На правах рукописиСпирина Елена ВладимировнаАМФИБИИ КАК БИОИНДИКАЦИОННАЯ ТЕСТ-СИСТЕМА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ03.00.16. – экологияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата биологических наукУльяновск – 2007 Работа выполнена на кафедре биоэкологии в Государственном образовательномучреждении высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Романова Елена Михайловна Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Горбачев Владимир Николаевич доктор биологических наук, профессор Батлуцкая Ирина Витальевна Ведущая организация: Федеральное государственное научное учреждение Институт экологии Волжского бассейна РАН Защита состоится «30» мая 2007 г. в 14ºº часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет по адресу: Набережная реки Свияги, 106, корпус № 1, аудитория № 212.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета и на сайте hppt://www.uni.ulsu.ru.Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, управление научных исследований.Автореферат разослан « » __________ 2007 г.Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент С.В. Пантелеев^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Одним из современных и наиболее перспективных методов экологической оценки качества окружающей среды является биоиндикация. Биоиндикация позволяет выявить степень и интенсивность воздействия загрязнителей, а также проследить динамику деградации экосистем во времени и пространстве и выразить это в интегральной форме. Естественные реакции организма животных на качество окружающей среды часто могут быть экстраполированы на человека (Sigel, 1980; Тарасенко и др., 1985; Пескова, 2002; Замалетдинов, 2003). Преимущества использования биоиндикаторов для интегральной оценки биосистем разного уровня сложности в том, что они реагируют не только на отдельные загрязнители, но и на весь комплекс воздействующих веществ определенными реакциями организма в целом (Лыдня, Пилипенко, 1993; Пескова, 2002; Файзулин, 2004). Всем требованиям, предъявляемым к видам, использующимся для биоиндикации, отвечает озёрная лягушка (^ Rana ridibunda Pall.) – широко распространенный вид амфибий в Европейской части России (Чубинишвили, 1998; Захаров, 2000). Вид обладает чёткими и удобными для исследования признаками, его икра и личинки чувствительны к загрязнителям (Ilosvay, 1977; Freda, Dunson, 1985; Pierce, 1985; Gunter, Plotner, 1986; Вершинин, 1995). Морфофизиологические параметры организма амфибий отражают состояние локального местообитания. У амфибий отсутствует выраженная тенденция к миграции (Ищенко, 1978), для них характерен высокий уровень полиморфизма, – все эти факторы позволяют успешно использовать R. ridibunda Pall. в качестве вида-биоиндикатора.^ Цели и задачи исследованияЦель исследования – выявить наиболее информативные морфо-физиологические, цитогенетические, популяционные параметры вида^ Rana ridibunda Pall. и обосновать эффективность их использования для биоиндикации экологического состояния водотоков. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:Исследование водотоков на содержание тяжелых металлов в воде.Характеристика структуры популяций R. ridibunda Pall.Отбор информативных для биоиндикации морфофизиологических параметров R. ridibunda Pall. Выявление основных фенодевиантовОценка стабильности развития популяций R. ridibunda Pall. Научная новизнаРазработана комплексная мультифакторная тест-система биоиндикации водотоков на основе показателей морфофизиологического и цитогенетического гомеостаза бесхвостых амфибий, включающая оценочные критерии стабильности развития и структуры популяции. Дана отличительная характеристика морфофизиологических особенностей и популяционных параметров ^ R. ridibunda Pall., включающая морфометрию тела и задних конечностей, индексы внутренних органов и упитанность, а также численность, половое соотношение и фенетический состав популяций в экологически чистых и загрязненных водотоках Ульяновской области. Установлено, что показателями загрязнения водотоков являются маркерные фенодевианты, высокая внутрипопуляционная гетерогенность и частота встречаемости морфофизиологических аномалий R. ridibunda Pall. ^ Практическая значимость результатов Выявлены