Системы постоянного слежения

Токсикологам часто приходится не просто исследовать загрязнение отдельных проб, а постоянно следить за состоянием воды в водоеме или же воды, поступающей со стоками в водоем. Существуют ли живые системы, которые могут вести постоянный контроль, называемый мониторингом? Мы уже познакомились с некоторыми из них: форели в лотке с фотоэлементами - один из "живых приборов" мониторинга. Однако для мониторинга, работающего в любое время суток, форели все же неудобны. У них меняется активность в разное время суток, и при изменении погоды или после кормления активность у них также падает. Может быть, можно найти животных более удобных, которые не нуждаются в искусственном кормлении и которых можно закрепить в устройстве слежения за загрязнением, чтобы в механических или электрических системах сигнализации они своим движением не вносили помех?

Такие животные нашлись. Это двустворчатые моллюски. Перловиц или беззубок можно наблюдать, бродя по щиколотку в воде по дну маленькой песчаной речки. Они медленно бороздят дно, оставляя за собой длинный прочерченный след. Если вынуть двустворку из воды, она быстро сомкнет створки, и раскрыть их очень трудно, скорее раковина лопнет между пальцами, чем створки раскроются. Этот организм и будет основной деталью в устройстве, которое мы сейчас рассмотрим. Он обладает рядом преимуществ: питается за счет фильтрации, отделяет мельчайшие водоросли и микроорганизмы и тем самым очищает воду от живой и мертвой взвеси. Одну створку перловицы можно зафиксировать, и перловица почти не пострадает - ведь протекающая мимо вода приносит ей кислород и пищу. Наконец, ко второй, свободной, створке можно приделать рычаг или штангу, и тогда силой своих мышц - а как мы знаем, она у двустворчатого моллюска не малая - перловица будет включать и выключать сигнализирующую систему. Остается только сказать, что перловица вооружена целой системой хеморецепторов, предпочитает чистую воду, и как только в протекающей мимо воде появится вредное загрязнение, моллюск сомкнет свои створки.

Основной принцип работы "живого прибора" на двустворчатых моллюсках понятен. Только ко дну лотка с протекающей для анализа водой прикрепляют не одну двустворку, а десять, чтобы случайное закрытие створок не было воспринято как сигнал тревоги. Когда большинство моллюсков сомкнут свои створки - значит, действительно пошел токсичный сток, вот тогда и зазвучит сигнал опасности.

B других автоматических системах мониторинга химического загрязнения воды, основанных на активности двустворок, используют электромагнитную индукцию. Такая система может не только дать сигнал опасности загрязнения, но в какой-то мере и показать степень загрязнения. Такая автоматическая система мониторинга делается с более мелкими ракушками, дрейсенами. Дрейсены переносят прикрепление лучше, чем перловицы, ведь они сами прикрепляются к сваям и решеткам так называемыми биссусными нитями, очень близкими по составу к шелку. У дрейсен фиксируют одну створку, а вторую соединяют с катушкой, перемещающейся в переменном магнитном поле, создаваемом другой неподвижной катушкой. Сила тока в подвижной катушке пропорциональна перемещению створки. В систему включается сразу 6 моллюсков, и чем сильнее они захлопывают створки при появлении загрязнения, тем выше индуцируется ток в катушках, показывая на приборах степень загрязнения. Результаты опытов показали, что радужная форель более чувствительна, чем моллюски, к загрязнению воды химическими веществами, но к некоторым веществам, например меди, более чувствительны дрейсены.

В системах мониторинга все чаще начинают использоваться очень мелкие, даже микроскопические водные животные, например простейшие и коловратки. Созданы специальные устройства, следящие за изменением скорости движения инфузорий при появлении в воде вредных примесей, особенно ионов металлов, к которым наиболее чувствительны простейшие. Для этих целей подходят мелкие инфузории тетрахимены, культивирование которых, можно сказать, стандартизировано в лабораторных условиях. Проверка действия таких редких металлов, как селен, ванадий и цирконий, на скорость плавания тетрахимен позволяет через 20-30 минут определить наличие различных концентраций этих веществ в воде. Ведь в концентрациях всего 5-10 промилле они могут снизить скорость плавания, которая у тетрахимен в норме составляет 2700 микрометров в секунду, на 96 процентов, а большие концентрации вообще останавливают движение инфузорий.

