Популяция в условиях техногенного стресса Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Л.В. Частоколенко, Л.М. Бондарь

ПОПУЛЯЦИЯ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО СТРЕССА

Обсуждаются материалы 10-летних исследований некоторых популяций растений, обитающих в районах активной промышленной эксплуатации, и адекватность тенденций общей формодинамики популяций и адаптации к техногенным нагрузкам в пространстве и времени.

Техногенная эволюция поставила ученых перед необходимостью вычленить антропогенный фактор, оценить его влияние на жизненные формы всех уровней и наметить стратегию формирования относительно гармоничного отношения технического прогресса и сохранения жизненной среды самого человека. Мониторинг как методология экологических исследований сложился стихийно из естественной потребности выявить закономерности проявлений адаптационных и микроэволюционных возможностей наземных и водных сообществ и их возможности приспособиться к колебаниям климатических, а теперь и антропогенных условий.

Генетическая программа жизненных форм на нашей планете иногда проявляет поразительную устойчивость к самым экстремальным ситуациям, что позволило, например, начать новый виток эволюции после катастрофы, приведшей к гибели динозавров. С другой стороны, генетическая программа самих динозавров, наиболее совершенных существ того времени, не имела возможности ни дать новую эволюционную ветвь, ни приспособиться к изменившимся условиям, их путь - обвальная деградация и гибель. Человечество - не динозавры, адаптационные возможности его колоссальны, он активно меняет среду, приспосабливая ее к своим потребностям. Однако именно здесь таятся как минимум две опасности: сам человек и его генетическая программа практически не меняются (т.е. надежды на эволюцию, похоже, у нас нет), и человек не осознает всех глубинных последствий активной трансформации среды как для самой среды, так и для человека как части этой самой среды. Иногда создается ощущение, что у человека утрачено чувство опасности на видовом уровне. Постоянно идет жесточайшая борьба внутри вида, уничтожаются народы, цивилизации. На уровне крупных социальных образований - государств -утрачено чувство естественной принадлежности человека к среде обитания, отсутствует чувство органической зависимости от этой среды.

Наш опыт мониторинга относится к территории, подверженной сильному техногенному давлению, - это районы, прилежащие к промышленному комплексу Сибирского химического комбината, вплотную примыкающие к ним территории Томского нефтехимического комбината и зоны активно действующего агропромышленного комплекса.

Сибирский химический комбинат работает с 1953 г., в его составе предприятия, имеющие многокомпонентные химические и радиоактивные отходы и выбросы, на его счету десятки аварий с радиоактивными «следами». Анализ данных, учитывающих состояние наземных и водных животных, состояние зоопланктона и бентосного сообщества, исследование на уровне популяций и цитогенетических показателей свидетельствуют, что территория СХК и Северного

промузла г. Томска находятся под сильным техногенным давлением. Можно с уверенностью сказать, что многолетняя деятельность СХК сказалась на состоянии биоты на всех уровнях: от ландшафтного до молекулярного. На живые объекты и человека здесь оказывает влияние сложная химическая смесь с радиоактивной компонентой [1, 2].

Наиболее чувствительными к таким воздействиям являются системы воспроизводства: половые клетки и ранние стадии эмбриогенеза. В течение всего периода проведения мониторинга отмечено увеличение стерильности пыльцы и числа эмбриональных леталей у растений [3, 4]. У разных видов животных выявлены патологии половых органов и отмечены массовые тератологические отклонения у эмбрионов наземных животных и рыб [5-9].

В задачу наших исследований входили цитогенетическое и феногенетическое изучение популяций некоторых видов растений, таких как горошек мышиный, клевер красный и белый, кипрей, некоторых злаков как на территории СХК, так и в пределах 30-километровой зоны. Как утверждал Н.В. Тимофеев-Ресовский [5], популяция - это один из видов элементарных структур, представляющий определенную степень организации живой материи на Земле. Кроме того, популяция является еще и элементарной единицей эволюции живой материи и единицей реагирования вида на экологические ситуации, происходящие в ареале обитания. Полученные данные свидетельствуют, что в ряде случаев мы наблюдаем разную степень деградации популяций, в некоторые годы отмечаем усиление адаптивных восстановительных процессов. Необходимо учесть, что мы нередко имеем дело как минимум с 45-47-м поколением организмов, которые живут в условиях техногенного стресса, и скрытые генетические патологии, которые в первом-втором поколениях могут проявляться как клеточные и хромосомные аномалии, здесь уже приводят к серьезным популяционно-генетическим последствиям.