морфофизиологические и генетические особенностей амфибий, которые позволяют оперативно провести биоиндикацию экологического состояния водотоков. Выявленный комплекс характеристических параметров может быть использован при проведении экологического мониторинга и в системах экологического прогнозирования. Полученные результаты могут рассматриваться как базовые при экологической оценке водотоков Ульяновской области. Основные положения и выводы диссертации используются в учебном процессе кафедры биоэкологии экологического факультета Ульяновского государственного университета и кафедры биологии, ветеринарной генетики, паразитологии и экологии факультета ветеринарной медицины Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. ^ Основные положения, выносимые на защитуR. ridibunda Pall. является высокоинформативным биоиндикатором экологического состояния водотоков.В неблагоприятных экологических условиях регистрируется широкий спектр аномалий развития R. ridibunda Pall., снижается численность популяций, смещается половое соотношение, нарастает доля морфы striata.Организм ^ R. ridibunda Pall. реагирует на загрязнение водотоков комплексом морфофизиологических реакций, проявляющихся в уменьшении размеров тела, увеличении индексов сердца и почек, снижении индексов печени, селезенки и общей упитанности, обусловленных нарушением морфофизиологического и цитогенетического гомеостаза.^ Апробация и публикации Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях различных уровней, в том числе: на III Всероссийской научно-практической конференции «Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы» (Пенза, ноябрь 2005 г.); на Всероссийском конкурсе инновационных проектов «Живые системы» (Киров, ноябрь 2005 г.); на IV Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, январь 2006 г.); на XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, апрель 2006 г.); на конференции аспирантов и молодых ученых УлГУ «Решение проблемы загрязнения водной среды» (Ульяновск, апрель 2006 г.); на Международной научно-практической конференции «Проблемы биологии, экологии и образования: история и современность» (Санкт-Петербург, май 2006 г.). По теме диссертации опубликовано 7 работ.^ Объем и структура диссертационной работы Диссертация изложена на 193 страницах машинописного текста, иллюстрирована 39 рисунками, 5 таблицами. Приложение включает 15 таблиц. Диссертация состоит из введения, обзора литературы по изучаемой проблеме – глава 1, материалов и методов исследования – глава 2, результатов собственных исследований – глава 3, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения. Список использованной литературы включает 518 источников, в том числе 139 на иностранном языке.^ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫГлава 1. Обзор литературы по изучаемой проблеме Глава посвящена обзору литературы по изучаемой проблеме и состоит из 4 подразделов, которые содержат информацию о многогранности подходов к биоиндикации качества окружающей среды в системах экологического мониторинга и перспективах использования амфибий для этих целей.^ Глава 2. Материал и методы исследования.Характеристика районов исследования Исследования проводились в Ульяновской области в 2004-2007 гг. Объектом изучения являлась озерная лягушка (^ R. ridibunda Pall.). В качестве загрязненного водотока была выбрана р. Свияга, а экологически чистого водотока – р. Уса. Река Свияга берет начало в Кузоватовском районе Ульяновской области. На территории Ульяновской области ее протяженность составляет 216,4 км, она является правым притоком Волги. Русло реки извилистое, ширина 20-30 м, средняя глубина на перекатах 0,6 м, на плесах 1,3 м. Река сильно загрязнена. В Тереньгульском районе Ульяновской области берет начало р. Уса. В своем течении она сходна с р. Свияга и является экологически чистым водотоком. Долина реки пойменная, шириной до 3-4 км. Для выявления адаптаций, возникающих под действием загрязнения водотоков у представителей вида ^ R. ridibunda Pall., нами было проведены исследования на трех уровнях (рис. 1): на уровне популяции (оценивалась численность, половой и фенетический состав), на уровне особи (оценивалась морфология, физиология и стабильность развития) и на уровне клетки (оценивалась стабильность ядерных структур). Степень загрязнения воды тяжелыми металлами определяли в отделе химико-аналитического контроля растениеводческой, пищевой продукции и кормов ФГУ «Станция Агрохимической Службы г. Ульяновска». В 2004-2006 гг. были проведены анализы воды из мест обитания озерной лягушки на содержание тяжелых металлов. В исследуемых образцах определяли общее содержание таких элементов, как медь, свинец, кадмий, цинк, хром, никель. Анализы проводились атомно-абсорбционным методом. R. ridibunda Pall. - тест-система для экологической оценки водной среды обитанияПопуляционный уровень Клеточный уровень Организменный уровеньЧисленностьn=710 Физиологические особенности Морфологические особенностиСтабильность ядерных структур n=279Стабильность развития n=591 Половой состав n=540 Индексы внутренних органов n=310Морфометрияn=620Фенетический состав n=540Упитанностьn=310 Фенодевиантыn=638Рис. 1. Направления исследованийОпределение видового и количественного состава амфибий проводилось прижизненно по стандартной методике (Кузьмин, 1999; Земноводные…, 2001) на каждых 100 м береговой линии. Половую и фенетическую структуру популяций озерной лягушки анализировали весной без умерщвления животных и изъятия их из мест обитания (Kabisch, 1990). Полиморфизм полученных выборок изучался по соотношению в популяциях морф striata – полосатая особь, со светлой дорсомедиальной полосой на спине и maculata - пятнистая особь (Жукова, Кубанцев, 1976; Щупак, 1977). Измерения стандартных морфологических параметров проводили с помощью штангенциркуля с точностью до 0,1 мм (Определитель земноводных.., 1977). Измерялись 9 показателей по Н.В. Ковылиной (1999). Оценивались средние значения морфологических параметров, коэффициенты вариации. При сравнении средних величин параметров использовался критерий Стьюдента (Sokal, Rohlf, 1981). Для выявления физиологического состояния амфибий рассчитывали индексы органов (Шварц и др., 1968). С помощью электронных весов определялась масса тела, затем производилось вскрытие и изъятие внутренних органов (сердца, печени, почек, селезёнки), взвешивание их на электронных весах (с точностью до 0,001 г). Индекс упитанности рассчитывали по Г.В. Никольскому (1974). Все расчеты проводили отдельно для самцов и самок. Типовая принадлежность аномалий определялась по общепринятым классификациям (Borkin et al., 1986; Вершинин, 1989; Lada, 1999). Показатель разнообразия типов аномалий (μ) и долю редких типов аномалий (h) рассчитывали по Л.А. Животовскому (1982). Оценку стабильности развития проводили по показателю флуктуирующей асимметрии (Чубинишвили, 1998; 2001). Всего было использовано 13 стандартных признаков. В качестве показателя асимметрии для межпопуляционного сравнения использовалась средняя частота асимметричного проявления на признак (ЧАПП) (Leary et al., 1983; 1984; Чубинишвили, 1998; 2001). Статистическая значимость различий между выборками оценивали по t-критерию Стьюдента (Sokal, Rohlf, 1981). Степень загрязнения водной среды относительно нормы определяли по нарушению стабильности развития, основанной на флуктуирующей асимметрии, и оценивали по пятибалльной шкале (Чубинишвили, 1998). Цитогенетический гомеостаз оценивался по микроядерному тесту (Evans et al., 1959). Учёт микроядер производили под микроскопом при увеличении x1000. У каждой особи анализировали по 2000 эритроцитов. При сравнении частот встречаемости клеток с микроядрами использовали t-критерий Стьюдента с φ-преобразованием Фишера (Sokal, Rohlf, 1981). Статистическая обработка полученных данных проводилась при помощи пакета MS Excel 2000 по общепринятым алгоритмам (Ивантер, Коросов, 1992).