась, но они не превышали области малых доз для референтной группы «травянистые растения». В ходе многолетних экспериментов стала видна яркая межгодовая изменчивость выживаемости проростков одуванчика, а из общего ряда наблюдений сильно выпадали данные 1991 и 1999 годов (см. Рис. 1). 

В первом случае был обнаружен один из эффектов действия малых доз – гормезис, т.е. ускорение темпов роста и развития проростков, выходящее за пределы нормы реакции, характерной для вида. Эти проростки также были устойчивы к дополнительному облучению. В 1999 году в буферной популяции сформировались семена очень низкого качества. И вот здесь возник вопрос: что же стало основной причиной межгодовой изменчивости? За годы наблюдений дозовая нагрузка растений изменилась несущественно (только за счет естественного распада долгоживущих радионуклидов), состояние фитоценозов также было стабильно. Было высказано предположение, что в условиях действия малых доз радиации причиной таких диаметрально противоположных эффектов явились погодные условия разных вегетационных сезонов. Согласно данным Росгидромета, в 1991 году май и июнь были исключительно теплыми, а в 1999 году этот период был очень холодным (см. Рис. 2). При этом растения контрольных популяций сформировали полноценные семена, а жизнеспособность семян из зоны ВУРСа вышла за пределы нормы реакции вида».

По замечанию Елены Антоновой: «Анализ сочетанного действия температуры, осадков, их соотношений и радиации показал, что наиболее важным фактором для формирования семян фоновой популяции были осадки в апреле, а для выборки ВУРСа – эффективные (среднесуточные значения выше +10^оC) температуры в мае и июне, то есть в период активного роста растений и формирования семян. Таким образом, растения из импактных популяций оказались чувствительнее к действию погодных условий, чем фоновые выборки. Результаты исследования опубликованы в статье «TEMPORAL VARIABILITY OF THE QUALITY OF TARAXACUM OFFICINALE SEED PROGENY FROM THE EAST-URAL RADIOACTIVE TRACE: IS THERE AN INTERACTION BETWEEN LOW LEVEL RADIATION AND WEATHER CONDITIONS?»//INTERNATIONAL JOURNAL OF RADIATION BIOLOGY  VOLUME 93, 2017 - ISSUE 3. Анализ влияния климатических факторов на качество семенного потомства растений, длительное время произрастающих в зоне ВУРСа, был продолжен и на других видах (звездчатка злаковая, дрема белая, кострец безостый, пустырник пятилопастный и т.д.). Интерес к исследованию совместного действия разных по природе факторов (погодные условия и ионизирующая радиация) связан с комплексностью условий существования любой экосистемы, а также со сложностью прогнозирования эффектов в области действия малых доз ионизирующей радиации. Кроме того, для оценки успешного существования популяций и сообществ во времени и пространстве необходимы экспериментальные работы по изучению механизмов адаптации растений, которые длительное время существовали в условиях хронического облучения, к новым для них антропогенным факторам, например, наночастицам. Результаты опубликованы в статье «THE TOXICITY OF ENGINEERED NANOPARTICLES ON SEED PLANTS CHRONICALLY EXPOSED TO LOW-LEVEL ENVIRONMENTAL RADIATION» // RUSSIAN JOURNAL OF ECOLOGY, 2015».

Ваше внимание уделено Восточно-Уральскому радиоактивному следу или еще другим территориям?

«Значительная часть наших работ выполнена в зоне Кыштымской аварии, в результате которой в 1957 году сформировался Восточно-Уральский радиоактивный след (см. Рис. 3).

Среди долгоживущих радионуклидов доминировал ⁹⁰Sr. Территория ВУРСа была загрязнена повторно через 10 лет после Кыштымской аварии в результате сдува ила и песка с обмелевшего озера Карачай, которое использовалось ПО «Маяк» для хранения жидких радиоактивных отходов. Неблагоприятные погодные условия зимнего периода сыграли ключевую роль в создании Карачаевского следа. Среди долгоживущих радионуклидов доминировал ¹³⁷Cs. Сотрудники Института получили доступ в головную, наиболее загрязненную, зону в 2000 году. Уникальность головной части ВУРСа состоит в том, что после создания в 1966 году на этой территории Восточно-Уральского заповедника, доступ людей на эту территорию был ограничен. В настоящее время плотность загрязнения почвенно-растительного покрова головной части следа ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и изотопами Pu по-прежнему высока, однако уменьшения видового богатства в изученных фитоценозах не обнаружено, на его территории встречаются редкие виды растений, занесенные в российскую и областную Красные книги.  Поэтому заповедник играет важнейшую роль в сохранении биоразнообразия и поддержания экологической стабильности в регионе, а его территория может рассматриваться как ключевой элемент в региональной системе особо охраняемых природных территорий», – уточнила Елена Антонова.