Анализ конкретного материала, полученного в районах с различными техногенными воздействиями, позволяет говорить о сложной системе сочетанного воздействия на объекты живой материи, наблюдающейся здесь. Имеются свидетельства того, что действие слабых доз радиации по-разному отражается на ослабленных и здоровых представителях популяции. Сейчас уже ясно, что дозовые зависимости, полученные в лабораторных условиях на здоровых животных, увы, не годятся для реальных природных комплексов.

За период работы в зоне влияния СХК (19922001 гг.) нами было обследовано около 120 точек. Ряд точек представлял собой районы постоянного ежегодного наблюдения, в других точках проводили сбор материала по скользящему графику. Для получения балльной оценки (1 балл - минимальные отклонения,

5 баллов - максимальные) использовали около 15 феногенетических показателей, в основном относящихся к системе семенного воспроизводства и к патологиям, возможно связанным с нарушением генетической программы [1]. В данной работе мы проследили за изменением картины проявления патологических процессов в исследуемых популяциях, так и восстановительных адаптационных явления (табл. 1, 2).

Устойчиво сохраняется высокий уровень патологий на участках, где лег след от аварии 1993 г., это варианты 21-26. Хотя в отдельные годы наблюдается некоторое улучшение общего состояния популяций, к примеру, появляется семенное воспроизводство, снижается стерильность. Но восстановление загрязненных районов - это сложный динамический процесс и во времени, и территориально, он связан и с сезонными гидрологическими явлениями, и с ветровыми потоками, и с деятельностью человека. Так, в пойме р. Поперечки, теперь пересыхающей летом, мы из года в год регистрируем достаточно высокий уровень патологий, скорее всего связанный с какими-то предшествующими сбросами токсичных или радиоактивных веществ в русло этой речки. Популяции в стороне от поймы (300-500 м) практически не имеют никаких отклонений, что косвенно свидетельствует о том, что здесь не было сильного аэрозольного загрязнения. Сильно загрязнены отдельные участки вблизи д. Кузовлево, хотя идентифицировать загрязнитель здесь вообще невозможно, т.к. этот район находится под влиянием близко расположенных заводов, Сибирского химического комбината, нефтехимического, предприятий г. Томска и агрохозяйств (табл. 2-4).

Итоговые результаты по всем показателям и видам показывают высокую видоспецифичность по чувствительности к экологическим стрессам. Наибольшую реакцию проявляют растения горошка мышиного, для которого в четырех точках отмечен высокий балл патологий (Поперечка II, водохранилище № 1, Виленка и след аварии от Томска), в девяти точках - 3 балла и в остальных - 1-2 балла, и клевера красного (Кантес, Поперечка). Для других растений оценки в 4 балла нет, а 3 балла имеют только по одной точке и только в районе водохранилища № 1, все растения имеют высокую патологию.

Интересная картина получается при анализе семенной продуктивности (табл. 5).

В ряде точек мы отмечаем высокую закладку семян и очень небольшой процент их гибели в процессе развития, в результате чего у этих растений проявляется высокая семенная продуктивность (Конинино, Коларо-во, Штамово, Березкино, Губино). В других точках, напротив, и закладка слабая, и фертильность низкая из-за высокого процента эмбриональных леталей (Поперечка 1, Камышка у моста, объект № 15). В третьих, закладывается большое число семяпочек, но полноценных семян из них развивается очень мало. И, наконец, в четвертой группе при низкой закладке семяпочек число эмбриональных леталей невелико и в итоге семенная продуктивность у этих растений оказывается на среднем уровне. В одной точке (след аварии 1993 г. от Томска) семян у растений вообще нет. Очень слабое развитие генеративных органов и имеющаяся высокая стерильность не позволили развиться полноценным семенам.

Т а б л и ц а 1

Типы отклонений у горошка мышиного

Место сбора Морфологические отклонения Типы стерильности

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Городской парк + +

ПоперечкаI + + + + +

Поперечка II + + + + +

Водохранилище I + + + + + +

Копылово I + + + + +

Петропавловка + + + +

Виленка + + + +

Кузовлево II + + + +

Объект № 15 + + + + + + + +

Камышка у моста + + +

Устье Самуськи + + +

Конинино + + +

Штамово + + + +

Поросино + + + + + + + + +

Перед Г еоргиевкой + + +

Кантес + + + +

След от Томска + + + + + + + + +

Середина следа + + + +

Таловка + + + +

Берёзкино + + + +

Покровка + + + +

2-й переезд + + +

Губино + + + + + +

ДОК + + + +

Коларово

Устье Камышки

Примечание. 1 - карликовые формы, 2 - компактные, 3 - с головчатыми кистями, 4 - с асинхронным развитием, 5 - растения со стерильными верхушками, 6 - наличие стерильных кистей, 7 - выпадение бутонов, 8 - выпадение кистей, 9 - полная стерильность растений, 10 - вегетативные клоны.