Глава 3. Результаты исследований3.1. Особенности химического состава воды в исследуемых водотоках Исследование содержания тяжелых металлов в воде проводилось в 5 точках, вниз по течению р. Свияга: с. Спешневка, с. Стоговка, с. Луговое, г. Ульяновск, с. Лаишевка. В качестве фона был выбран экологически чистый водоток - р. Уса, пробы отбирались в 3 точках: с. Елшанка, с. Михайловка, с. Гавриловка. Химический анализ воды показал, что содержание тяжелых металлов в р. Уса было в пределах ПДК. В р. Свияга содержание тяжелых металлов во всех районах исследования многократно превышало ПДК. В поверхностном слое воды р. Свияга наблюдалось превышение ПДК по свинцу: в районе с. Спешневка в 1,5 ПДК, на территории г. Ульяновска в 1,6 ПДК, с. Лаишевка в 1,7 ПДК. В срединном слое воды р. Свияга содержание свинца также было повышено: с. Спешневка (2,5 ПДК), с. Луговое (2,8 ПДК), г. Ульяновск (2,7 ПДК), с. Лаишевка (3,1 ПДК). В придонном слое воды р. Свияга наблюдалось еще более выраженное превышение ПДК по свинцу. В поверхностном слое воды р. Свияга содержание кадмия составило: с. Спешневка - 6 ПДК, с. Стоговка – 3 ПДК, с. Луговое – 7 ПДК, г. Ульяновск - 6 ПДК, с. Лаишевка – 4 ПДК. Содержание кадмия в срединном слое воды р. Свияга значительно превышало ПДК: около с. Спешневка - в 22 раза (22 ПДК), около с. Стоговка - в 3 раза (3 ПДК), с. Луговое - в 25 раз (25 ПДК), в зоне г. Ульяновска и около с. Лаишевка - в 25-27 раз (25-27 ПДК). Содержание кадмия в придонном слое воды р. Свияга значительно превышало ПДК: около с. Спешневка - 59 ПДК, около с. Стоговка - 36 ПДК, около с. Луговое - 56 ПДК, в зоне г. Ульяновска - 73 ПДК и около с. Лаишевка - 100 ПДК. Содержание никеля в поверхностном и срединном слоях р. Свияга и во всех слоях р. Уса не превышало предельно допустимой концентрации, в придонном слое р. Свияги около с. Спешневка и с. Луговое содержание никеля составило 2 ПДК, а около с. Лаишевка и на территории г. Ульяновска - 3 ПДК. Содержание хрома в срединном слое воды р. Свияга около с. Спешневка, с. Луговое, с. Лаишевка и в г. Ульяновске составило 3 ПДК. Содержание хрома в придонном слое воды р. Свияга около с. Стоговка составило 3,5 ПДК, около с. Спешневка – 4,7 ПДК, около с. Луговое – 5,5 ПДК, в зоне г. Ульяновска составило 7,4 ПДК, около с. Лаишевка 9,3 ПДК. Подводя итог исследованиям по загрязнению р. Свияга тяжелыми металлами, можно заключить, что на всем течении реки уровни содержания тяжелых металлов во много раз превышают ПДК. Согласно полученным данным основные загрязнители аккумулируются в придонном слое.^ 3.2. Структура популяций амфибий3.2.1. Численность амфибий Структура популяции позволяет оценить степень экологической пластичности популяции и вида в целом (Шварц, 1973). Одним из важнейших оценочных критериев состояния популяции и биологического прогресса или регресса является численность. Численность популяции, по мнению Т.Ю. Песковой (2004), - это интегрирующий показатель, отражающий ее состояние и динамику. Проведенные исследования показали, что численность популяций озерной лягушки в экологически чистом водотоке (р. Уса) достоверно выше (табл. 1), чем в загрязненном (р. Свияга) (p Таблица 1 Численность (экз./100 м) популяций озерной лягушки (по данным маршрутных учетов) ^ Пункт выборки Численность особей на 100 м (n) р. Уса с. Елшанка 74,86±3,50 р. Уса с. Михайловка 66,43±1,69 р. Уса с. Гавриловка 69,43±3,62 р. Свияга с. Спешневка 44,29±1,73 р. Свияга с. Стоговка 46,57±1,17 р. Свияга с. Луговое 49,0±1,35 р. Свияга г. Ульяновск 22,86±1,26 р. Свияга с. Лаишевка 28,14±1,01 Так, в р. Уса на 100 м маршрута численность популяций озерной лягушки была в 2-3 раза больше, чем в р. Свияга. Согласно данным литературы, прослеживается общая тенденция снижения численности амфибий в загрязненных районах (Брушко, Кириенко, 1993; Ковылина, 1999). Существует представление об адаптации как процессе, ведущем к сохранению выживаемости, репродукции и подгонке оптимумов под изменившиеся условия среды. При этом выживание и репродукция – цель первого порядка. После того, как она достигнута, организмы начинают преследовать цель второго порядка – оптимизацию приспособительных характеристик до оптимума (Лекявичюс, 1986). Выявленные нами изменения численности амфибий в загрязненном водотоке свидетельствуют, что адаптация озерной лягушки в р. Свияга находится на стадии достижения цели первого порядка. В загрязненном водотоке (р. Свияга) все фазы жизненного цикла амфибий от яйца до имаго протекают в среде с существенно измененным химизмом, что ведет к значительным фенетическим изменениям и появлению морфофизиологических адаптаций и, в конечном итоге, формирует измененную популяционную структуру. Поэтому на последующих этапах работы мы изучали другие структурные характеристики популяции.3.2.2. Половая структура популяций