Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологический анализ радиорезистентности грызунов

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Экологический анализ радиорезистентности грызунов"

ГР II ГО РКП НА

ЕЛЕНА

БОРИСОВНА

Р Г Б ОД

на правах рукописи

2 7 ОКТ 1998 УДК 574: 599.32: 577.346.017.4

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАДИОРЕЗИСТЕНТНОСТИ ГРЫЗУНОВ

03.00.16 - Эхолот ия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена в лаборатории экспериментальной экологии Института экологии растений и животных Уральского отделения Российской Академии Наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук Любашевский Н.М.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Лукьянов O.A.

доктор биологических наук, профессор Емельянов A.M.

Ведущая организация:

Пермский государственный университет им. A.M. Горького

Защита диссертации состоится

в " " часов на заседании диссертационного совета Д 002.05.01 в Институте экологии растений и животных УрО РАН по адресу: 620144, Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии растений и животных УрО РАН

Автореферат разослан 998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Актуальность темы. Ионизирующее излучение - природный и мощный антропогенный фактор, с которым все чаще сталкиваются природные комплексы и человек Проблема радиорезистентности организмов является частью двух важнейших биологических проблем - адаптации и биоразнообразня. Различная реакция видов при облучении биоценоза может привести к изменению межвидовых взаимоотношений и экологических связей в биоценозе между растительными и животными группировками (Ильенко, 1974, Одум, 1975; Соколов, Попова, 1981). До настоящего времени природную радиорезистентность грызунов и ее модификацию другими факторами среды, а также причины дифференциальной радиорезистентности в пределах грызунов и млекопитающих в целом изучали на весьма ограниченном наборе видов. Изучать радиорезистентность серий видов грызунов в одинаковых экспериментальных условиях необходимо для их комплексной характеристики, для выявления экологических соответствий радиорезистентности и оценки биоразнообразия более крупных таксонов Существует разнобой мнений о том, как связана радиорезистентность грызунов с их образом жизни. Было неясно, зависит ли она от принадлежности вида к тому или иному крупному таксону. Не были изучены ключевые экологические факторы радирезистентности, сопряженное влияние средовых факторов на это свойство вида и диагностическая ценность разных характеристик радиорезистентности.

Цель нссле.товяння: Изучить радиорезистентность грызунов в зависимости от экологических особенностей видов и внутривидовых групп, их таксономической принадлежности, выяснить возможность использования радиорезистентности для оценки гетерогенности популяций и видовой самостоятельности близкородственных форм.

Основные зпдпчи исследования: 1. На примере представительной выборки экологически разных видов грызунов изучить экологические факторы, влияющие на радиорезистентность.

2. Изучить зависимость радиорезистентности грызунов от их систематического положения (принадлежности к тому или иному крупному таксону).

3. Сравнить постлучевую реакцию системы гемопоэза как одной из радиочувствительных тканей у экологически разных видов.

4 Исследовать влияние предварительного стрессового воздействия на последствия облучения.

5. Определить возможные аспекты использования радиорезистентности для решения прикладных экологических задач:

- сравнить радиорезистентность разных функциональных внутрипопуляционных группировок рыжей полевки;

- определить диагностическую ценность радиобиологических критериев (на примере мохноногих хомячков рода РЬосЗорив);

- использовать критерии радиорезистентности для оценки гетерогенности лабораторных колоний и природной популяции грызунов.

Научная новизна. Впервые по единой методике изучена радиорезистентность 25 видов и видовых форм грызунов. На серии видов грызунов изучена зависимость радиорезистентности от ряда экологических и биологических особенностей вида. Обнаружено, что ЛД50/30 при остром тотальном облучении зависит от принадлежности грызунов к тому или иному семейству, что, в частности, объясняет разную радиорезистентность диких и лабораторных животных. Определены экологические факторы радиорезистентности. Впервые показано, что радиорезистентность является одной из важных видовых характеристик, не зависящих от фазы динамики численности. Оказалось, что стресс перед облучением позволяет выявить роль генотипа и средовых факторов в радиочувствительности грызунов. Впервые показана возможность использования критериев радиорезистентности для оценок гетерогенности на популяционном и внутрипопуляционном уровнях, биоразнообразия более высоких таксонов, для изучения видовой самостоятельности близких форм грызунов.

Теоретическая и практическая ценность. Результаты диссертации полезны в качестве дополнительных характеристик видов, для прогноза и оценок биоразнообразия толерантности грызунов разных таксономических уровней (семейства, виды и внутрипопуляционные группировки), изучения интересного эволюционного явления - неравномерности темпов межвидовой дифференциации грызунов по разным проявлениям толерантности и разным радиобиологическим признакам. Поскольку разная функциональная роль, выполняемая сезонными генерациями (когортами) рыжей полевки, связана с их радиорезистентностью, учет возрастной и функциональной гетерогенности популяций по радиорезистентности повысит точность радиоэкологических исследований. Экспериментальная оценка радиорезистентности к острому облучению позволяет более комплексно

характеризовать вид, выявлять различия между близкими формами, изучать гетерогенность животных на внутривидовом уровне. Экспериментальный стресс перед облучением мало влияет на общую смертность животных, однако достоверно изменяет сроки их гибели. Это позволяет изучить роль генотипической и средовой компонент в радиочувствительности грызунов. Результаты диссертации включены в курс лекций по экологии на биологическом факультете Уральского Государственного Университета.

Положения, выносимые на защиту: 1. Радиорезистентность грызунов зависит от принадлежности вида к тому или иному семейству и связана с такими важными экологическими характеристиками, как размеры тела, тип питания и биотопическая приуроченность вида.

2. Радиорезистентность - одна из важных биологических особенностей вида, которые стоит учитывать при изучении биоразнообразия толерантности грызунов. Характер видового ответа на действие облучения может быть дополнительным критерием видовой самостоятельности таксономически неясных форм грызунов.

3. Реакция популяции рыжей полевки на радиационное воздействие зависит от ее функционально-возрастной структуры.