Сотрудники ИЭРиЖ УрО РАН проводят ежегодные наблюдения за состоянием почвенно-растительного покрова, рассчитывают дозовые нагрузки живых организмов, реализуют мониторинг качества семенного потомства растений и биоиндикацию территории с помощью амфибий, анализируют численность и видовое разнообразие населения мелких млекопитающих, а также проводят оценку их миграционной активности. Значительная часть работ посвящена анализу механизмов адаптации популяций растений и животных к хроническому облучению в малых дозах (оценке биохимического статуса, изучению генетической структуры и дифференциации популяций, анализу последовательностей ключевых генов биосинтеза флавоноидов, исследованию выживаемости, радиочувствительности и числа аномалий в развитии). Исследования растительных популяций сосредоточены, в основном, на дикорастущих видах.

Лаборатория популяционной радиобиологии совместно с лабораторией общей радиоэкологии входит в состав Отдела континентальной радиоэкологии (ранее Отдел носил название Лаборатории биофизики, она была основана Н.В. Тимофеевым-Ресовским в 1955 году). Сотрудники Отдела принимали участие в комплексных радиоэкологических экспедициях в зону аварии на Чернобыльской АЭС, район Алданского нагорья (Республика Саха Якутия), Семипалатинский и Тоцкий полигоны. На примере рек Обь-Иртышской речной системы (Теча, Исеть, Тобол, Иртыш, Обь), подверженных длительному воздействию предприятий ядерного топливного цикла, ими были исследованы закономерности трансконтинентального переноса, накопления и распределения искусственных радионуклидов по основным компонентам экосистем.  Совместно с коллегами из ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН оценено радиоактивное загрязнение почвенно-растительного покрова в отдельных районах Приморского края, острова Сахалин и полуострова Камчатка, находящихся в непосредственной близости от аварии на АЭС в Фукусиме. Результаты опубликованы в статье «RADIOACTIVE CONTAMINATION OF THE SOIL–PLANT COVER AT CERTAIN LOCATIONS OF PRIMORSKY KRAI, SAKHALIN ISLAND AND KAMCHATKA PENINSULA: ASSESSMENT OF THE FUKUSHIMA FALLOUT» // JOURNAL OF ENVIRONMENTAL RADIOACTIVITY, 2017.  Кроме того, сотрудниками Отдела проводится многолетний мониторинг в зоне воздействия Белоярской АЭС.

Какую роль играет уровень антропогенного загрязнения на популяции растений?

«"Урал – опорный край державы". Исторически сложилось так, что регион богат металлургическими комплексами (НТМК, СУМЗ, Карабашмедь, ВСМПО и др.), здесь сосредоточен ряд предприятий атомной промышленности (Белоярская АЭС, ПО «Маяк», УЭХК и т.д.). Уровень антропогенного стресса играет ключевую роль для успешного существования популяций и сообществ. Достаточно вспомнить крайнюю точку – город Карабаш, где уровень воздействия промышленного комплекса на окружающую среду превысил все допустимые пределы. Однако природа мудра и после снижения промышленных выбросов можно проследить закономерности восстановления наземных экосистем. Такие исследования проводятся сотрудниками лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ в районе воздействия Среднеуральского медеплавильного завода. В первые годы после радиационных аварий дозы облучения наиболее интенсивны, поскольку формируются за счет короткоживущих радионуклидов. В этот период погибают наиболее чувствительные организмы. У выживших растений формируются многочисленные морфологические изменения (морфозы), снижается интенсивность фотосинтеза, и, как следствие, продуктивность ценозов. Через несколько лет, когда короткоживущие радионуклиды распадаются, мощность дозы существенно снижается. Эффекты хронического облучения следует искать на молекулярно-клеточном уровне. Интересно, что современные дозы облучения на ВУРСе считаются малыми, но популяции существуют не только в пространстве, но и во времени. Поэтому историческая большая доза также накладывает свой отпечаток на проявление отдаленных эффектов действия радиации», – сообщила уральский биолог.

