Глава 1. Теоретико-методологические подходы к влиянию экологического состояния окружающей среды и тяжелых металлов на качество опушения шкурок соболя
1.1 Эколого-биологическая роль тяжелых металлов на покровы животных
Долгое время изучения по микроэлементам, включительно увесистые металлы, носили схематическую установку и сближались в ключевом накоплению практического материала об их значении в жизни человека, животных и растений. Сильный всплеск в изучении роли в живой естественной среде был дан в конце XIX века В.И. Вернадским, который начал переосмысливать и развивать мысль Кювье о пронизывающих все живое, привлекающих химические элементы в биогенную миграцию. Это до сих пор располагает место у простейших, обитающих в водной среде. У высокоорганизованных животных эволюционно сложился выдающийся инструмент резорбции и транспорта МЭ. В его изучениях впервые была научно аргументированы взаимоотношения органической и неорганической природы, что дало ученым ключ к решению целого ряда общебиологических вопросов. А.П. Виноградов (1960) определил на этом основании принцип видовой детерминированности элементного состава организмов, а В.В. Ковальский и J.M. Wood рассматривали это как важный фактор эволюции. Опираясь на эти идеи, А.П. Авцин, A.A. Жаворонков и Л.М. Михалева (1989) сделали вывод о том, что элементный состав живых организмов является химическим отображением их гомеостаза и определяется тремя взаимосвязанными процессами: селективным поглощением, селективным накоплением и избирательной элиминацией. Вдобавок установка протекания этих процессов зависит как от экологической ситуации, так и от генетически запрограммированного для предоставленного вида типа метаболизма. В последствии, эти ученые рекомендовали концепцию о единой для всех живых организмов биологической системе микроэлементного гомеостаза (БиСиМЭГ) и концепцию микроэлементозов с их общей эпидемиологической систематизацией (1993). Сообразно последней, была изолированна и определена как микроэлементозы значительная часть заболеваний и синдромов, в этиологии которых большая значимость играет недостаток сенциальных или избыток как эссенциальных, так и токсичных МЭ, а также их дисбаланс, включая нарушение пропорций между микро- и макроэлементами. Прочим действенным фактором, содействовавшим прогрессу в области изучения МЭ, явилось совершенствование методов количественного химического разбора и возможностей изучения метаболизма и его регуляции на молекулярном уровне.
В 1975 г. А.И. Венчиков испытательно определил продвижение энергичности ферментов, обеспечивающих реализацию окислительно-восстановительных реакций, биотическими дозами МЭ. Эти процессы сопровождались вдобавок повышением употребления кислорода тканями биоорганизма. Разом активизировались системы неспецифической резистентности и иммунитета: усиливались фагоцитоз, синтез антител и дезинтоксикационные процессы, повышались концентрация альбуминов и альбуминово-глобулиновый коэффициент и т. д. На этих феноменах основным образом и основано применение МЭ в практической медицине.
МЭ выполняют значительную регуляторную функцию, прибывая эффекторами генной экспрессии и стабилизаторами структуры нуклеиновых кислот и нук-леопротеидов. Содержание некоторых металлов-микроэлементов в нуклеопротеидах во много раз превосходит их концентрацию в органах и тканях.
Ветеринарными акушерами было установлено, что благоприятная гео-химическая положение биогеоценозов (БГЦ) способствует увеличению про-дуктивных и репродуктивных показателей животных. Но дисбаланс макро- и микроэлементов может повергнуть к бесплодию, как у самцов, так и у самок, или вызвать аномалии развития у приплода (Ахмедеев А.Н., Преображенский О.Н., 1986).
В мире идет поиск биоиндикаторов, активно аккумулирующих экотоксиканты и позволяющих объективно оценивать экологическую обстановку.