4. Стресс перед облучением способствует выявлению генотипической разнородности грызунов.

Апробация лчссертпиии. Результаты работы были представлены и обсуждены на Всесоюзной конференции "Экологические механизмы антропогенного преобразования окружающей среды" (Свердловск, 1987); I (Москва. 1989), II (Киев, 1993) и П1 (Москва. 1997) радиобиологических съездах; Всесоюзном совещании "Экологическая энергетика животных (Суздаль, 1988); VII Всесоюзном совещании по грызунам (Нальчик, 1988); III Всесоюзном совещании по песчанкам (Ташкент, 1989), 6 научно-практической школе-семинаре (Ростов-на-Дону, 1990); научно-практический конференции по радиобиологии и радиоэкологии (Минск, 1990); II съезде физиологов Уральского региона (Свердловск, 1990); V съезде ВТО (Москва, 1990); IV Всесоюзном симпозиуме ''Стресс, адаптации и дисфункции" (Кишинев, 1991); 2 международной конференции по радиобиологическим последствиям ядерных аварий (Москва, 1994); 2 международной конференции по суркам (Савойя, Франция, 1994); 10 Международном радиобиологическом конгрессе (Вюрцбург, 1995); 9 конгрессе по радиационной защите (Австрия, 1996); семинаре "Жизнь популяции в гетерогенной среде" (Йошкар-Ола, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и выводов, изложена настраницах, содержит 3 ^рисунка и '/Длаблиц. Список литературы включае^^^источннков, из них на иностранных языках.

Глава 1. Проблема радиорезистентности и факторы, ее обусловливающие (литературный обзор).

Анализ литературы показал разнобой мнений о роли экологических факторов, влияющих на радиорезистентность грызунов, отсутствие обобщений о связи радиорезистентности с экологическими особенностями и валентностью вида, его таксономическим положением. В главе приведены данные об экологических, физиологических и биохимических факторах, обусловливающих радиорезистентность млекопитающих.

Глава 2. Материал и методы исследования

В основе диссертации - материалы 11-летних собственных лабораторных экспериментов и полевых исследований и литературные данные по радиорезистентности грызунов (из крупных сводок Ильенко, Крапивко, 1989; Граевская, 1972, 1983).

Часть опытов проведена на животных из природной популяции (рыжие полевки), остальные - на лабораторных колониях грызунов, основателей которых отловили в разных географических регионах. Всего использовано 1984 экземпляра. Эксперименты соответствовали трем направлениям: 1) оценка радиорезистентности грызунов из природных популяций и лабораторных колоний, влияния семейственной специфики и экологических особенностей на уровень средней полулетальной дозы (ДД50/30); 2) сравнение реакции системы гемопоэза разных видов на облучение; 3) оценка гетерогенности грызунов с разной степенью близости генотипов.

1) Одновозрастных зверьков облучали однократно гамма-лучами Сэ137 на экспериментальной установке ИГУР-1 разными дозами (по 6-9 особей на дозу) осенью и зимой во избежание различий в сезонной радиочувствительности. ЛД50/30 рассчитывали пробит-методом (Беленький, 1963). Влияние семейственной специфики грызунов на ЛД50/30 оценивали при помощи однофакторного дисперсионного анализа и метода множественных сравнений (Б-метод Шеффе) (Гласс, Стенли, 1976) Для изучения зависимости ЛД50/30 грызунов от 11 экологических переменных применили линейный пошаговый регрессионный анализ. Он дал возможность оценить влияние

частных факториальных переменных на зависимую переменную отклика (ЛД50/30) (Дрейпер, Смит, 1987).

2) Реакцию системы гемопоэза как одной из радиочувствительных систем у экологически разных видов изучали по общепринятой методике при равноэффективных дозах (ЛД50/зо), У внутрипопуляционных группировок рыжей полевок - при одной и той же дозе (12,7 Гр).

3) Метод оценки гетерогенности популяций описан в главе 7. При обработке полученных данных применяли обычные биометрические методы (Урбах, 1963), метод кластерного анализа и пакет Statgraf.

Глава 3. Зависимость радиорезистентности грызунов от их систематических и экологических особенностей

В главе охарактеризована радиорезистентность 51 вида грызунов Нового и Старого Света. Проанализирована ее связь с систематическими и экологическими особенностями вида: принадлежностью к разным семействам, размерами тела, типом питания, биотопической приуроченностью, суточной активностью и другими (всего 11 параметров).

Данные об ЛД50.30 имеются для грызунов семейств: Sciuridae, Muridae, Cricetidae и Heteromyidae. По классификации H.H. Воронцова (1982) эти виды принадлежат к 6 биологическим типам: генерализованный биологический тип крыс и мышей, типы полевок, хомяков, песчанок, сурков и сусликов. Собственные данные по радиорезистентности грызунов представлены в таблице.

Применение однофакторного дисперсионного анализа выявило существенное достоверное (р<0,001) влияние принадлежности грызунов к тому или иному семейству на уровень ЛД50/30. Специфика семейств на 42% детерминировала общую изменчивость ЛД50/З0 (R2 = SSb / SSvv =126,9 / 301,15 = 0,421). Множественное сравнение доз показало, что между представителями семейств Sciuridae и Muridae различия недостоверны (средние ЛД5030 - 6.56 Гр и 7.96 Гр, соответственно; р<0,05). Радиорезистентность грызунов семейств Cricetidae и Heteromyidae - существенно выше (р<0,05), а у этих двух семейств не различается (ЛД;о/зо - 10.13 Гр и 12.23 Гр). Межвидовая изменчивость доз в семействе мышиных такая же как у хомяковых, но меньше, чем у беличьих п мешотчатых прыгунов.

В результате применения пошагового регрессионного анализа установлено, что из 11 экологических признаков только три (размер особей, тип питания и биотопическая приуроченность) достоверно связаны с ЛД50/30. Эти переменные ("ключевые экологические факторы") на 39% определяют разброс значений ЛД50/30. Остальная часть вариации (19%) обусловлена прочими факторами.