Половой состав – отношение в популяции самцов и самок теоретически должно быть близким к 1:1. Именно при равной доле самок и самцов в репродуктивной части популяции формируется более высокий репродуктивный потенциал (Kalmus, Smith, 1960). По результатам наших исследований, у амфибий загрязненного водотока наблюдалась тенденция изменения половой структуры. В экологически чистом водотоке среди половозрелых животных соотношение полов 1:1, а в загрязненном водотоке это соотношение сдвигалось в сторону самок (1:1,5-4,4) (табл. 2). Это свидетельствует о явном дефиците самцов в популяциях, обитающих в загрязненных водотоках. Таблица 2 Половое соотношение в популяциях озерной лягушки р. Уса и р. Свияга ^ Пункт выборки ♂:♀ р. Уса с. Елшанка 1:1,1 р. Уса с. Михайловка 1:1 р. Уса с. Гавриловка 1:1,1 р. Свияга с. Спешневка 1:2,0 р. Свияга с. Стоговка 1:2,0 р. Свияга с. Луговое 1:4,4 р. Свияга г. Ульяновск 1:2,3 р. Свияга с. Лаишевка 1:1,5 По данным литературных источников (Большаков, Кубанцев, 1984; Пескова, 2002), уменьшение числа самок приносит популяции только вред, так как ведет за собой снижение ее репродуктивного потенциала и обеднение ее генетической структуры. По поводу дефицита самцов в литературе существует интересная точка зрения, согласно которой потеря самцов под влиянием неблагоприятных факторов в определенной степени полезна, так как при этом репродуктивные возможности популяции не страдают или страдают в гораздо меньшей мере, чем при потере самок. В то же время происходит отбор генотипов, стойких к неблагоприятным факторам. Таким образом, обеспечивается микроэволюционный процесс (Пескова, 2002). Половая структура популяций озерной лягушки может быть использована как маркер загрязнения, который позволяет быстро, надежно, не изымая животных из популяций, проводить биоиндикацию водотоков. ^ 3.2.3. Фенетическая структура популяций Генетическая гетерогенность природных популяций проявляется во внутрипопуляционном полиморфизме. У ряда видов лягушек рода Rana встречается так называемая морфа «striata», фенотипически проявляющаяся в виде светлой дорсомедиальной полосы, и морфа «maculata» - пятнистая особь (Щупак, 1977). Известно, что у многих видов амфибий в популяциях, наиболее подверженных антропогенному воздействию, возрастает доля морфы striata (Топоркова, 1978, 1985; Вершинин, 1987 б, 1990 а; Гоголева, 1989; Колякин, 1993; Жукова, Кубанцев, 1976; Щупак, Ищенко, 1981). Название и детальное описание этой морфы приведено Е. Шрейбером (Schreiber, 1912). Анализ генетической природы признака свидетельствует о том, что это моногенный мутант. Доминантный аллель диаллельного аутосомного гена – striata определяет наличие полосы (доминирование полное). Такой вариант наследования установлен для R. arvalis L. (Щупак, 1977) и R. rididunda Pall. Таким образом, striata является хорошим фенетическим маркером, с помощью которого можно изучать фенотипические проявления изменений генетической структуры популяции. По результатам наших исследований, в загрязненном водотоке р. Свияга встречаемость морфы striata была достоверно выше, чем в экологически чистом водотоке (p Таблица 3 Частота встречаемости морфы striata в популяциях ^ R. ridibunda Pall. Район исследований n ^ Доля морфы striata (%) Половое соотношение внутри морфы striata (%) ♀ ♂ р. Уса с. Елшанка 68 33,8 47,8 52,2 р. Уса с. Михайловка 60 38,3 52,2 47,8 р. Уса с. Гавриловка 72 38,9 53,6 46,4 р. Свияга с. Спешневка 88 52,3 82,6 17,4 р. Свияга с. Стоговка 58 77,6 62,2 37,8 р. Свияга с. Луговое 71 80,3 84,2 15,8 р. Свияга г. Ульяновск 59 64,4 68,4 31,6 р. Свияга с. Лаишевка 64 56,3 52,8 47,2 Встречаемость морфы striata наиболее высока среди ^ R. rudibunda Pall. р. Свияга около с. Луговое – 80,3 %, с. Стоговка – 77,6 %, г. Ульяновка – 64,4 % (табл. 3). Учитывая влияние неизбирательной элиминации на генетическую структуру популяции (Шварц, 1969, 1980), а также ряд особенностей морфы striata, можно сделать вывод о том, что высокая встречаемость данного фенотипа в загрязненном водотоке Ульяновской области обусловлена рядом преимуществ, которые он получает в этих условиях. Для морфы striata характерен более высокий уровень окислительно-восстановительных процессов, содержание гемоглобина, пониженная натриевая проницаемость и содержание ряда металлов при большей массе тела. Высокая встречаемость морфы striata у озёрной лягушки р. Свияга свидетельствует о направленных изменениях в генетической структуре исследуемых популяций в сторону преобладания особей с высоким уровнем обменных процессов. Изменение фенетической структуры популяций амфибий в загрязненном водотоке связано с разной адаптивной ценностью фенотипов, что проявляется в их избирательной смертности. Таким образом, соотношение фенотипов striata и maculata в популяциях озерной лягушки может служить удобным признаком для биоиндикации загрязнения.