Постоянное слежение за содержанием токсикантов в воде с помощью биологического мониторинга имеет неоспоримые преимущества по сравнению с химическим мониторингом, производимым различной аппаратурой. Но все, что разработано, относится главным образом к мониторингу, основанному на физиологических показателях. Однако сейчас человеку важно не только знать ближайшие последствия промышленного загрязнения, но и делать прогноз последствий загрязнения на месяцы и годы. Ведь многие из соединений, попадающих в окружающую среду, могут оказаться мутагенами, канцерогенами или могут нарушить процессы эмбрионального развития.

Мы уже говорили о критических стадиях развития, во время которых зародыш наиболее чувствителен к действию вредных веществ, загрязняющих природную среду. Ученые поняли, что именно на этих стадиях и нужно испытывать допустимые концентрации или контролировать вредность загрязнения. Санитарные токсикологи проверяют действие вредных веществ на эмбриональных стадиях развития экспериментальных животных - мышей и крыс, а токсикологи, занимающиеся охраной гидробиоценозов и отдельных видов подводного мира, берут в качестве экспериментальных объектов устриц, эмбрионы дафний, икру и личинки радужной форели и личинки водных нематод. Это очень чувствительные организмы, и критические стадии их развития приходятся на периоды наиболее сложных морфологических перестроек или выклева из зародышевых оболочек, когда организм попадает в новую, не свойственную для него среду. А можно ли эти короткие критические периоды использовать для постоянного слежения за состоянием окружающей среды? Разрешима ли эта задача?

Оказывается, можно предложить эмбриологический мониторинг. У коловраток, у рачков-артемий, живущих в соленых и пересоленных водах, существуют покоящееся яйца. Поэтому в любой момент, через равные промежутки времени можно заново "запускать" эмбриональное развитие у этих животных и постоянно в наборе зародышевых и личиночных стадий иметь объекты, находящиеся в критических и наиболее чувствительных периодах развития. Можно использовать не только коловраток и артемий. В лабораторных условиях, применяя современные методы культивирования и гормональные препараты, круглогодично получают икринки моллюсков и рыб, например вьюна, а также икру шпорцевых лягушек и тритонов.

Сейчас теоретически уже разработаны основы будущего центра слежения эмбриологического мониторинга. О том, как он будет выглядеть, мы и расскажем.

На управляющем пульте ряд телевизионных экранов, и на каждом из них видны различные стадии развития эмбрионов и личинок водных организмов. Телекамеры позволяют постоянно следить за развитием организмов под водой. А там организован настоящий конвейер. По миниатюрным штангам-рельсам периодически продвигаются камеры с развивающимися эмбрионами, напоминающие детскую железную дорогу, но в каждом вагончике-камере зародыши или личинки водных животных на од- ной из стадий развития. Если в этом составе в самые последние камеры помещают только что начавшие свой путь развития яйцеклетки, то первые уже с развившимися личинками снимаются с рельсов. В любой момент в этом составе есть все основные стадии развития, и самое главное - те критические, на которые загрязнение влияет в полной мере, приводя развитие к замедлению или даже к его полной остановке. На экранах телевизоров опытный взгляд эмбриолога-оператора в нужный момент отметит начавшееся загрязнение водной среды, так же, как это бы сделал физик, исследующий частоту колебаний в электронных схемах, по фигуре Лиссажу на экране осциллографа.

Особенностью эмбриологического мониторинга является то, что он с равным успехом применим как для слежения за загрязнением пресных вод, так и морских. Для контроля за состоянием морской водной среды особенно подходят ранние стадии развития иглокожих животных: морских звезд и ежей. Эмбрионы и личинки этих существ - любимый объект эмбриологов, и нет, пожалуй, более изученных стадий у других видов животных, чем у них. К тому же икринки иглокожих почти не содержат желтка, что позволяет наблюдать на просвет в световой микроскоп за морфогенезом на ранних стадиях развития и за перемещением клеток внутри зародыша. К настоящему времени биологи научились активировать созревание икринок у морских звезд и ежей такими веществами, как ацетилхолин и метиладенин, поэтому получение оплодотворенных икринок в заданное время не представляет сложности. Следует отметить, что зародыши иглокожих в эмбриональной стадии очень чувствительны к загрязнению водной среды промышленными отходами. Теперь остается только представить, насколько четко будут видны на экранах телевизоров отдельные стадии развития этих прозрачных зародышей при организации системы эмбриологического мониторинга. "Живой прибор", не имеющий ни шкал, ни стрелок, как неусыпное око, и днем и ночью может следить за чистотой прибрежных вод морей в тех местах, где возможен сток промышленных вод, несущих ядовитые вещества.