Введение к работе
Актуальность темы исследования.
В современных условиях активного воздействия человека на природу особенно остро стоит вопрос об охране окружающей среды. Настоящая реальность такова, что темпы научно технического прогресса достаточно высоки и полностью исключить влияние антропогенных факторов на био-ту невозможно. С этой точки зрения особенно важным представляется проблема нормирования, т.е. оценки допустимых пределов воздействия на экосистемы'.
Одной из актуальных проблем, стоящих перед регионами Арктического бассейна, включая Республику Саха (Якутия), является проблема сохранения устойчивости экосистем в условиях интенсификации внешних и внутренних, природных и антропогенных, воздействий на нее (Соломонов, 1987; Ларионов, 1998). Устойчивость экосистемы слагается, в свою очередь из устойчивости составляющих ее элементов. Устойчивость же организмов, согласно Дарвину, формируется на основе более полного их приспособления к условиям внешней среды, под контролем естественного отбора. Одним из уязвимых элементов в цепи экосистемы являются, как известно, растительные организмы. С этих позиций представляется важным изучение пределов устойчивости дикорастущих растений Севера к природным и антропогенным стресс-факторам. При этом, выживаемость организмов - способность сохранять эффективную продуктивность в экстремальных условиях существования - зависит от надежности функционирования всех защитных систем, которые должны обеспечивать его приспособляемость к определенным интервалам колебаний факторов среды, в том числе естественного или искусственного радиационного фона местообитания (Гродзинский, 1980, Зайнуллин, Таскаев и др., 1999). Основной физиолого-биохимической системой, устойчивость и функциональная активность которой определяет устойчивость и продуктивность всего организма, является геном. В качестве систем, обеспечивающих его устойчивость можно выделить систему мембранных и цитоплазматических анти-оксидантов и комплексную ферментативную систему репарации ДНК.
Целью данной работы является оценка пределов устойчивости дикорастущих растений в экстремальных климатических условиях среды, при повышенном естественном радиационном фоне, химио-техногенных загрязнениях и остром у-облучении, как следствия изменений активности защитных антиоксидантних и ДНК-репарационных систем.
В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
-
Разработать комплексный метод, позволяющий проводить физио-лого-биохимическую оценку устойчивости генома растений к воздействию стресс-факторов различной природы.
-
Изучить основные изменения активностей систем внутриклеточной защиты генома центрально-якутских видов дикорастущих растений по сравнению с растениями из Южной Якутии и Среднего Урала.
-
Провести сравнительный анализ устойчивости растений из регионов Центральной и Южной Якутии, Среднего Урала к острому у-облучению.
4. Классифицировать растения Центральной Якутии по радио
устойчивости и определить ее связь с функционированием основных за
щитных систем генома - антиоксидантных и ДНК-репарационных.
5. Изучить адаптивные изменения защитных систем генома дикорас
тущих растений Южной Якутии, произрастающих в течение многих поко
лений в условиях повышенного естественного радиационного фона
(ПЕРФ).
-
Исследовать влияние на радиоустойчивость к острому у-облу-чению семен дикорастущих растений Южной Якутии предшествующих адаптации их систем обеспечения устойчивости генома к условиям ПЕРФ (антиоксидантных и ДНК-репарационных).
-
Изучить влияние химических техногенных загрязнений (оксидов азота, серы, СО, угольной пыли, углеводородов нефтепродуктов) различной интенсивности в условиях Южной Якутии (г.Нерюнгри) на активность систем обеспечивающих устойчивость и функциональную активность генома клеток дикорастущих растений (антиоксидантных и ДНК-репарационных).
-
Исследовать влияние на радиоустойчивость к острому у-облуче-нию семян дикорастущих растений Южной Якутии предшествующих адаптации их систем обеспечения устойчивости генома к условиям химио-техногенных загрязнений.
-
Определить уровни природных радиационных и химио-токсичньгх загрязнений, приводящих к срыву адаптации дикорастущих растений в экстремальных климатических условиях Центральной и Южной Якутии за счет изменений активности физиолого-биохимических систем обеспечения устойчивости их генома.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Климато-географические и экологические условия произрастания растений (включая ПЕРФ и техногенные загрязнения), формируют их неспецифический физиолого-биохимический адаптивный потенциал, включающий уровень антиоксидантной (ферментативной и низкомолекуляр-
ной) защиты, а также степень устойчивости и активности генома в процессах репарации ДІЖ, репликации и трансляции.
2. Видовой неспецифический физиолого-биохимический адаптационный потенциал растений определяет степень успешности произрастания их (и дочерних организмов) в экстремальных условиях среды, эффективность природоохранных мероприятий, а также радиочувствительность растений к дополнительному острому радиационному у-облучению.
Научная новизна работы. Впервые исследована радиоустойчивость семян 50 видов дикорастущих растений Центральной Якутии из 19 семейств к острому у-облучению, как следствие изменений активности анти-оксидантной защиты, дифференциальной активности и устойчивости генома, сформированных в них в результате предшествующих физиолого-биохимических адаптации к экстремальным климатическим условиям произрастания. На основе полученных физиологических и биохимических характеристик растений предложена их классификация по радиоустойчивости.
Изучены некоторые биохимические механизмы (на уровне антиок-сидантных систем, устойчивости и дифференциальной активности генома) адаптации растительных организмов к действию хронического природного радиационного облучения в малых дозах, химических антропогенных загрязнений окружающей среды угольной пылью, оксидами азота, серы и углерода, жидкими углеводородами и влияние таких адаптации на устойчивость дикорастущих растений к дополнительному острому у-облучению.
Практическая значимость. Разработан комплексный цитолого-биохимический метод определения дифференциальной активности генома в реакциях репарации ДНК, трансляции, репликации, и его устойчивости, который был апробирован при изучении влияния на геном дикорастущих растений хронического (природного) и острого (дополнительного) радиационного облучения, химических антропогенных загрязнений- окружающей среды. То есть, метод был апробирован при проведении экологических экспертиз для установления истинной биологической реакции организма (его генома и защитных систем) на действие загрязнений окружающей среды физической и химической природы. Показано, что метод обладает прогностической силой. Он также может быть применен при изучении лекарственной устойчивости штаммов патогенных микроорганизмов, при подборе наиболее эффективных антибактериальных и противовирусных препаратов, содержащих комплекс антибиотиков и биостимуляторов; при обследовании пациентов для выявления предрасположенности к онкозаболеваниям, при создании противоонкологических, геронтологичес-ких, противодиабетических и других препаратов профилактического и лечебного действия.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на Международном научном конгрессе студентов и молодых ученых YSTM-96 (г. Москва), на научно-практических конференциях в г. Якутске: "Шаг в будущее" (1997), "Лаврентьевские чтения" (1998), на научных конференциях Якутского института биологии СО РАН и БГФ ЯГУ на семинаре в Марийском госуниверситете и в отделе охраны природы г. Нерюнгри.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, литературного обзора, описания материалов, использованных и разработанных методик, трех глав с анализом собственных результатов и их обсуждения, выводов и списка использованной литературы, включающего 120 наименований иностранных и отечественных источников. Диссертация изложена на 139 страницах, включая 15 таблиц, 3 схемы и 8 рисунков.