Таблица

Радиорезистентность грызунов

Вид п ЛД !0,зо, Гр М+т Место отлова

СШЪпопотуз glareolus 95 12.7±0.2 Ю. Урал, Ильменский заповед.

С1. тиШю 56 12.8+0.4 Ю. Урал, Иремель

С/, т/осапих * 48 10.3+0.2 Ю. Урал, Иремель

АШсо1а argentatus* 61 12.1+0.3 Киргизский хр., п. Иссык-Ата

ШсгоШб ап>аШ* 27 9.4±0.4 Ср. Урал, Нижне-Сергинский р.

М. го$таетгпсИопаИ$ 44 9.2+0.4 Ср. Урал, Бот. сад УрО РАН

М. gregalisgregalis* 35 9.9±0.3 Ср. Урал, Талицкий р-н

М. gregalis та]Ог* 22 10.1+0.3 Полярн. Урал, Красный Камень

Аройатш зу1\аетт 36 7.0±0.4 Ю. Урал, Ильменский зап.

Ар. зуЬаетиз /оЬпак* 36 7.3+0.2 Казахстан

Ар. agrarius 57 10.0+0.2 Ср. Урал, Полевской р-н

Наию пог\^\си$ 31 10.3±0.7 Остров Итуруп

ЫезоЫа тсИса* 33 6.9±0.5 Таджикистан, Гиссарская дол.

РкосЬриз ¡шщоги.ч* 45 11.9+0.3 Монголия

РИ. сатрЬеШ* 81 9.6+0.3 Тува

Рк roborovskii* 38 8.9±0.4 Тува

Мепопез теп&шт.ч* 92 13.5+0.5 Узбекистан, Дальверзинская ст.

М. иг^!си1аШ5 30 12.7+0.5 Забайкалье

Мш тинсиЫь 25 10.1+0.5 Таджикистан, Гиссарская дол.

Лабораторные животные

ВАЬВ/с Ю1 6.0+0.1 виварий, ИЭРиЖ

СБА 50 9.3±0.2 виварий, ИЭРиЖ

С57В1/6 47 7.8±0.2 виварий, ИЭРиЖ

ВС 61 8.210.2 виварий, ИЭРиЖ

аутбредпые мыши 60 7.5±0.3 виварий, ИЭРиЖ

крысы Вистар 65 8.8±0.1 виварий, ИЭРиЖ

Примечание: * обозначены виды, ЛД5о,зо для которых определена впервые.

У более крупных грызунов значения ЛДзо/зо меньше. Грызуны сухих биотопов имеют более высокие значения ЛД50/30, чем виды влажных биотопов. Это может быть связано с большей ролью перекрестных адаптации у обитателей

аридных районов. ЛД50/30 существенно зависят от типа питания и меньше у видов, в рационе которых больше белковых кормов.

Глава 4. Особенности реакции системы гемопоэза у грызунов разной экологической специализации

В главе представлены результаты сравнительного анализа реакции системы гемопоэза (как одной из наиболее радиочувствительных систем) на облучение в равноэффективных дозах (ЛД5одо) у экологически разных видов (рыжая полевка, серебристая полевка, хомячок Кэмпбелла, полуденная песчанка). Проиллюстрировано разнообразие ответов системы гемопоэза у грызунов на видовом и внутривидовом уровнях. Выявлено интересное явление несоответствия между разнообразием видов, оцениваемым по средней полулетальной дозе и показателям кроветворения.

Глава 5. Радиорезистентность как критерий видовой самостоятельности близкородственных форм (на примере хомячков рода Phodopus)

Радиочувствительность палеарктических мохноногих хомячков не была изучена. Мнения о видовой самостоятельности джунгарского хомячка и хомячка Кэмпбелла расходятся. Одни авторы считают их самостоятельными видами, другие рассматривают джунгарского хомячка как номинальную форму, а хомячка Кэмпбелла -как его подвид. По мнению Н.Н.Воронцова и др. (1967), "наличие дифференциации между аллопатрическими и географически разобщенными популяциями Phodopus s. sungorus и Phodopus s campbelli является свидетельством далеко зашедшей дивергенции".

Облучением воспользовались как приемом определения межвидовых дистанций по радиобиологическим характеристикам (ЛД50<30, средней продолжительности жизни, динамике массы тела). Сравнивали радиорезистентность джунгарского хомячка (Ph. sungorus Pallas, 1773), хомячка Роборовского {Ph. roborovskii Satnnin, 1903) и хомячка Кэмпбелла (Ph. campbelli Thomas, 1905).

Зависимость смертности животных от дозы острого тотального гамма-облучения отражена на рис, 1. Видно, что джунгарские хомячки наиболее радиорезистентны, хомячки Роборовского - наиболее радиочувствительны, а хомячки Кэмпбелла заняли промежуточное положение (различия по ЛД50/30 статистически достоверны во всех сочетаниях, р<0,05). По радиобиологическим признакам (доле выживших зверьков, ЛД5О-30. ее коэффициенту вариациии средней продолжительности жизни) хомячки Роборовского и Кэмпбелла более схожи между собой, нежели любая из этих

•форм и джунгарские хомячки. Это заметно также по изменению массы тела выживших животных. Темп ее восстановления у хомячков Роборовского и Кэмпбелла был одинаковым, а у джунгарских - более быстрым. Отмечены существенные возрастные различия в постлучевой динамике массы тела у джунгарских хомячков, которые оказались больше видовых.

Результаты кластерного анализа (методом средней связи) по 6

радиобиологическим признакам показали, что хомячки Кэмпбелла и Роборовского попадают в один кластер, в то время как джунгарский хомячок значительно удален от этой пары (рис. 2).