В результате геохимической миграции токсические элементы встрчеются в трофической цепи, что, в конечном итоге, отрицательно сказывается на состоянии здоровья. В.В.Ковальским (1957) показано, что изменение модифицирование лиминальных микроэлементов в почвах и кормах напрямую или косвенно связано с наблюдаемыми биологическими реакциями животных. Посреди природоохранных факторов, обусловливающих физиологическую неоднородность популяций, значительная роль принадлежит биогеохимическим условиям среды (Вернадский В.И., 1940; Виноградов А.П., 1938, 1960; Евстафьева Е.В., 1999; Карпова Е.А., 2002).
Ухудшенная биогеохимическая обстановка природного, а также техногенного генезиса волочит за собой экологические проблемы, требующие оперативного вмешательства. Диапазон природоохранных влияний на молекулярном, тканевом, клеточном и системном уровнях во многом зависит от концентрации и длительности экспозиции токсического вещества, комбинации его с другими факторами, предшествующего состояния здоровья и иммунологической реактивности организма. Большое значение имеет генетически объясненная значительностью к влиянию тех или иных ксенобиотиков.
В последние годы возникло внушительное обилие исследований посвященных биомониторингу ТМ (Никаноров A.M., Жулидов А.В., 1991; Caroli S., Senofonte 0., Violante N., 1992; Elinder C., Friberg L. et al. 1994; Скальный A.B., Есенин A.B., 1996; Тютиков С.Ф., Карпова Е.А., Ермаков В.В., 1996-2000).
Поставлены взаимосвязанные подчиненности между увеличенным содержанием ряда ТМ в объектах ОПС, пищевых продуктах и их уровнем в биологических кругах животных, что позволяет использовать их в свойстве биоиндикаторов (Барбье М., 1978; Шарыгин С.А., Павлова JI.H., 1989; Шалмина Г.Г., Новоселов Я.Б., 2002).
Установление ТМ в крови и моче уже давно употребляется многими специалистами. Исследование микроэлементного статуса волоса, костной ткани, ткани, зубной эмали, ногтей, слезы и экспирата только сейчас входят в научную и медицинскую практику. В качестве биоиндикатора, отражающего региональные биогеохимические особенности, предполагается пользоваться микроэлементный состав опушения соболя.
Рисунок.1.Структура волоса и внешний вид
Подбор нами волоса в черте объекта изучения основывался, прежде всего, на особенностях его структуры метаболизма. Волосинки складывается из двух частей - постоянной и временной. Систематическая часть - это волосяной фолликул, который производит волос, а временная часть - это собственно волос. Рост волоса происходит за счет размножения клеток нижней части фолликула - волосяной луковицы. К волосяной луковице подходят кровеносные сосуды, питающие ее клетки.
Имеющиеся данные показывают, что содержание микроэлементов в волосе является интегральным показателем минерального обмена и отражает микроэлементный статус организма в целом. Эффективность использования волоса в эколого-токсикологическом анализе доказана результатами между-народных координированных программ, выполненных под эгидой Междуна-родного агентства по атомной энергии (Маленченко А.Ф. и др., 1997). Во многих отношениях волос является благоприятным материалом для такого рода исследований и имеет ряд преимуществ:
- проба может быть получена без травмирования объекта,
- для хранения материала не требуется специального оборудования (во-лосы не портятся и сохраняются без ограничения во времени).
Очень перспективным является использование проб волос как архивного материала в историческом биомониторинге, что при постоянном совер-шенствовании аналитической базы открывает новые возможности для этого вида контроля уровня элементов в организмах разных видов, в том числе и как одного из критериев оценки степени загрязнения ОПС.
