Загадки водных миров

07/12/2015

Ученые ЯрГУ им. П.Г. Демидова часто проводят исследования  совместно со специалистами других научных учреждений. Сегодня мы беседуем с А.С. Семеновой, кандидатом биологических наук, старшим научным сотрудником «Атлантического научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии». Анна Сергеевна руководит проектом «Коэволюция цианобактерий и зоопланктона: защитная роль  цианотоксинов», выполняемым совместно с коллективом ученых факультета биологии и экологии ЯрГУ.

- Анна Сергеевна, расскажите, пожалуйста, для чего нужно изучать свойства цианотоксинов? Что это дает в практическом смысле?

- Проект «Коэволюция цианобактерий и зоопланктона: защитная роль цианотоксинов» задумывался нами с целью выяснения экологических функций цианотоксинов – вторичных метаболитов цианобактерий, в водных экосистемах. Казалось бы, давно известно о том, что ряд цианобактерий (или, как их еще называют, синезеленых водорослей) способны продуцировать цианотоксины, опасные как для низших и высших животных, так и для человека. Но то, что мы знаем, это лишь вершина айсберга. Да, синезеленые водоросли продуцируют вещества опасные для животных и человека, да, в последнее время массовое развитие этих водорослей в природных водоемах наблюдается все чаще и последствия с каждым годом могут быть все катастрофичнее.

- Как, например?

- Цианотоксины являются опасными ядами для людей: известно много случаев отравления людей при употреблении воды из цветущих цианобактериями водоемов, при потреблении рыбы из таких водоемов, известны и летальные исходы. Среди цианотоксинов в водоемах всего мира наиболее распространены гепатотоксины (микроцистины, цилиндроспермопсин) и нейротоксины (анатоксин-а, сакситоксины). Первая группа цианотоксинов вызывает преимущественно некротические повреждения печени, вторая – неврологические эффекты, судороги, конвульсии, паралич дыхательных мышц и смерть от удушья. Кроме того, цианобактериальные токсины обладают канцерогенным и мутагенным эффектами.
Но дело в том, что цианотоксины возникли в процессе эволюции совсем не как средство против человека, и то, что они оказались опасны для него, это просто следствие их неизбирательности в воздействии на живые организмы. Изначально, как предполагается, цианотоксины возникли как защитное средство, способное подавлять планктонные организмы, которые, в свою очередь, питались цианобактериями. Но когда цианобактерии начали продуцировать цианотоксины, планктонные организмы также стали эволюционировать вместе с цианобактериями, вырабатывать защитные механизмы от их воздействия, цианобактерии же продолжили создавать все более ядовитые цианотоксины. Совместное существование планктонных организмов и цианобактерий длится тысячелетия, и все это время происходит их коэволюция или, иначе говоря, совместная эволюция; она началась не вчера и закончится не завтра, а мы в своей работе пытаемся  вскрыть ее механизмы. Для чего мы это делаем? Если мы придем к пониманию механизмов этой коэволюции, мы сможем бороться с последствиями массового развития цианобактерий. Конечно, это только в самой отдаленной перспективе, пока что мы в своей работе ставим более скромные и конкретные практические задачи.

- На каких водоемах пройдут полевые работы по проекту?

- Наш проект, по сути, объединяет ученых из двух областей России: Ярославской и Калининградской. Почему так вышло? Просто так сложилось, что в Ярославской области и, в частности, в ЯрГУ есть ряд высококвалифицированных специалистов, занимающихся изучением цианобактерий и цианотоксинов – кандидат биологических наук, доцент Бабаназарова Ольга Владимировна, кандидат биологических наук, доцент Сиделев Сергей Иванович, бакалавр 4 курса Плигин Дмитрий Николаевич. Также есть ученые из ИБВВ РАН (пос. Борок Ярославской области), занимающиеся  зоопланктоном, в частности, над проектом работает кандидат биологических наук Жданова Светлана Михайловна. В Калининградской области были отработаны конкретные методики, которые способны показать, как цианотоксины воздействуют на планктонные организмы. Мы решили объединить наши усилия, так на стыке наших исследований и возник этот проект. И так как мы традиционно занимаемся водоемами как в Ярославской, так и в Калининградской областях, в них и будут проводиться полевые работы по данному проекту.

- Что, на Ваш взгляд, самое трудное в этой работе? Какая часть работы, на Ваш взгляд, вызовет наибольшие затруднения?