Радиорезистентность хомячков сопоставили с эколо го-физи ологически ми характеристиками изучаемых форм. У более аридной формы (хомячка Роборовского) она достоверно меньше, чем у хомячка Кэмпбелла

(8.9 Гр и 9.6 Гр, соответственно). Вероятно, более высокий уровень общего метаболизма хомячка Роборовского, чем хомячка Кэмпбелла (Соколов, Мещерский, 1990), является одной из причин его большей радиочувствительности. В основе этого может лежать одна из радиобиологических закономерностей - влияние кислородного эффекта на толерантность к облучению (Бак, Александер, 1971). Обсуждается связь между типом питания и ареалом джунгарского хомячка с его более высокой радиорезистентностью. •Тип питания, ареал джунгарского хомячка, комплекс его эколого-физиологических адаптаций (Мещерский, 1992) и более высокая экологическая пластичность тоже могут

80 -

S 60 -

ь

о

S Ё. 40 -

s 20 -

и

0 -

Ph roboro'

Доза, Гр

Рис. 1. Смертность хомячков после острого тотального гамма-облучения разными дозами (за 30 дней)

Ph. sungorus 10.000

Ph. campbelli 7.993

Ph. roborovskii

4.152

Рис. 2 Дендрограмма результатов кластерного

анализа радиорезистентности хомячков по 6

признакам

быть связаны с его большей радиорезистентностью (11.9 Гр). Эти радиобиологические данные, как и сведения о более сложном кариотипе джунгарских хомячков (НааГ е! а!., 1987), свидетельствуют в пользу взглядов о видовой самостоятельности его и хомячка' Кэмпбелла. Таким образом, радиобиологическая специфичность мохноногих хомячков, показывает пригодность определений радиорезистентности в качестве дополнительного метода изучения дистанций и видовой самостоятельности форм неясного таксономического статуса.

Глава 6. Радиорезистентность внутрнпопуляционных группировок рыжей полевки (С1с(Ипопотух ¡ЦагеЫиь, 8с!ггсЬ.)

На рыжих полевках из природной популяции изучали радиобиологическую специфику внутрнпопуляционных группировок. За основу их выделения приняли единство особей в группах, соответствующее двум типам онтогенеза. Известны физиологические функциональные группировки (ФФГ), каждую из которых . составляют особи из нескольких смежных когорт, связанные функциональным единством в воспроизводстве популяции (Оленев, 1989): Первый путь онтогенетического развития (3 ФФГ): сеголетки размножаются в год рождения, быстро стареют, живут 3-5 мес. Их функция - наращивание численности популяции.

Характерен высокий уровень метаболизма. Второй путь (2 ФФГ): сеголетки не

размножаются в год рождения, стареют почти в два раза медленнее, чем полевки 3 ФФГ (Оленев и др., 1983), живут 13-14 мес. Служат резервом популяции, начиная весной цикл ее обновления. Имеют низкий уровень метаболизма.

Опыты ставили в весенне-летний период на полевках 3 ФФГ, осенью - на полевках 2 ФФГ. Определяли также ЛД50/эо

Логарифм дозы Рис. 3 Смертность рыжих полевок разного функционального статуса в зависимости от дозы облучения (пробит-анализ)

для полевок виварной колонии (на примере 2 ФФГ) по общей схеме. Использовано 370 животных.

Установили, что животные 2 ФФГ достоверно более радиорезистентны (ДД50/30 = 13.2+0.1 Гр), чем полевки 3 ФФГ (ЛД50/30 = 12.7±0.2 Гр, р<0,05) (рис.3) (Григоркина, Оленев, 1987). Сравнение ЛД50/30 полевок 2 ФФГ из природной популяции и лабораторной колонии не выявило достоверных различий (13.2±0.1 Гр и 13.1±0.1 Гр, соответственно). Возможно, это объясняется отсутствием в рационе питания рыжих

полевок компонентов с выраженным радиопрофилактическим действием

Смертность размножающихся сеголеток при дозе 12.7 Гр в 3 раза больше, чем у неразмножающихся сеголеток (53.7% и 17.6%, соответственно). Эти группировки различаются по средней продолжительности жизни после облучения, клинической картине при этой дозе и срокам гибели

12 14 16

Доза, Гр

Рис. 4 Сроки гибели внутрипопуляционных группировок рыжей полевки, облученных разными дозами

0 5 10 15 20 25 30 35 Время после облучения, дни Рис 5 Кинетика лейкоцитов крови у полевок разных ФФГ, облученных дозой 12.7 Гр

животных при разных дозах (рис.4). Изучение реакции гемопоэтической системы позволило прояснить суть различий между ФФГ. Оказалось, что у полевок 2 ФФГ количество лейкоцитов крови и клеток костного мозга восстанавливается значительно быстрее (рис. 5). Вероятно, большая устойчивость к облучению животных 2 ФФГ объясняется низким уровнем метаболизма и снижением энергозатрат. Можно полагать, что различия в радиорезистентности между

функциональными, группировками могут влиять на соотношение размножающейся и неразмножающейся частей популяции и в итоге на ее численность. Обращает на себя внимание независимость характеристик радиорезистентности неразмножающихся сеголеток от фаз динамики численности Например, в 1986 г. (98 особей/100 л.с.) (Оленев, Колчева, 1987) и в 1996 г. (21 особь/100 л.с.) смертность полевок 2 ФФГ при средней полулетальной дозе оказалась практически одинаковой (47.1% и 50.0%, соответственно). Эти данные свидетельствуют об определяющей роли генотипа в радиочувствительности грызунов.

Глава 7. Модификация эффекта облучения при стрессе и оценка гетерогенности популяций грызунов Один из показателей радиочувствительности (изменчивость распределения летальных эффектов) использовали для сравнения гетерогенности животных с различной степенью близости генотипов. Медикаментозный стресс применили как физиологическую нагрузку (контрастный фон). Метод оценки генетической гетерогенности природных популяций по количественным признакам с использованием контрастных, экстремальных фонов предложил Н.В. Глотов (1983)

Основные посылки: 1. Радиочувствительность обусловлена генотипи чесКнми и средовыми (физиологическое состояние) факторами. 2. Линейные животные -носители идентичного генотипа (Медведев, 1968). Система свободного скрещивания обеспечивает высокую генетическую гетерогенность природных популяций животных (Яблоков, 1987). 3. Стресс - неспецифическая реакция организма в ответ на воздействия различной природы.