Сотрудниками Международного центра биотической медицины (Моск¬ва) под руководством A.B.Скального совместно с Ивановской и Нижегородской медицинскими академиями, Саратовским НИИ сельской гигиены, Но-восибирским НИИ гигиены и другими научными и медицинскими учрежде-ниями проведены массовые обследования детей в промышленных городах, где выявлены особенности распространенности микроэлементозов в зависимости от характера и интенсивности загрязнения атмосферного воздуха токсичными ТМ. Так, например, по данным М.Ф. Савченкова, Л.А. Решетник и О.В. Лященко (2000), вследствие применения на Черемховском угольном бассейне открытого способа добычи угля наблюдается превышение ПДК в воздухе, воде и почве таких элементов, как Al, Pb, Zn, Qu, As, В, Ni, Ве, Sn, Y, Cr, V, поступающих в окружающую среду с пылью из отвалов и хвостохранилищ, а также из-за несовершенства способов сжигания угля. Вместе с тем поверхностные воды, используемые населением (бассейн Ангары), отличаются низкой минерализацией и дефицитом эссенциальных элементов, а почвы бедны соединениями I, Se, F, Zn? Mn, Со, Си. У детей, проживающих в районе угледобычи, концентрация комплекса эссенциальных макро- и микроэлементов в волосе не достигает физиологического уровня: кальция понижена в среднем в 1,6 раза у 48%, кобальта - в 2,7 раза у 40%, хрома - в 3,3 раза у 23%, цинка - в 1,4 раза у 29 %. В то же время в волосе черемховских детей зафиксирована повышенная аккумуляция таких микроэлементов, как Al, V, Fe, Cd, К, Си, Na, Pb, Ti. Для оценки макро- и микроэлементного статуса биосубстратов принципиальное значение имеют «нормативные» концентрации. Их величины по многим элементам у разных авторов существенно различаются (Сусликов В.Л., 1999, 2000; Скальный А.В., 2000; Решетник JI.A., 2000). Основными причинами, по мнению ряда ученых, являются различия в методах количественного химического анализа и статистической обработки полученных данных, а также. Объективные критерии оценки обеспеченности живых организмов микроэлементами, включая биогенные ТМ, в настоящее время только начинают разрабатываться.
Zn обнаружен во всех органах и тканях млекопитающих, но наиболее богаты им скелетные мышц. Выходу Zn из его тканевых депо способствуют глюкокортикоиды.
Содержание цинка в организме зависит от его содержании в кормах, сезона, возраста и физиологического состояния животного. Богаты цинком печень, почки, мышцы, поджелудочная, щито-видная и молочная железы, гонады, лимфатические узлы, гипофиз. Самые высокие концентрация Zn в организме обнаружены в волосе, костной ткани, сперме и сетчатке глаза, где имеется цинксодержащий фермент ретин- редуктаза.
Э.В. Ивантер, Н.В. Медведев и H.A. Паничев (1990 - 1998), исследуя органы и ткани ладожской нерпы на содержание ТМ, установили, что максимальное количество Zn содержится в волосе - 323,84 ± 59,00 мг/кг. Уровень Zn в печени и мышцах был почти в 9 раз ниже, в наибольшей степени концентрировался в мышцах (20,0 мг/кг).
Содержание цинка в опушении соболя характеризуется нормальным рас-пределением (рис. 2). Фактическое значение критерия Колмогорова - Смир-нова X = 0,004, тогда как теоретическое kst = {1,95 - 1,63 - 1,36}.
Содержание 2х\
Рис. 2 . Распределение у соболя по концентрации Ъп в волосе.
Исследуя уровень Zn в печени плодов новорожденных крысят, А.И. Войнар и др. (1960) установили, что он достигает максимума (около 250 мг/кг) к моменту рождения, что позволяет удовлетворить потребности в цин¬ке растущего организма. В период молочного кормления концентрация Zn снижается вдвое, до 127 мг/кг, так как в молоке этого элемента недостаточно, а затем стабилизируется на уровне 74 ... 78 мг/кг.
У взрослых и старых животных содержание Zn значительно выше, чем у молодых. Так, уровень Zn в теле взрослой морской свинки 56 мг/кг - в 2,4 раза выше, чем у молодой.