Оценка состояния популяций растений горошка мышиного в 30-километровой зоне СХК, балл

Точки сбора 1992 г. 1993 г. 1994 г. 1995 г. 1996 г. 1997 г. 1998 г. 1999 г. 2001 г.

Г ородской парк 2 2 1 1 - 2 1 - 3

Больничный городок 1 4 5 4 5 - 4 - 2 -

Поперечка 4 5 3 3 3 4 3 - 3

ТНХК 4 4 4 - 3 - - 1 -

Водохранилице № 1 3 3 2 - - 3 4 - -

Копылово 3 3 2 - 1 3 3 3 -

Петропавловка - 2 3 - - 3 3 - -

Протока Чернильщиковская 4 4 3 - - 4 - - 2

Виленка - 3 4 2 2 2 4 4 -

Кузовлево 5 5 5 - 5 4 2 - 3

Объект № 15 2 4 5 - - 3 3 - 2

Устье р. Ромашка 4 5 - - 5 - - - 4

Конинино - 1 - - 1 1 1 1 1

Штамово - - 2 - 2 2 2 2 3

Басандайка - 1 1 1 1 1 1 - -

Перед п. Г еоргиевка - 3 4 4 4 2 2 4 4

Кантес - 3 4 5 5 3 3 4 -

След от Томска - 4 5 - - - 4 4 -

Середина следа - 4 5 4 4 3 3 3 4

Таловка - - 2 2 4 2 2 3 4

Покровка - - 1 1 1 1 1 - 1

Т а б л и ц а 3

Оценка популяций некоторых видов растений, балл

Место сбора Горошек Клевер кр. Клевер бел. Кипрей Злаки

Городской парк 1 1 1 - 1

Поперечка I 3 1 - 1 2

Поперечка II 4 1 - 1 1

Водохранилище I 4 2 3 3 -

Копылово I 3 1 1 2 2

Петропавловка 3 2 - 2 1

Виленка 4; 4* 1; 3* -; 1* _■ 2* 1; *

Кузовлево II 2 1 1 - 2

Объект № 15 3 1 - 2 1

Камышка у моста 2 2 - 1 1

Устье Самуськов 3 - - - 2

Конинино 1; 1* 1; 0* 1; 1* -; -* 1; 1*

Штамово 2; 2* 1; 1* -; 1* -; -* 1; 1*

Поросино 3 1 1 - 1

Перед Георгиевкой 2; 4* 2; 3* 1; -* 1; 4* 1; 1*

Кантес 3; 4* 2; 1* 1; 2* 1; 2* 1; 1*

След от Томска 4; 4* 2; 1* 1; -* 2; 3* 1; 1*

Середина следа 3; 3* 1; 1* -; 1* 1; 3* 2; 3*

Таловка 2; 3* 1; 1* 1; -* 1; 1* 1; 2*

Берёзкино 1 1 1 1 1

Покровка 2 1 1 1 1

2-й переезд 1 1 0 1 1

Губино 1 3 1 1 2 1

ДОК 2 3 1 2 2

Коларово 1 1 1 1 1

Устье Камышки 1 1 1 - 1

Примечание. Звездочками помечены данные, полученные в 1998 и 1999 гг.

Т а б л и ц а 4

Биоиндикационные показатели экологического состояния популяций в некоторых точках наблюдения, балл

Точки Популяции Год наблюдения

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999

Город. парк Клевера красн. 2 1 1 1 1 1 -

Злаков 2 2 2 2 2 1 -

Г орошка мыш. 1 1 1 1 1 1 -

Поперечка Клевера красн. 4 2 3 - 1 1 -

Злаков 2 2 2 - 2 1 -

Г орошка мыш. 4 3 2 - 3 2 -

Кантес Клевера красн. 5 5 5 4 4 2 1

Злаков 3 5 4 4 2 1 1

Г орошка мыш. 2 4 5 5 4 3 2

Середина следа Клевера красн. 2 3 2 1 1 1 1

Злаков 1 2 3 2 2 1 2

Г орошка мыш. 4 5 4 4 3 3 2

Характеристика плодов горошка мышиного, 1998 г.