В опытах использовали лабораторных инбредных мышей линии ВЛЬВ/с и СВА, аутбредных (беспородных) лабораторных мышей и рыжих полевок из природной популяции (всего 646 особей) Стресс вызывали ежедневными инъекциями 0,1% адреналина (0,02 мл) внутрибрюшинно в течение 10 дней (контрольным зверькам вводили физиологический раствор), затем облучали дозой, соответствующей ДД50/30 для каждой выборки. В течение 30 дней отмечали гибель животных. Результаты по срокам гибели мышей и полевок (опыт - контроль) сравнили с помощью критерия-^2.

Установлено, что предваряющий облучение стресс незначительно увеличил смертность мышей (на 4-6%). У полевок, напротив, она снизилась на 5% по сравнению с контролем. Стресс подтвержден достоверным увеличением индексов надпочечников

в сравнении с контролем (0.29% и 0.17%, соответственно), увеличением частоты случаев агрессивности животных.

Обнаружили однотипность постлучевой реакции у предварительно стрессированных инбредных мышей. Она выражается в статистически достоверном снижении вариабельности сроков гибели во времени (рис. 6). Это объясняется выравниванием по физиологическому состоянию особей перед облучением посредством стресса. Ранее данное явление мы показали на фоне гипотермического стресса с последующим облучением ЛД50/30 (ЬуиЬазЬеуБку, Сгл§ог-1апа, 1995). В группах предварительно стрессированных аутбредных мышей вариабельность сроков гибели увеличилась (рис. 7). Она увеличилась и у рыжих полевок. Это можно объяснить тем, что стресс сводит к минимуму обусловленные средой физиологические особенности и проявляются те особенности, которые характерны для данного генотипа.

Результаты опыта дают возможность ориентировочно оценить вклад средовой (физиологической) и генотипической составляющих в радиочувствительность и служат обоснованием метода оценки гетерогенности популяций по радиорезистентности.

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально изучена радиорезистентность 25 видов и видовых форм 9 родов отряда грызунов (для 11 видов и видовых форм - впервые).

30

25

20

8 15

10

и

ВВАЬВ/с (адр.) □ ВАЬВ/с (контр.)

13 18 23

Время после облучения, дни

Б Ау1бред1хыс мыпш

(адр-)

О Аутбредные мыпш (контр.)

Время носче облучения, дни

Рис. 6 и 7 Гистограммы распределений сроков гибели инбредных и аутбредных лабораторных мышей на фоне стресса после острого гамма-облучения ЛД50/30.

2. Изучена зависимость между радиорезистентностью и 11 экологическими факторами и биологическими характеристиками видов. Выявлены и охарактеризованы основные характеристики (размеры тела, тип питания и биотопическая приуроченность), которые на 39% обусловливают радиорезистентность грызунов.

3. Установлено, что специфика семейств на 42% детерминирует общую изменчивость радиорезистентности грызунов. Представители семейств 5сшп[1ае и Мипс1ае в среднем характеризуются меньшими средними ЛД30/зо (6.56 Гр и 7.96 Гр), представители семейств СпсеЦсЗае и Не1еготу1<1ае - существенно более высокими средними ЛД50,зо (10.13 Гр и 12.23 Гр).

4. Выявлена специфика гематологического синдрома у грызунов с различным образом жизни. Показано несоответствие между разнообразием видов, оцениваемых по ЛД5о/зо и показателям кроветворения. Оно указывает на возможность неодинаковой межвидовой дифференциации механизмов радиорезистентности грызунов.

5. Незначительное влияние стресса на смертность грызунов при достоверной модификации сроков гибели и одинаковая летальность рыжих полевок на разных фазах динамики численности свидетельствуют об определяющей роли генотипа в радиочувствительности млекопитающих.

6. Оценки радиорезистентности можно использовать при изучении биоразнообразия на разных уровнях - внутривидовом и межвидовом:

- Показано, что общее повреждающее воздействие радиации на природную популяцию рыжих полевок определяется различиями в чувствительности к нему вцутрипопуляционных функциональных группировок. В связи с этим представляется уместным применение функционального подхода в практике радиоэкологических исследований.

- Установлено, что стресс перед облучением позволяет выявить особенность реакций линейных мышей (низкая гетерогенность) по сравнению с реакциями беспородных мышей и рыжих полевок (высокая гетерогенность). Сокращение или увеличение периода постлучевой гибели во времени на фоне стресса может служить тестом на степень генотипической разнородности особей облученной выборки.

- Изучение радиобиологических дистанций между хомячками рода РЬос1ориз подтверждает точку зрения о видовой обособленности джунгарского хомячка и хомячка Кэмпбелла. Таким образом, изучение радиорезистентности - хороший

дополнительный метод для решения таксономических и сравнительно-экологических задач.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Григоркина Е.Б., Оленев Г.В. Особенности некоторых механизмов радиорезистентности внутрнпопуляционных группировок грызунов // Экологические механизмы преобразования популяций животных при антропогенных воздействиях. Свердловск, 1987. С. 22-23.

2. Григоркина Е.Б., Вигоров Ю.Л., Тарахтий Э.А. Радиорезистентность пасюков острова Итуруп // Вопросы динамики популяций млекопитающих. Свердловск, 1988. С. 18-21

3. Григоркина Е.Б, Вшоров Ю.Л. О связи терморегуляции с видовой радиорезистентностью грызунов // Экологическая энергетика животных. Пущино, 1988. С. 53-54.

4. Григоркина Е.Б. Об экологических соответствиях радиоустойчивости песчанок // Песчанки - важнейшие грызуны аридной зоны СССР. Ташкент, 1989. С. 80-81.