Все ли исследуемые вами организмы демонстрируют одинаковое отношение к радиации? Какое значение имеет доза облучения и можно ли говорить о приспособленности растений к хроническому действию облучения (о радиоадаптации)?

«Живые организмы чрезвычайно различаются по радиоустойчивости. Начнем с того, что крупные таксоны обладают разной чувствительностью к факторам воздействия. Это зависит от времени появления таксона, его эволюционной судьбы и других особенностей. В 60-70-е годы ХХ века А.Х. Спэрроу с коллегами было показано, что чувствительность к острому облучению зависит от размера ядра, а точнее от размера интерфазных хромосом. Е.И. Преображенской установлена зависимость радиоустойчивости семян от эволюционно-филогенетического происхождения крупных таксонов и от эколого-географического происхождения мелких таксонов. В ходе дальнейшей работы над проблемой В.И. Корогодиным были сформулированы понятия «радиотаксон» и «надежность генома». Б.И. Сарапульцев и С.А. Гераськин предложили оригинальную концепцию, связывающую уровни надежности генома с основными этапами биологической эволюции.

Если мы будем говорить о каком-то конкретном виде, то здесь нет однозначного ответа. Классическими интегральными показателями для вида и сорта является летальная (когда погибает 100% организмов, ЛД₁₀₀) и полулетальная (когда погибает 50% организмов, ЛД₅₀) дозы. Эти показатели для более 700 видов и форм растений приводятся в монографии Е.И. Преображенской. Однако этих критериев оказывается недостаточно для прогнозирования судьбы популяции во времени и пространстве. Популяции являются основными элементарными единицами микроэволюционных процессов. Каждая популяция гетерогенна, она состоит из отдельных организмов, различающихся между собой по радиочувствительности в силу генетических и эпигенетических особенностей. Например, у какого-то растения слабо работает система утилизации активных форм кислорода, которые образуются в результате облучения. При выраженном окислительном стрессе это может привести к гибели организма, при условии, что не произойдет компенсация за счет других биохимических реакций. Радиочувствительность растений может быть модифицирована различными биотическими и абиотическими факторами, зависит от половой, возрастной структуры и тканевой принадлежности. То есть тут еще важен вопрос критериев оценки радиочувствительности, – Елена Антонова дала развернутое пояснение о существующей взаимосвязи функционирования организма от условий радиоактивного стресса. – Когда мы говорим об ЛД₁₀₀ и ЛД₅₀, речь идет о диапазоне больших доз. Малые дозы (как минимум на два порядка ниже ЛД₅₀) чаще всего не приводят к гибели организма, однако в этой области наблюдаются такие феномены как гормезис, адаптивный ответ, нелинейность в зависимости «доза–эффект», связанная с индуцированной облучением нестабильностью генома, эффект свидетеля. Важнейшим достижением радиобиологии и радиоэкологии является открытие радиоадаптации, т.е. процесса формирования повышенной радиорезистентности в популяциях организмов, длительное время обитающих в условиях хронического облучения в малых дозах. Однако чаще всего этот феномен не имеет постоянного проявления. Это связано с тем, что живые организмы испытывают на себе действие нескольких экологических факторов, поэтому существенную роль в формировании реакций живых организмов играют их взаимодействия, обуславливающие синергические или антагонистические эффекты. С другой стороны, важную роль в формировании радиоадаптации играет изменение экспрессии генов, факторов транскрипции, уровень метиллирования генома, участие растительных гормонов, синтез микроРНК, окислительно-восстановительный баланс и т.д.».