С.Л. Давыдова и В.И. Тагасов считают, что около 80% цинка крови содержится в эритроцитах. Zn участвует в фиксации и связывании СО2, синтезе ферментов и активации гормонов. Например, половые гормоны фолликулин и пролактин активизируются цинком, поэтому при его дефиците нарушаются репродуктивные функции.
Большей частью Zn не усвоенный организмом и экскретированный с соком поджелудочной железы выделяется с фекалиями. Методом радиоактивных изотопов установлены количественные показатели выделения 65Zn с мочой и фекалиями. Так, при пероральном поступлении радиоактивного 65Zn с мочой выделялось 0,3%, а при внутривенном введении - 0,5%. С фекалиями же в обоих случаях выделялось 20% 65Zn. При посталкогольном циррозе печени и нефрозе выделение Zn с мочой возрастает в 10 и более раз. Повышение концентрации Zn в моче отмечено также при введении в организм цинксвязывающих комплексонов. При кровотечениях Zn выводится из организма с форменными элемен-тами крови и продуктами распада белков мышечной ткани.
В организме взрослого животного среднее содержание Cu - 1,4 ... 2,1 мг/кг. В теле животного ее концентрация может быть в 2 - 3 раза выше. В органах с высоким уровнем метаболизма: печени, мозге, сердце, желудке, кишечнике и надпочечниках Си аккумулируется больше. Так как желчный пузырь и желчь выступают в качестве основного пути для выведения меди, они тоже содержат ее в большом количестве. Наиболее широко в источниках литературы представлены данные величин концентраций Си в сыворотке крови (1,93 - 1,50 мг/л) и волосяном покрове (6,50 - 80,00 мг/кг).
Среди сельскохозяйственных животных максимальная концентрация Cd зарегистрирована в щетине свиньи (17,0 ... 47,8 мг/кг). В костной ткани, печени, почках и мышцах этого животного уровень Cd был соответственно в 7, 9, 10 и 16 раз ниже (Соколов O.A., Черников В.А., 1999).
Относительно высокий уровень Cd обнаружен в почках и печени кро-ликов - 4,46 и 1,17 мг/кг.
У лося, кабана и косули содержание Cd в почках (0,54 ... 0,78 мг/кг) было в несколько десятков раз выше, чем в печени и мышцах (Тютиков С.Ф., Карпова Е.А., Ермаков В.В., 1996, 1997^ 2000).
У кольчатой нерпы Ладожского озера самый высокий уровень Cd обнаружен в волосе - 0,96 ±0,11 мг/кг. Содержание этого элемента в почках печени и мышцах было соответственно в 2, 3 и 20 раз ниже.
У человека основным органом-мишенью для Сс1 - также являются почки, где концентрация этого ТМ могут достигать 42 мг/кг. В печени, костной ткани, мышцах и волосе содержание Сё было соответственно в 3, 11, 14 и 26 раз меньше.
Таким образом, практически не изучены микроэлементный статус волоса животных, его межпородные и межвидовые различия, отношения между элементами в волосе и других органах и тканях, а также связи уровней ТМ в волосяном покрове с гематологическими и биохи-мическими показателями. Необходимо исследовать содержание основных эссенциальных и эко токсичных ТМ и их взаимосвязь в волосе здоровых сельскохозяйственных животных различных видов и пород для установления средних концентрационных нормативов.
1.2 Эколого-географическая характеристика ареала соболя
Известно, что промысловыми запасами соболя практически монопольно владеет Россия. Более того, в настоящее время этот вид стал главенствующим в российском пушном экспорте из-за широкого спроса на высококачественную пушнину, которую дает главным образом отечественное охотничье промысловое хозяйство. Соболь – фоновый промысловый вид сибирской тайги, и закономерности его распространения по ареалу приобретают практическое значение. Работ, посвященных изучению морфологических свойств соболей в разных районах ареала, достаточно большое количество, однако не так много попыток установить географические закономерности распространения размеров и окраски меха. Наиболее известные исследования такой тематики были опубликованы более 30 лет назад (Монахов, 1976; Павлинов, Россолимо, 1979).