^ 3. 3. Морфологические и морфофизиологические изменения амфибий3.3.1. Морфологические показатели амфибий на фоне антропопрессии Размеры морфологических признаков формируются в значительной степени под влиянием окружающей среды, и средние величины многих признаков могут служить надежными маркерами происходящих негативных изменений в среде обитания лягушек. Обитание в загрязненных водотоках обычно связано с изменениями экстерьерных показателей амфибий (длины и массы тела). Результаты наших исследований выявили статистически достоверные различия по ряду морфометрических параметров. Мы исследовали средние значения длины тела, расстояния между барабанными перепонками, максимальные расстояния между основаниями нижних челюстей, расстояния от кончика морды до переднего края глаза, длину бедра, голени, 1-го пальца задней лапки, длину задней лапки и пяточного бугра у лягушек в экологически чистом водотоке (р. Уса) и в загрязненном (р. Свияга). Было показано, что в загрязненном водотоке амфибии меньше по размерам. Это может быть обусловлено накоплением токсических веществ в их организме, нарушениями метаболизма. Нельзя исключить, что это одна из форм адаптации к средовому стрессу. Полученные результаты позволяют нам сделать заключение, что средние значения исследованных параметров и коэффициенты вариации длины тела, расстояния от кончика морды до переднего края глаза, длины голени, как самцов, так и самок могут успешно использоваться в целях биоиндикации и оценке экологического неблагополучия. Для биоиндикации целесообразно использовать, как весь комплекс признаков (самцов и самок), так и отдельные наиболее информативные, поскольку с нарастанием концентрации тяжелых металлов в воде происходит достоверное изменение всех изученных признаков.^ 3.3.2. Использование индексов внутренних органов в биоиндикационныхисследованиях В соответствии с концепцией С.С. Шварца (1958, 1980) любое изменение условий жизни прямо или косвенно связано с изменением энергетического баланса организма, что неизбежно приводит к соответствующим морфофункциональным сдвигам. Мы исходили из предположения, что изменения химизма среды обитания (воды) создают средовой стресс для живых организмов, а токсическое действие тяжелых металлов является дополнительной нагрузкой и изменяет метаболизм. Выживание в неблагоприятных экологических условиях требует дополнительных энергетических затрат на детоксикацию, при этом происходит изменение морфофизиологических показателей. При исследовании морфофизиологических индексов было обнаружено достоверное превышение индекса сердца амфибий в загрязненном водотоке по сравнению с экологически чистым водотоком (р Действие загрязняющих факторов водной среды на организм амфибий приводит к мобилизации его защитных функций и ускорению обмена веществ, что в свою очередь обусловливает нагрузку на сердце и вызывает его морфофизиологические перестройки. Рис. 2. Индексы сердца самцов и самок в популяциях ^ R. rudibunda Pall. р. Уса и р. СвиягаПри анализе коэффициентов корреляции индексов сердца самцов была обнаружена связь средней силы между величиной индекса и содержанием свинца, кадмия, никеля и хрома в воде (r=0,70). Для самок была характерна сильная связь между величиной индекса сердца и уровнем кадмия (r=0,79), связь средней силы по отношению к содержанию свинца, никеля и хрома (r=0,75). Поэтому индекс сердца озерных лягушек может быть эффективно использован для биоиндикации экологического состояния водной среды обитания. Стандартным критерием экологического своеобразия популяции является индекс печени. Печень в организме амфибий играет большую роль по