При действии радиации может наблюдаться как увеличение, так и снижение генетического разнообразия в популяциях. По замечанию уральского ученого, причиной этих явлений может служить следующее: «На первых этапах после аварии, когда короткоживущие изотопы создают высокие дозы облучения, из фитоценозов выпадают самые радиочувствительные виды. В древесном ярусе к ним относится сосна обыкновенная. В кустарничковом и травянистом ярусе зоны ВУРСа в первые годы после аварии выпали полностью или снизили проективное покрытие гемикриптофиты (почки возобновления сохраняются на уровне почвы) и хамефиты (почки возобновления сохраняются на уровне до 20-30 см от почвы), а также однолетние растения. Некоторые растения могут сохраняться в популяции в силу пространственной неравномерности полученных доз облучения и своей индивидуальной радиоустойчивости, но в целом генетическое разнообразие в популяции резко снижается (эффект горлышка бутылки). На последующих этапах развития поставарийной ситуации в популяциях может наблюдаться увеличение генетического разнообразия и гетерозиготности за счет увеличения доли мобильных генетических элементов и других мутационных преобразований. Возобновление структуры сообществ происходит за счет семян, хранящихся в почве, и притока с соседних территорий. Когда популяция достигает максимально возможной генетической нагруженности, под действием естественного отбора из нее элиминирует часть организмов, снижая тем самым уровень мутационного груза. В этом случае система переходит на другой уровень функционирования».

В ходе многолетних полевых наблюдений специалистами ИЭРиЖ УрО РАН были обнаружены разнообразные морфологические изменения в развитии растений (см. фото 1 ниже):

Кроме того, ежегодно ученые осуществляют сбор семян травянистых растений, произрастающих на ВУРСе и фоновых территориях. Семена проращивают в строго контролируемых лабораторных условиях в физиологически благоприятный период. В ходе лабораторных экспериментов на начальной стадии развития растений (3-4 недельные проростки) на примере костреца Bromus inermis Leyss. отмечены следующие аномалии (см. фото 3):

У некоторых видов травянистых растений, например, у подорожника большого, аномалии у 3-4 недельных проростков практически отсутствуют. В таком случае для анализа мутабильности растения выращивают в условиях выровненного агрофона до генеративного состояния (см. фото 4):

Как можно охарактеризовать в настоящее время радиоэкологическую ситуацию в зоне ВУРСа, основываясь на показателях жизнеспособности, мутабильности и радиочувствительности семенного потомства растений?

«В настоящее время плотность загрязнения почвенно-растительного покрова головной части ВУРСа ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и ^239,240Pu по-прежнему высока, поскольку это долгоживущие изотопы. Некоторое время назад мы обобщили многолетние данные по содержанию этих радионуклидов в почве головной части следа и рассчитали их интегральные запасы. Они опубликованы в статье «CURRENT ASSESSMENT OF INTEGRATED CONTENT OF LONG-LIVED RADIONUCLIDES IN SOILS OF THE HEAD PART OF THE EAST URAL RADIOACTIVE TRACE» // JOURNAL OF ENVIRONMENTAL RADIOACTIVITY, 2014. Запасы радионуклидов в почве составили по ⁹⁰Sr около 260 ТБк, по ¹³⁷Cs ^{– 20} и ^239,240Pu – около 1 ТБк (см. Рис. 4).

 Как показали наши дальнейшие исследования, вклад изотопов плутония в дозовую нагрузку растений составляет около 1% (для сравнения ⁹⁰Sr – 93%; ¹³⁷Cs – 6%), однако период полураспада ^239,240Pu (24 тыс. лет) значительно превышает этот показатель у ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs (около 30 лет). Таким образом, воздействие радиации на природные экосистемы ВУРСа будет продолжаться в течение длительного времени. Анализируя показатели качества семян можно заключить, что семенное потомство растений из зоны ВУРСа обладает высокой межгодовой изменчивостью жизнеспособности и радиочувствительности, демонстрирует уровень мутабильности, превышающий фоновый уровень, что свидетельствует о генетическом грузе, сохраняющемся в популяциях длительное время», – резюмировала сотрудник лаборатории популяционной радиобиологии ИЭРиЖ УрО РАН Елена Антонова.

Таким образом, последствия длительного действия радиации, возникшие на  молекулярно-клеточном уровне, находят свое отражение на уровне организмов и их сообществ. Эти эффекты рассматривается учеными как возможные механизмы адаптации растений к неблагоприятным условиям.

Авторы фотографий - д.б.н. В.Н. Позолотина, к.б.н. Э.М. Каримуллина (The University of Calgary, Canada) и к.б.н. Е.В. Антонова