- В нашей работе мы должны будем проводить эксперименты по влиянию цианотоксинов на зоопланктон в условиях, максимально приближенных к природным. При этом мы должны выбрать два водоема: в первом не развиваются и никогда не развивались токсичные цианобактерии (то есть в этом водоеме зоопланктон в процессе своего существования никогда не сталкивался с цианотоксинами), а во втором, наоборот, периодически должно отмечаться массовое развитие токсичных цианобактерий (соответственно, зоопланктон в этом водоеме сталкивался с цианотоксинами). Найти водоем, в котором развиваются токсичные цианобактерии, совсем не трудно: они развиваются практически во всех водоемах. Сложнее обстоит дело с водоемом, в котором токсичных цианобактерий нет; найти его - это очень сложная задача, но, я надеюсь, она нам по плечу.

Еще одна трудная и оттого еще более интересная наша задача - это провести опыты, подобные лабораторным, но только в природных условиях. Это сразу приводит к массе сложных вопросов, на которые нам предстоит ответить -  вопросов о том, как создать условия, близкие к природным в неких емкостях (мезокосмах), погруженных в природные водоемы, о том, как долго в таких условиях сможет выживать зоопланктон, вопрос о том, как нам контролировать то, что будет происходить в этих емкостях, не нарушая баланса в них.

- Какое оборудование Вы используете при постановке опытов, и где оно находится?

- При постановке опытов и последующей обработке результатов будет использовано самое современное оборудование. В частности, планируемые исследования будут проведены с использованием современного аналитического оборудования производства ведущих фирм США, Германии, Франции, России: спектрофотометр Unico UV/VIS 2802, микропланшетный спектрофотометр Anthos 2020, световые микроскопы Leica СМЕ-Т, флуоресцентный микроскоп Axioskop 40L (Carl Zeiss), хроматограф ВЭЖХ Merk-Hitachi; ПЦР-лаборатория ЯрГУ в режиме реального времени на основе амплификатора CFX96 Touch (Bio-RAD, США), портативный кислородометр Hanna HI 9142; портативный мультипараметровый прибор (электропроводность, минерализация, температура) Hanna HI 991300. Практически все это оборудование находится в ЯрГУ.

- Ведутся ли подобные исследования за рубежом и какова их цель?

- За рубежом проводятся отдельные исследования, целью которых, как правило, служит изучение воздействия цианотоксинов на отдельные лабораторные популяции планктонных животных. Как правило, это простые лабораторные токсикологические опыты, проводятся они не с очищенными формами токсинов цианобактерий, а только лишь с вытяжками и экстрактами из цианобактериальной биомассы с использованием классических тест-объектов (Daphnia magna, р. Ceriodaphnia). За рубежом практически отсутствуют полевые эксперименты в условиях, приближающихся к природным. Основной отличительной чертой нашей работы будет то, что эксперименты будут поставлены нами в природных водоемах, с природными естественными популяциями зоопланктона, будут использованы чистые формы цианотоксинов, что исключит влияние других сопутствующих им компонентов.

- В описании Вашего проекта встречается такое выражение: «гонка вооружений».  Применительно к коэволюционным отношениям цианобактерий и зоопланктона это термин или ассоциативное выражение?

- «Гонка вооружений» в данном случае, конечно, ассоциативное выражение, которое как нельзя лучше подходит для описания того, что мы наблюдаем в живой природе в процессе коэволюции живых организмов. На каждое действие в природе возникает в процессе эволюции противодействие: цианобактерии продуцируют цианотоксины, планктонные животные приспосабливаются к ним, на что цианобактерии создают еще более сильные токсины, животные эволюционируют и приобретают  еще более эффективные приспособительные механизмы и так далее до бесконечности. Подобно этому и в нашем обществе на каждое оружие возникает «противооружение»: допустим, создаются все более совершенные ракеты, но вместе с тем совершенствуются и системы противоракетной обороны.

- Вы давно работаете над проблемой коэволюции цианобактерий и зоопланктона; многое ли стало понятным во взаимодействии этих водных миров?

- Да, эта проблема, а именно взаимодействие двух сообществ - сообщества планктонных животных, парящих в толще воды, и сообщества микроводорослей, также парящих в водной толще - этих двух своеобразных миров волнует меня уже очень давно. Планктонные животные выедают фитопланктон, фитопланктон отчаянно сопротивляется и приобретает в процессе эволюции все более совершенные свойства и защитные механизмы, и один из этих механизмов - образование страшных  ядов, цианотоксинов. Но и планктонные животные эволюционируют вслед за фитопланктоном, это взаимодействие, коэволюция, взаимопроникновение этих двух миров делает их разнообразнее, интереснее, загадочнее, наконец! В своей работе мы бьемся как раз над разгадкой одной из загадок этих миров, и, надеюсь,  разгадаем ее. Но еще тысячи ждут впереди!

← Возврат к списку

---