детоксикации вредных веществ. Известно, что масса печени изменяется преимущественно за счёт накопления или расходования жиров и углеводов (Ковылина, 1999). Запасов гликогена в печени достаточно лишь на короткий период переживания неблагоприятных условий. При более длительном периоде нагрузки начинаются расходоваться жиры. Снижение веса печени сигнализирует о длительном устойчивом воздействии внутренних или внешних неблагоприятных факторов на организм. Печени присуща сезонная изменчивость в связи со сменой характера питания, расходами энергетических запасов на размножение, но при сильном негативном воздействии снижение массы печени выходит за рамки обычной «нормы» (Шварц и др., 1968). Полученные результаты свидетельствуют, что у амфибий из загрязненного водотока индекс печени был достоверно ниже (р Было установлено наличие отрицательной связи средней силы (r=-0,60) между величиной индекса печени самцов и самок и содержанием в воде свинца, кадмия и хрома. По мере увеличения концентрации этих металлов в воде снижается индекс печени. Рис. 3. Индексы печени самцов и самок в популяциях ^ R. rudibunda Pall. р. Уса и р. Свияга Снижение индекса печени у лягушек, обитающих в загрязненных водотоках, скорее всего, связано с повышенными энергетическими затратами, ускоренным расходом гликогена и жиров. В условиях загрязнения восстановление пула гликогена и жиров в печени происходит гораздо медленнее. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование индекса печени для оценки экологического состояния водной среды. По данным литературных источников, индекс почек является индикатором уровня обмена веществ (Шварц и др., 1968). Определение индекса почек показало, что у амфибий загрязненного водотока он был достоверно выше (рис. 4). При анализе коэффициентов корреляции наблюдалась сильная связь между величиной индексов почек самцов и самок и содержанием свинца и хрома (r=0,80) и связь средней силы по отношению к содержанию никеля в воде (r=0,70). У самок и самцов наблюдалась сильная положительная связь индекса почек от содержания кадмия в водной среде (r=0,86; r=0,83 соответственно). Озерные лягушки из загрязненного водотока имеют меньшие размеры тела, чем амфибии из экологически чистого водотока, а индекс почек обратно пропорционален размерам тела. Высокие величины индексов почек свидетельствуют о возрастании роли данного органа в выведении продуктов метаболизма и токсических соединений. Это может рассматриваться как один из возможных механизмов адаптации к средовому стрессу. Рис. 4. Индексы почек самцов и самок ^ R. rudibunda Pall. р. Уса и р. СвиягаПо данным литературы, интенсификация функций органов и тканей под влиянием токсикантов способствует повышению резистентности и выведению ядов из организма (Мисюра, 1989). Нельзя исключить, что выявленные изменения морфофизиологических особенностей почек являются адаптивными приспособлениями и проявлением движущей формы отбора при обитании в загрязненном водотоке. Наши исследования показали, что индекс почек, как самцов, так и самок, может быть использован в качестве индикатора степени загрязнения водотока. Селезенка в организме амфибий выполняет функции детоксикации и кроветворения. У животных из загрязненного водотока наблюдалось достоверное снижение относительного веса селезёнки (р Анализ морфофизиологических особенностей селезенки у лягушек загрязненных местообитаний выявил ее высокую реактивность. В популяциях озерной лягушки на всех участках р. Свияга наблюдалось статистически достоверное снижение индекса селезенки (р Рис. 5. Величины индексов селезенки самцов и самок ^ R. rudibunda Pall. р. Уса и р. СвиягаСниженные индексы селезенки лягушек из загрязненного водотока скорее всего обусловлены угнетением кроветворения. Можно рекомендовать индекс селезенки амфибий как информативный показатель для биоиндикации водной среды. Сравнительные исследования общей упитанности амфибий в экологически чистом водотоке и в условиях загрязнения показали достоверное снижение этого показателя при повышенном содержании тяжелых металлов в воде (рис. 6). На фоне загрязнения, по данным литературных источников, отмечается истощение организма и снижение его массы (Метелев и др., 1971; Лукьяненко, 1983). Анализ коэффициента