5. Григоркина Е.Б., Оленев Г.В. Функциональное состояние животных -дополнительный критерий оценки поражающего действия радиации // Респ. науч,-практ. конф. по радиобиологии и радиоэкологии. Минск, 1990. С. 53.

6. Григоркина Е.Б. Сравнительная радиорезистентность и физиолого-экологические признаки видов грызунов // Физиологические механизмы адаптации человека и животных. Свердловск, 1990, С. 159-160.

7. Григоркина Е.Б. К вопросу об использовании иммунологических показателей для прогноза радиочувствительности мелких млекопитающих // Механизмы адаптации животных и растений к экстремальным факторам среды. Ростов-на-Дону, 1990. Т.2. С. 62-63.

8. Григоркина Е.Б. О связи радиорезистентности с экологическим своеобразием мелких грызунов//Стресс, адаптации и дисфункции. Кишинев, 1991. С. 27.

9. Стариченко В И., Григоркина Е.Б. Индивидуальная изменчивость радиочувствительности и скелетного метаболизма радионуклидов // Очерки по экологической диагностике. Свердловск, УрО АН СССР, 1991. С. 17-21.

10. Стариченко В.И., Григоркина Е.Б. Индивидуальная изменчивость реакций на ионизирующее излучение // Индивидуальная изменчивость метаболизма остеотропных токсических веществ. Екатеринбург, Наука. 1993. С. 116-126.

11. Grigorkina E.B. Variability of Reactions to Ionizing Radiation in Genus Marmota // 2nd Int. Conf. on Marmots. AUSSOIS (France), 1994. P. 82-83.

12. Lyubashevsky N.M., Grigorkina E.B. Experimental investigation of combined action of stress and ionizing radiation // 2nd Int. Conf. "Radiobiological concequences of nuclear accidents. Moscow, 1994. Part 1. P. 145.

13. Lyubashevsky N.M., Grigorkina E.B. Stress and Radioresistance (Genetic Aspects) // Radiation Protection Dosimetry. Nuclear Technology Publishing. 1995. V. 62. No. 1/2. P. 27-30.

14. Grigorkina E., OJenev G. Functional Approach to the Study of Animals Populations (Rodents - Adaptations to Harmful Factors) // IRPA 91 Int. Cong, on Radiarion Protection/Proceedings. Vienna Austria, 1996. V. 4. P. 124-126.

15. Grigorkina E.B., Vigorov Yu.L. Radioresistance among Rodents of the Subfamily Marmotinae II Biodiversity in Marmots, Publication of the International Marmot Network. Moskow, Lyon. 1996. P. 237-238.

16. Григоркина Е.Б., Лгобашевский H.M. К вопросу о радиорезистентности грызунов, обитающих на загрязненных территориях Урала, в связи с проблемой радиоадаптации // IV Междунар. симп. "Урал атомный, Урал промышленный". Екатеринбург, 1996. С. 18-21.

17. Оленев Г.В., Григоркина Е.Б. Функциональная структурированность популяций мелких млекопитающих (радиобиологический аспект) II Экология. 1998. №6. С. 1-6.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Григоркина, Елена Борисовна, Екатеринбург

Российская академия наук Уральское отделение Институт экологии растений и животных

на правах рукописи

ГРИГОРКИНА ЕЛЕНА БОРИСОВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАДИОРЕЗИСТЕНТНОСТИ ГРЫЗУНОВ

03.00.16 - Экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук Н.М.Любашевский

Екатеринбург 1998

Оглавление

введение.............................................................................................................................................4

Глава 1. Проблема радиорезистентности и факторы, ее обусловливающие

(литературный обзор).......................................................................................................................................8

Глава 2. Материал и методы исследования.............................................................................20

Глава 3. Зависимость радиорезистентности грызунов от их систематических и

экологических особенностей....................................................................................................................27

ЗЛ. Изменчивость радиорезистентности в своей выборке видов грызунов...................28

3.2. Изменчивость радиорезистентности в отряде грызунов.............................................33

3.3. Об экологических соответствиях радиорезистентности грызунов.........................45

3.4. Влияние доместикации на изменчивость грызунов......................................................50

3:5. Оценка влияния таксономической и экологической специфики вида на

радиорезистентность грызунов (дисперсионный анализ и регрессионный анализ.................52

3.5.1. Описание переменных.................................................................................................53

3.5.2. Результаты анализа........................................................................................................54

3.6. Заключительные замечания..................................................................................................64

Глава 4. особенности реакции системы гемопоэза у грызунов разной

экологической специализации..................................................................................................................68

4.1. Острый радиационный костномозговой синдром..........................................................68

4.2. Объекты исследования системы гемопоэза, их экологические и радиобиологические характеристики.....................................................................................................69

4.3. Сравнительная радиорезистентность изучаемых видов..............................................71

4.4. Гематологические показатели.............................................................................................72

4.5. Заключительные замечания..................................................................................................79

Глава 5. радиорезистентность как критерий видовой самостоятельности

близкородственных форм (на примере хомячков рода phodopus)....................................................81

5.1. Состояние проблемы................................................................................................................81

5.2. Летальность и средяя продолжительность жизни..........................................................83

5.3. Постлучевая динамика массы тела хомячков................................................................86

5.4. Радиобиологические дистанции между хомячками.....................................................89

5.5. эколого-физиологические характеристики хомячков................................................90

5.6. Различия между джунгарским хомячком и хомячком Кэмпбелла...........................92

5.7. Заключительные замечания..................................................................................................95

Глава 6. Радиорезистентность внутрипопуляционных группировок рыжей полевки

(Clethrionomys glareolus, Schreb)..............................................................................................................97

6.1. Состояние проблемы................................................................................................................97

6.2. Краткая характеристика двух типов онтонетического развития..............................98

6.3. Возможности функционального подхода и дополнительная характеристика двух типов онтогенеза.................................................................................................................................101

