ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2007, том 68, № 5, с. 323-331
УДК 597.828:591.34
МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИОННОЙ РЕГУЛЯЦИИ ЭМБРИОГЕНЕЗА БЕСХВОСТЫХ АМФИБИЙ, ОБИТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМОВ
© 2007 г. Е. А. Северцова, А. С. Северцов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, каф. биологической эволюции 119992 Москва, Ленинские горы
e-mail: Severtsova@mail.ru Поступила в редакцию 25.05.2006 г.
Приведены результаты сравнительного анализа гаструляции трех видов бесхвостых амфибий, проведенного с целью выявления возможных механизмов адаптивной эволюции раннего морфогенеза к эволюционно новому фактору среды - антропогенному загрязнению водоемов. Показано, что изменение соотношения вариабельности и коррелированности формирующихся структур зародыша приводит к изменению характера морфогенетических процессов, вплоть до дискоординации развития и формированию гетерохроний и/или увеличению смертности. Для исследованных видов амфибий увеличение коррелированности развития в разных популяциях происходило либо за счет возрастания общей коррелированности морфогенеза, либо за счет выделения группы признаков, чье развитие проходит более взаимосвязанно. Механизмы регуляции раннего развития происходят по единой схеме, что указывает на неспецифичность реакции раннего эмбриогенеза, основанной на эпигенетических механизмах регуляции.
В современных статьях по эволюционной тематике воздействие поллютантов на живые организмы рассматривается как фактор среды, создающий условия для действия естественного отбора. Некоторые биологи, исследуя вопрос об адаптивной эволюции к загрязнению окружающей среды, высказывают предположения о ее возможности (Holloway et al., 1990; Forbes, Calow, 1997) и отмечают, что во многих случаях скорость изменения окружающей среды в результате загрязнения пол-лютантами может быть слишком быстрой для формирования адаптаций (Lynch, Lande, 1993; Burger, Lynch, 1997).
Амфибии - один из наиболее удобных природных объектов для исследования влияния различных поллютантов (Dawson et al., 1985, и др.). Большинство публикаций, посвященных влиянию химических загрязнений на животных, сосредоточены на выявлении допустимых концентраций тех или иных поллютантов. Среди амфибий таким объектом, как правило, служит шпорцевая лягушка Xenopus laevis, на которой в рамках проекта FETAX проведено тестирование десятков химических поллютантов. Прикладной характер этой программы предполагает тестирование воздействия на эмбриогенез каждого вещества в отдельности (FETAX, 1991), хотя в природе на эмбрионы влияет комплекс всех загрязнителей данного водоема. Полевые исследования проводятся на широко распространенных амфибиях: Rana pipiens (Allran, Karasov, 2000, 2001), Rana arvalis (Andren et al., 1989), Rana temporaria (Леон-
тьева, Семенов, 1997; Dunson et al., 1992; Johansson et al., 2001), Bufo americanus (Hecnar, 1995) и других видов, в результате чего уже к 1992 г. было тестировано 211 поллютантов на 45 видах амфибий (Hall, Henry, 1992). Среди этих работ преобладают исследования, проведенные на головастиках или взрослых животных (Вершинин, 1997; Freda, 1986; Horne, Dunson, 1995). Исследование эволюционных аспектов влияния загрязнения окружающей среды на раннее развитие выпадает из внимания, хотя показано, что ранние стадии более чувствительны к внешним неспецифическим воздействиям (Dumpert, 1987; Carey, Bryant, 1995; Северцова, 2002). Было показано, что в ряде случаев наблюдается возрастание устойчивости эмбриогенеза к действию поллютантов у амфибий из популяций, обитающих в условиях загрязнения водоемов органическими веществами (Hecnar, 1995; Johansson et al., 2001; Северцова, 2002) или сильного закисле-ния (Andren et al., 1989). Сравнение устойчивости к загрязнению нитратами двух популяций Bufo americanus показало более высокую толерантность к данному типу загрязнения популяции, более длительное время находящейся под действием нитратов (Hecnar, 1995). Исследования в Швеции показали, что более устойчивыми к длительной экспозиции в растворе нитрата аммония оказывается икра лягушек из южных районов, где концентрация нитратов в природе выше, чем в северных (Johansson et al., 2001).
К сожалению, из внимания эволюционистов выпадает изучение возможных механизмов адаптации к действию поллютантов на ранние этапы онтогенеза. В качестве объекта подобных исследований возможно использование икринок бесхвостых амфибий, фиксированных на стадии средне-поздней гаструлы (Cherdantsev, Scobeyeva, 1994). Эта стадия лучше других изучена с точки зрения морфогенетических процессов и генетических основ регуляции этих процессов (Beetschen, 2001). Кроме того, показано, что именно эта стадия в раннем развитии амфибий является наиболее чувствительной к воздействию поллютантов (Sever-tsova, 2005).