Рис 3.Географическое положение изученных популяционных группировок соболя
Ареал соболя (Martes zibellina L.) занимает огромную территорию от северных областей Предуралья до Дальнего Востока, включая некоторые острова Тихого океана, это более 700 млн га. Географические популяции соболя, населяющие эти регионы, значительно различаются по ценности пушнины и ряду других количественных признаков. Генетическое разнообразие природных популяций соболя является важным показателем состояния генетических ресурсов вида. Оценка генетического разнообразия необходима для определения перспектив сохранения и рационального использования вида и является основой для мониторинга генофондов популяций. Анализ распределения ресурсов соболя за последние 300 лет показывает, что в результате промысла географическая целостность большинства популяций была нарушена. К началу ХХ в. ареал вида распался на отдельные очаги в удаленных друг от друга районах. Соболь был почти полностью уничтожен в Западной Сибири и в районах Крайнего Северо Востока и Сихотэ Алиня. В Центральной Сибири и горных системах Алтая и Саян сохранились локальные популяции. Лишь на Камчатке, в силу ее удаленности от основных районов промысла, сохранилась без влияния с материка основная предковая популяция вида. Главным по значимости регионом донором стало Прибайкалье, где процесс восстановления ареала и численности соболя происходил очень быстро. После пятилетнего запрета на добычу соболя (с 1935 г.) площадь заселения вида увеличилась в 3 раза. Крупные очаги с высокой плотностью заселения вида сформировались на Баргузинском хребте, в бассейне р. Киренги, в Предбайкалье, на Центрально Тунгусском плато и многих других районах. К настоящему времени ареал соболя восстановлен и занимает зону темнохвойной тайги от Уральских гор до Дальнего Востока, включая полуостров Камчатка и ряд островов Тихого океана.
Генетическая структура популяций соболя сформировалась в результате целого ряда процессов изменения климата, имевших место на протяжении среднего и позднего плейстоцена. Неоднократно предпринимались попытки систематики вида рядом известных зоологов. уральскую, саянскую и приморскую. Напротив, камчатская популяция соболя не подвергалась воздействию акклиматизационных мероприятий и одновременно естественным образом обособлена от основной части ареала вида.
Таблица 1
Корреляционные связи фенотипа соболя со средовыми градиентами ареала
Поскольку такие черты фенотипа соболя, как окраска и размеры, имеют практическое значение при определении товарной ценности шкурки, попытки привязки их к конкретным районам обитания предпринимались и раньше. Например, Дж.Ф. Брандт (Brandt, 1855) выделял не сколько географических вариаций вида, отличающихся по особенностям морфологии. Некоторые заключения по данному вопросу находим также в работе Л.Н. Сабанеева (1875), описавшего особенности морфологии в некоторых главных промысловых районах России. Изучение вида продолжила “эпоха” описания подвидов, продолжавшаяся вплоть до середины ХХ в., однако выявлением закономерностей распределения фенотипа в связи с условиями среды практически никто не занимался. Первое исследование физиологического плана по выявлению предпочитаемой соболями температуры на градиентприборе, разработанном Н.И. Калабуховым, провел в начале 1940х годов А.Л. Пономарев (1944). Изученные 7 соболей показали средний термотактический оптимум в 15.7°С, причем баргузинские – 14.2°, а западноса янские – 17.7°, а лесная куница оказалась более теплолюбивой (около 21°). Соответствие фенотипа соболя географическому местоположению выяснял Н.Н. Бакеев (1976), показавший на материале из 300 тыс. шкурок, что окраска меха у зверька темнеет с запада на восток.