6.4. средняя полулетальная доза и средняя продолжительность жизни......................102

6.4.1. Сравнительная устойчивость неразмножающихся сеголеток из природной

популяции и лабораторной колонии......................................................................................................105

6.5. Особенности клинической картины острой лучевой болезни полевок разного

функционального статуса..............................................................................................................................105

6.6. реакция гемопоэтической системы.......................................................................................106

6.7. влияние фаз динамики численности на радиорезистентность.....................................113

6.8. заключительные замечания......................................................................................................114

Глава 7. модификация эффекта облучения при стрессе и оценка гетерогенности популяций грызунов..........................................................................................................................................117

7.1. Состояние проблемы....................................................................................................................117

7.2. Объекты исследования и методика........................................................................................122

7.3. Летальность животных...............................................................................................................127

7.4. Изменчивость сроков гибели во времени..............................................................................129

7.5. Заключительные замечания......................................................................................................138

ВЫВОДЫ..................................................................................................................................................140

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................................................164

Введение

Ионизирующее излучение - природный и мощный антропогенный фактор, с которым все чаще сталкиваются природные комплексы и человек. Проблема радиорезистентности организмов является частью двух важнейших биологических проблем - адаптации и биоразнообразия. Различная реакция видов при облучении биоценоза может привести к изменению межвидовых взаимоотношений и экологических связей в биоценозе между растительными и животными группировками (Ильенко, 1974; Одум, 1975; Соколов, Попова, 1981). До настоящего времени природную радиорезистентность грызунов и ее модификацию другими факторами среды, а также причины дифференциальной радиорезистентности в пределах грызунов и млекопитающих в целом изучали на весьма ограниченном наборе видов. Выбор грызунов в качестве модельных объектов определяется тем, что эта группа организмов с успехом используется в исследовании широкого спектра задач современной популяционной экологии и радиоэкологии (Наумов, 1963; Шварц, 1963; Большаков, 1972; Ивантер и др., 1985; Башенина, 1977; Шилов, 1977; Криволуцкий, 1983,1988 и др).

Изучать радиорезистентность серий видов грызунов в одинаковых экспериментальных условиях необходимо для их комплексной характеристики, для выявления экологических соответствий радиорезистентности и оценки биоразнообразия более крупных таксонов. Существует разнобой мнений о том, как связана радиорезистентность грызунов с их образом жизни. Было неясно, зависит ли она от принадлежности вида к тому или иному крупному таксону. Не были изучены ключевые экологические факторы радирезистентности, сопряженное влияние средовых факторов на это свойство вида и диагностическая ценность разных характеристик радиорезистентности.

Цель и задачи исследования.

Основная цель работы - изучить радиорезистентность грызунов в зависимости от экологических особенностей видов и внутривидовых групп, их таксономической принадлежности, выяснить возможность использования радиорезистентности для оценки гетерогенности популяций и видовой самостоятельности близкородственных форм.

При этом были поставлены следующие задачи:

1. На примере представительной выборки экологически разных видов грызунов изучить экологические факторы, влияющие на радиорезистентность.

2. Изучить зависимость радиорезистентности грызунов от их систематического положения (принадлежности к тому или иному крупному таксону).

3. Сравнить постлучевую реакцию системы гемопоэза, как одной из радиочувствительных тканей,у экологически разных видов.

4. Исследовать влияние предварительного стрессового воздействия на последствия облучения.

5. Определить возможные аспекты использования радиорезистентности для решения прикладных экологических задач:

- сравнить радиорезистентность разных функциональных внутрипопуляционных группировок рыжей полевки;

- определить диагностическую ценность радиобиологических критериев (на примере мохноногих хомячков рода РИоёорш);

- использовать критерии радиорезистентности для оценки гетерогенности лабораторных колоний и природной популяции грызунов.

Научная новизна.

Впервые по единой методике изучена радиорезистентность 25 видов и видовых форм грызунов. На серии видов грызунов изучена зависимость радиорезистентности от ряда экологических и биологических особенностей вида.

Впервые обнаружено, что ЛД50/30 при остром тотальном облучении зависит от принадлежности грызунов к тому или иному семейству, что, в частности, объясняет разную радиорезистентность диких и лабораторных животных.

Определены экологические факторы радиорезистентности. Впервые показано, что радиорезистентность является одной из важных видовых характеристик, не зависящих от фазы динамики численности.

Впервые установлено, что стресс перед облучением позволяет выявить роль генотипа и средовых факторов в радиочувствительности грызунов.

Впервые показана возможность использования критериев радиорезистентности для оценок гетерогенности на популяционном и внутрипопуляционном уровнях, биоразнообразия более высоких таксонов, для изучения видовой самостоятельности близких форм грызунов.

Теоретическая и практическая ценность.

Результаты диссертации полезны в качестве дополнительных характеристик видов, для прогноза и оценок биоразнообразия толерантности грызунов разных таксономических уровней (семейства, виды и внутрипопуляционные группировки), изучения интересного эволюционного явления - неравномерности темпов межвидовой дифференциации грызунов по разным проявлениям толерантности и разным радиобиологическим признакам.

Поскольку разная функциональная роль, выполняемая сезонными генерациями (когортами) рыжей полевки, связана с их радиорезистентностью, учет возрастной и функциональной гетерогенности популяций по радиорезистентности повысит точность радиоэкологических исследований.

Экспериментальная оценка радиорезистентности к острому облучению позволяет более комплексно характеризовать вид, выявлять различия между близкими формами, изучать гетерогенность животных на внутривидовом уровне.

Экспериментальный стресс перед облучением мало влияет на общую смертность животных, однако достоверно изменяет сроки их гибели. Это позволяет изучить роль генотипической и средовой компонент в радиочувствительности грызунов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Радиорезистентность грызунов зависит от принадлежности вида к тому или иному семейству и связана с такими важными экологическими характеристиками, как размеры тела, тип питания и биотопическая приуроченность вида.