корреляции между упитанностью лягушек и содержанием тяжелых металлов в воде выявил отрицательную связь средней силы между этим показателем и содержанием свинца, кадмия и хрома в воде (r=-0,70). Эта тенденция была характерна для самцов и самок. Рис. 6. Упитанность самцов и самок ^ R. rudibunda Pall. р. Уса и р. СвиягаПо нашему мнению, снижение упитанности озерных лягушек может быть обусловлено преобладанием в популяции особей с высоким уровнем обмена веществ, способных на эффективное выведение из организма экотоксикантов или снижением количества пищевых объектов (насекомых и других беспозвоночных) на территории загрязненного водотока. Основываясь на концепции С.С. Шварца (1980) о том, что любые дополнительные энергетические затраты ведут к увеличению массы внутренних органов, мы пришли к заключению, что на всех этапах исследований мы наблюдали разные формы проявлений защитных функций организма, которые реализовывались через увеличение индексов сердца, почек и снижение индексов печени и селезёнки. Выявленные нами тенденции подтверждают концепцию С.С. Шварца (1980) о дополнительной «энергетической плате» организма в условиях хронического средового стресса. Полученные нами результаты хорошо согласуются с данными литературных источников, утверждающих, что в условиях средового стресса адаптивную ценность приобретают перестройки организма, направленные на повышение уровня метаболизма. Это эволюционно отработанный механизм повышения жизнеспособности в ходе преадаптации к неблагоприятным условиям (Моисеенко, 2000). Увеличение массы внутренних органов позволяет организму выдерживать напряжённый энергетический баланс при дополнительных энергетических затратах на детоксикацию. Поэтому все исследованные индексы внутренних органов и упитанность организма могут быть эффективно использованы для биоиндикации экологического состояния водной среды обитания.^ Тератогенез популяции В условиях средового стресса изменяется разнообразие типов аномалий и общая частота аберраций (Flax, Borkin, 1997; Вершинин, 1990; Замалетдинов, 2000), поэтому разнообразие и частота аномалий может служить показателем степени трансформации природной среды. В результате проведенных исследований были обнаружены 12 типов морфологических отклонений (по Руцкому, Шведу, 1991; Максимову и др., 2001; Lada, 1999; Замалетдинов, 2003; Файзулин, 2004) с модификациями: эктромелия, полидактилия, эктродактилия, брахидактилия, клинодактилия, гиперплазия, увеличение размеров рудимента, удлиненный палец, циклопия, аномалии зрачка, левосторонний сколиоз, недоразвитие предплечия. Характеристика общей частоты морфологических аномалий представлена на рис. 7. Рис.7. Частота встречаемости фенодевиантов в популяциях R. ridibunda Pall. р. Уса и р. СвиягаНаиболее высокая частота аномалий отмечена в популяциях озерной лягушки, обитающих в р. Свияга. В этих популяциях были обнаружены особи с заболеванием «красных ног», которое вызывается микроорганизмами Aeromonas hydrophyla (Carey, 1992; Crawshaw, 1992). Данное заболевание возникает как следствие иммунодепрессии на фоне понижения температуры тела. Эти микроорганизмы атакуют особей с пониженным иммунитетом и резко снижают их выживаемость. В качестве критериев типового разнообразия аномалий мы использовали показатель внутрипопуляционного разнообразия μ и долю редких фенотипов h, рекомендованную Л.А. Животовским (1982). Значение параметров разнообразия и доли редких типов аномалий в районах исследования представлены в таблице 4. Представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что типовое разнообразие аномалий максимально в р. Свияга, около с. Спешневка, в зоне г. Ульяновска, около с. Стоговка, Лаишевка, с. Луговое и минимально в р. Уса. При анализе коэффициентов корреляции среднего числа типов аномалий (μ) была выявлена сильная связь данного параметра с содержанием кадмия (r=0,75) и связь средней силы с содержанием свинца, никеля и хрома в воде (r=0,60), то есть при увеличении концентрации тяжелых металлов в воде происходит увеличение типового разнообразия аномалий у озерных лягушек. Таблица 4 Показатели внутрипопуляционного разнообразия морфологических аномалий Популяция Численность, N Среднее число типов, μ±Sμ Доля редких фенотипов, h±Sh р.