Анализ реакции раннего развития на загрязнения основан на разработанной Черданцевым (Cherdantsev, Scobeyeva, 1994) методике морфомет-рического анализа. Сами по себе морфометриче-ские методы оценки изменчивости используются часто, в том числе и для оценки вариабельности синантропных популяций животных и растений (см. Внутривидовая изменчивость..., 1980; Животные в условиях., 1990; Структура и функциональная роль ..., 2001). Оценка изменчивости наиболее ранних стадий развития в этом аспекте не проводилась, хотя метод исследования их изменчивости существует. По-видимому, идея количественного изучения изменчивости признаков морфогенеза принадлежит Гурвичу (Gurwitsch, 1922 - цит. по Черданцев, 2003). Идея заключается в том, что, изучая соотношения между средними значениями и значениями дисперсии количественных признаков зародыша или его части, можно получить достаточно точное представление о характере взаимодействий соответствующего морфогенетическо-го поля. Конкретных исследований по намеченной Гурвичем программе очень немного (Cherdantsev, Scobeyeva, 1994; Глухова, Черданцев, 1999), хотя этот метод может быть использован и для исследования изменчивости эмбриогенеза при развитии зародыша в различных условиях. Морфометрия позволяет оценить изменчивость развития на стадиях, когда аномальность морфогенетических процессов еще не различима глазом.
Задача нашей работы - сравнительный анализ реакции эмбриогенеза трех видов бесхвостых амфибий на антропогенное загрязнение водоемов с целью выяснения механизмов устойчивости или регуляции развития к повреждающим воздействиям антропогенного загрязнения среды.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В этой статье мы опирались на ранее опубликованные данные по исследованию трех представителей рода Rana: травяной лягушке (R. temporaria L.), остромордой лягушке (R. arvalis Nilss.) и озерной лягушке (R. ridibunda Pall.), проводившиеся в г. Москве в период с 1997 по 2001 г. (Северцова,
Северцов, 2005, 2007). На территории г. Москвы были обследованы водоемы в трех муниципальных районах: Братеево, Востряково и Раменки. В этих районах ярко выражены основные типы загрязнений. В частности, было показано, что в водоемах р-на Братеево, возможно из-за близости Капотненского нефтеперерабатывающего завода, превышено содержание нефтепродуктов, в водоемах р-на Востряково - железа, цинка и свинца вследствие близости МКАД и расположенной рядом свалки, а в р-не Раменки - сульфатов и хлоридов (Северцова, 2002; Северцова, Северцов, 2005, 2007). Эти данные хорошо согласуются с общими представлениями о степени и характере загрязнения включенных в наш анализ водоемов (Государственный доклад ..., 1994). В качестве сравнительного материала использовались пробы, собранные в водоемах, расположенных на территории Звенигородской биологической станции (50 км от Москвы). Рассматривать пробы из данных водоемов в качестве "контроля" мы считаем неправомочным, поскольку на эти популяции амфибий также оказывает влияние антропогенный фактор, но сила его воздействия значительно слабее и носит иной характер, о чем свидетельствуют результаты химического анализа воды (Северцова, 2002; Северцова, Северцов, 2005, 2007).
Для морфометрического анализа с фиксированных икринок трех исследуемых видов удаляли все оболочки, включая желточную, делали по стандартной эмбриологической методике сагиттальные сколы и измеряли под бинокуляром с помощью окуляр-микрометра (с точностью до 1 деления окуляр-микрометра; 20 делений линейки окуляр-микрометра - 1 мм) следующие признаки (рис. 1): D1 - общий диаметр гаструлы, D2 - диаметр желточной пробки, ArthG - высота крыши га-строцеля, vh - максимальная высота желточного столба, LbalD - глубина вворачивания дорсальной губы бластопора, LbalV - глубина вворачивания вентральной губы бластопора, G - расстояние между точками наибольшей глубины вворачивания дорсальной и вентральной губ бластопора, preg - расстояние между полостями гастроцеля и бластоцеля, ArthB - высота крыши бластоцеля.
Выбор этих признаков обеспечивает достаточно полное описание гаструляции - одного из важнейших этапов эмбриогенеза (Slack et al., 1992; Гилберт, 1993; Черданцев, 2003). Такие признаки, как LbalD, LbalV и G, являются основными показателями продвинутости гаструляционных процессов, поскольку отражают степень и характер формирования губ бластопора. ArthG - высота крыши гастроцеля - характеризует процесс формирования хордомезодермы на исследуемой стадии развития. Признаки preg и ArthB тесно связаны с предыдущим этапом эмбриогенеза - бластуляцией, так как маркируют местоположение редуцирующегося бластоцеля, а следовательно, могут служить
вкупе с ArthG показателем "рыхлости" зародыша. "Рыхлыми", как правило, называют гаструлы либо с неплотными межклеточными контактами, либо с аномально крупными клетками, не позволяющими из-за физических особенностей морфогенеза формировать полости или даже продолжать дальнейшее развитие (Черданцев, 2003).
Согласно таблицам нормального развития, разработанным для травяной лягушки (Дабагян, Слепцова, 1975), но часто аппроксимируемым для остромордой лягушки и для озерной лягушки, га-струляция бесхвостых амфибий продолжается с 11-й по 19-ю стадии. Ввиду асинхронности развития икринок даже из одной кладки однород
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.