Результаты таблицы свидетельствуют о том, что у соболя существуют четкие географические тренды в распространении размерных морф – зверьки становятся крупнее от района минимума к западной и северной частям ареала при r = 0.47– 0.49. Подобные расчеты проведены для вида и по другим признакам: окраске меха и экспрессии фена FFCI. Они также показали наличие значимых корреляционных связей с широтным (с юга на север) и особенно меридиональным градиентами ареала. Так, окраска меха с юга на север становится светлее (r = – 0.31), а к востоку – темнее, демонстрируя высокий коэффициент корреляции r = 0.82 с долготой местности (см. табл. 1). Разделение популяций вида на северные и южные показало, что они не одинаково реагируют на изменение параметров среды. Так, в общий значимый тренд увеличения размеров с востока на запад наибольший вклад вносят южные группировки (r = 0.76–0.78, см. табл. 1). В северных данная закономерность нарушается, поскольку и на западе, и на востоке обитают зверьки крупных размеров, а между ними спорадически располагаются популяции средних и мелких животных. По остальным признакам наиболее высокие корреляции с долготой местности демонстрируют северные группировки. Это относится к фенетическому признаку (r = 0.68–0.73) и особенно к окраске меха (r = 0.86). В южных группировках зафиксирован лишь один случай выраженной (обратной) связи признака со среднегодовой температурой района обитания – окраски меха (r = –0.47), которая становится темнее с понижением температуры. В северных популяциях эта тенденция еще более выражена и значима (r = – 0.58). Похожий тренд наблюдается и в отношении фенетического признака – как у самцов, так и у самок он более выражен при низких температурах. Однако с ростом среднегодовой температуры мы наблюдаем и увеличение размеров черепа (r = 0.40, табл. 3). Связи высотного градиента были выражены лишь с фенетическим признаком и окраской при их отсутствии с размерами черепа. Общая тенденция прямой корреляции (r = 0.30–0.34) окраски и фена у самцов и самок с высотой над уровнем моря подтверждается только в северных группировках – она наиболее выражена в окраске мехового покрова (r = 0.62, табл. 1).
Роль современных естественных миграций в определении генетической структуры популяций соболя редко принимается во внимание, хотя известно, что такие миграции могут носить весьма масштабный характер. Так, исследования, проводимые в Московской области на протяжении последних 20 лет, показали, что при осеннем расселении молодняка соболи могут мигрировать на расстояния 70–300 км. Массовые миграции с периодичностью 6–8 лет происходят при условиях снижения кормовой базы или повышении плотности популяции. Такие миграции соболя впервые упомянуты еще во второй половине XIX в. Массовые миграции с выселением соболей из целых районов происходили в 1961–1962 и 1968–1969 гг. и захватывали огромные территории от Алтая до Забайкалья, включая район Восточных Саян. В годы, предшествующие массовым миграциям соболя, были зафиксированы аномальные температуры и, как следствие, неурожай большинства хвойных пород и снижение численности мышевидных грызунов. На фоне сказанного вероятным представляется и то, что естественные миграционные процессы, происходящие в Центральной Сибири и приводящие к перемешиванию генофондов отдельных популяций, не ограничиваются пределами данного региона. При сравнении центральносибирских популяций с популяциями других регионов видно, что показатель подразделенности постепенно нарастает прямо пропорционально географической удаленности сравниваемых популяций друг от друга: FST = 0.017–0.031 при сравнении с выборкой “Саяны” и FST = 0.018–0.037 при сравнении с выборкой “Сихотэ Алинь”. По видимому, это связано с направленностью миграционного процесса из севера Центральной Сибири к Прибайкалью с последующим его разветвлением в сторону р. Амур и к Восточным Саянам. Таким образом, можно предположить, что популяции бывших рефугиальных зон, давшие после окончания ледникового периода начало генетическому разнообразию соболя Сибири, в настоящее время находятся под давлением миграций, происходящих в обратном направлении – из центральных частей ареала к краевым.