Место сбора Всего семян в стручке Число нормальных семян Размах варьирования Нормальных семян, % Эмбриональных леталей,%

Семян в стручке Нормальных семян

Городской парк 3,7 2,8 1-6 0-4 75,7 24,3

Поперечка I 3,0 1,5 0-4 0-5 50,0 50,0

Поперечка II 4,4 2,2 0-4 1-4 50,0 50,0

Водохранилище 3,5 1,9 0-4 0-4 53,6 46,4

Копылово I 4,4 2,6 0-5 1-4 59,1 40,9

Петропавловка 4,2 2,0 0-5 0-4 47,6 52,4

Виленка 4,5 2,1 1-4 0-4 46,7 53,3

Кузовлево II 5,5 2,7 1 -6 0-7 49,1 50,9

Объект № 15 4,1 1,9 0-4 0-5 46,3 53,7

Камышка у моста 3,4 1,7 0-5 0-4 50,0 50,0

Устье Самуськи 4,0 2,3 1-5 1-3 57,5 42,5

Конинино 5,3 4,5 2-7 0-4 84,9 15,1

Штамово 5,2 2,9 1-5 1-4 55,8 44,2

Поросино 5,4 3,2 1-6 0-4 59,3 40,7

Перед Георгиевкой 5,3 2,5 1-4 1-5 47,2 52,8

Кантес 4,6 2,0 0-4 1-4 43,5 56,5

След от Томска Семян нет

Середина следа 6,1 2,2 0-5 3-5 36,1 63,9

Таловка 5,5 2,9 1-5 0-4 52,7 47,3

Берёзкино 4,3 2,6 1-6 0-3 60,5 39,5

Покровка 3,7 2,2 1-4 0-3 59,5 40,5

Губино 1 4,7 2,7 1-6 0-4 57,4 42,6

ДОК 3,6 2,7 1-6 1-3 75,0 25,0

Коларово 4,2 3,1 1-5 0-3 72,5 27,5

Устье Камышки 3,4 1,8 0-5 0-4 52,5 47,5

Анализ всего объема информации, полученной почти за 10 лет работы в данном районе, свидетельствует о неоднородной экологической ситуации, связанной с близостью активных промышленных зон. Особое место, естественно, занимают точки следа аварии 1993 г., где хорошо отслеживаются реакции популяции изучаемых видов - от деградации с высоким уровнем стерильности растений до начальных восстановительных процессов через несколько лет.

Наши данные подтверждают наличие видовой специфичности растений по выживаемости в экстремальных экологических условиях, хотя высокий уровень поражаемости растений насекомыми, грибками и виру-

сами свидетельствует об ослаблении иммунитета у всех изучаемых видов. А это приводит к гибели менее всего адаптированные виды и особи уже не столько от самой повышенной радиации, даже в случае аварийных выбросов, а скорее уже от болезней, в результате их низкой устойчивости. Высокая стерильность подчас сводит «усилия» ослабленной популяции выжить к минимуму. Изменчивость, которую мы здесь наблюдаем, это изменчивость формы реализации информационной матрицы генома, т.е. проявление функциональных особенностей популяции, направленных на активизацию адаптивных реакций, и едва ли способна привести к появлению новых таксонов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Экологическая оценка территорий ЗАТО Северск и 30-километровой зоны СХК: Матер. науч.-практич. экол. конф. Томск: Изд-во ТГУ, 2000. 162 с.

2. Экология Северного промышленного узла г. Томска. Проблемы и решения. Томск, 1994. С. 238.

3. Частоколенко Л.В., Бондарь Л.М. Популяционно-генетическая формодинамика растений в условиях техногенного стресса: Матер. между-

нар. конф. «Экология и рациональное природопользование на рубеже веков». Итоги и перспективы. Томск, 2000. С. 211-213.

4. Бондарь Л.М., Частоколенко Л.В. Цитогенетический подход к оценке популяции растений при экологическом мониторинге // После холод-

ной войны: разоружение, конверсия и безопасность: Сб. докл. II Междунар. радиоэкол. конф. Красноярск, 1995. С. 173-178.

5. Юракова Т.В. Состояние рыбного сообщества в водоемах санитарной зоны города Томск-7 // После холодной войны: разоружение, конвер-

сия и безопасность: Сб. докл. II Междунар. радиоэкол. конф. Красноярск, 1995. С. 185-188.

6. Kuranova V.N. Some Anthropogenic Influences on Amphibian Populations in West Siberia // Amphibian Populations in the Common Wealth of Inde-

pendent States: Current Status and Declines. M.: Pen Soft, 1995. Р. 99-102.

7. Совельев С.В., Москвитина Н.С., Куранов Б.Д., Куранова В.Н. Нарушение эмбриогенеза в природных популяциях позвоночных как индика-

тор состояния среды обитания человека // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Матер. Междунар. кон-фер. посвящ. 100-летию со дня открытия явления радиоактивности и столетию ТПУ. Томск: Изд-во ТПУ, 1996. С. 387-388.

8. Дмитриева Н.Г. Мелкие млекопитающие Северной промзоны // Экология промышленного города. Томск, 1992. С. 51-56.

9. Куранова В.Н. Биоиндикационные показатели амфибий // Экология промышленного города. Томск, 1992. С. 48-51.

Статья поступила в редакцию журнала 4 декабря 2006 г., принята к печати 11 декабря 2006 г.