2. Радиорезистентность - одна из важных биологических особенностей вида, которые стоит учитывать при изучении биоразнообразия толерантности грызунов. Характер видового ответа на действие облучения может быть дополнительным критерием видовой самостоятельности таксономически неясных форм грызунов.

3. Реакция популяции рыжей полевки на радиационное воздействие зависит от ее функционально-возрастной структуры.

4. Стресс перед облучением способствует выявлению генотипической разнородности грызунов.

Благодарности

За помощь, оказанную при выполнении работы, а также при обсуждении различных ее аспектов, автор искренне благодарит научного руководителя д.б.н. Н.М. Любашевского, за

конструктивные предложения и консультации-к.б.н. Ю.Л. Вигорова, к.б.н. A.B. Покровского, д.б.н. Д.И. Семенова, профессора Н.В. Глотова, профессора O.A. Пястолову, д.б.н. O.A. Лукьянова, д.б.н. Э.А. Гилеву, к.б.н. Э.А. Тарахтий, к.б.н. В.И. Стариченко. Автор благодарен к.б.н. Г.В. Оленеву за обсуждение и помощь при сборе материала из природных популяций грызунов; к.б.н. М.В. Чибиряку-за участие в компьютерной обработке результатов, лаборанту В.Б. Дубровину-за неоценимую помощь в разведении лабораторных колоний грызунов, аспирантам Е.Ю. Захаровой и И.Б. Головачеву. За услуги, оказанные при работе с литературой, автор выражает признательность сотрудникам библиотеки института экологии растений и животных. За поддержку и содействие при проведении работ автор благодарит дирекцию института экологии растений и животных.

Глава 1. Проблема радиорезистентности и факторы, ее обусловливающие

(литературный обзор)

Дифференциальная радиочувствительность организмов представляет значительный экологический интерес (Одум, 1975). Проблема радиочувствительности живых организмов является центральной проблемой радиобиологии (Ярмоненко, 1988) и составляет часть общебиологической проблемы реактивности и резистентности, что подтверждается несомненной зависимостью между радиочувствительностью и общей реактивностью организма (Горизонтов и др., 1966; Поспишил, Ваха, 1986; Григорьев, 1991). В общей проблеме различают радиочувствительность различных молекулярных структур, клеток, тканей, систем и, наконец, радиочувствительность целого организма. Под общей радиочувствительностью понимают реакцию целостного организма на воздействие ионизирующего излучения. Радиочувствительность индивидуумов, оцениваемая по средней полулетальной дозе, чаще всего распределяется в популяции таким образом, что наиболее часто встречаются индивиды со средней чувствительностью, реже - с крайне высокой или крайне низкой. Согласно последней классификации (Ильенко, Крапивко, 1989) выделяют следующие формы радиочувствительности:

1. Географическую радиочувствительность. Радиочувствительность обитателей различных климатических и вертикальных зон.

2. Радиочувствительность животных различных таксономических рангов.

3. Радиочувствительность видов одного таксономического ранга:

а) популяционная радиочувствительность;

б) сезонная радиочувствительность;

в) возрастная и половая радиочувствительность;

г) индивидуальная радиочувствительность.

Существует широкий диапазон^ в пределах которого организмы проявляют чувствительность к летальным дозам облучения. Приведенные на рис. 1 материалы ("Effects", 1992) свидетельствуют о том, что одноклеточные организмы - как прокариоты (бактерии и синезеленые водоросли), так и эукариоты, как правило, превосходят по устойчивости к радиации многоклеточные организмы, особенно высших животных - позвоночных. Исключительно высокую устойчивость к ионизирующей радиации обнаруживают многие простейшие (инфузории, амебы и др.) и дрожжевые организмы. Видно, что наиболее чувствительны к действию радиации млекопитающие, за ними следуют птицы, рыбы, пресмыкающиеся и насекомые. Чувствительность растений к излучению варьирует в самых широких пределах, частично совпадая с показателями для животных. Менее всего чувствительны к высоким дозам радиации мхи, лишайники, водоросли и микроорганизмы, в частности бактерии и вирусы.

Воздействие ионизирующих излучений в высоких дозах на биогеоценозы приводит к их радиационному повреждению - сложному явлению, складывающемуся из прямых (непосредственно вызванных облучением) и косвенных эффектов. Косвенные эффекты обусловлены нарушением тонко сбалансированной совокупности связей между компонентами биогеоценоа.

Вирусы

Моллюски

Простейшие |

_Бактерии_

Мхи, лишайники, водоросли Насекомые Ракообразные

I |ресмыка-ющиеся

Земноводные Рыбы Высшие растения

Птицы ]

Млекопитающие]

I-;-1-i-~т-1

10» Ю1 102 10? 10*

Летальная доза острого облучения (Гр)

Рис. 1. Сравнительная радиочувствительность организмов.

В таблице указан приблизительный диапазон летальных доз облучения для различных таксономических групп; сравнительный показатель радиочувствительности ("Effects...", 1992).

Изменчивость радиочувствительности касается признаков на всех уровнях биологической организации: молекулярно-генетического, клеточного, органно-тканевого, онтогенетического, популяционного (расового), и, вероятно, биогеоценотического (по этому уровню фактических данных очень мало) (Яблоков, 1998). Доказательством существования явления внутривидовой индивидуальной фенотипической изменчивости по различным показателям радиочувствительности служат многократно описанные факты существования адаптации к воздействию излучения на популяционном уровне (Крапивко, 1986; Ильенко, Крапивко, 1998). Как известно, радиоадаптация возможна лишь на основе естественного отбора, а основой отбора всегда и везде является индивидуальная изменчивость. На гетерогенность особей по радиочувствительности указано в обзоре (Kovalev, Smirnova, 1996)в популяциях млекопитающих и (человека) встречается 14-20% радиорезистентных особей и 10-20% особей с повышенной радиочувствительностью (710% - сверхрадиочувствительные). При этом различие в радиочувствительности крайних форм может быть многократным. Гиперчув