М.БУШУЕВ,
О.ЯЗОВСКАЯ,
Н.ИЕРУСАЛИМОВА,
учащиеся 11-го класса
Руководитель: П.И. ЛИПАТОВ,
учитель биологии
Изучение влияния фенола на развитие
линейных дрозофил
Введение
Экология – это наука о
взаимоотношениях живых организмов друг с другом,
а также с окружающей средой. Термин «экология»
впервые был введен немецким биологом Эрнстом
Геккелем в 1869 г. Это слово образовано из двух
греческих слов: oikos – дом, жилище, и logos –
учение, наука, и означает нечто вроде науки о
земном «хозяйстве». Однако хозяйственная
деятельность человека зачастую приводит к
загрязнению окружающей среды, к гибели
растительного и животного мира, к истощению и
исчезновению рек, лесов. Складываются
неблагоприятные условия и для жизни самого
человека.
В цивилизованных странах
осуществляется экологический контроль над
деятельностью промышленных предприятий, а до
реализации любого проекта необходимо
представить данные об ожидаемом воздействии на
окружающую среду.
В Российской Федерации принят Закон
«Об охране окружающей среды». На основании этого
закона Министерством экологии России в октябре
1992 г. была создана специальная Экспертная
комиссия для проведения оценки экологической
ситуации в Кемеровской области.
На территории области площадью
95,7 тыс. км2, проживает 3,18 млн человек.
Из них 86% проживают в городах; 65% населения и 65%
промышленных предприятий сосредоточено вдоль
берегов реки Томи.
Площадь лесов в регионе за последние 5
лет уменьшилась на 0,5 млн га. Лишь 20% лесов
остались в естественном, ненарушенном,
состоянии, 106 (12%) малых рек уничтожено. В
атмосферу Кузбасса выбрасывается более 100
различных вредных веществ. Крупными источниками
загрязнения воздушного бассейна являются 932
промышленных предприятия.
Ежегодный валовый выброс загрязняющих
веществ в атмосферу составляет 1,2–1,7 млн т.
Это 542 кг вредных выбросов на одного жителя
области. Вокруг городов в почве накапливаются в
большом количестве тяжелые металлы, отходы
различных производств. В Кузбассе нарушено
100 тыс. га земель, из них 40 тыс. га –
открытыми горными разработками и более
20 тыс. га – при подземной добыче угля.
Идет интенсивное загрязнение
поверхностных и подземных вод. В год более
300 млн м3 сточных вод практически без
очистки сбрасывается в водоемы. На одного жителя
в год приходится около 230 м3 загрязненных
сточных вод. В области 111 предприятий в
технологическом процессе используют
сильнодействующие ядовитые вещества.
Наиболее «опасными» для здоровья
человека являются города Кемерово и Новокузнецк,
но и мелкие города испытывают на себе влияние
этих промышленных монстров.
Формирование промышленности и
поселков вокруг промышленных предприятий
началось в Кузбассе еще в 1930-е гг. Стихийная
застройка городов привела к тому, что в них
практически нет санитарно-защитной зоны.
Плотность населения в Кузбассе составляет
33,2 чел/км2, в то время как, например, в
Новосибирской области – 15,3 чел/км2, в
Алтайском крае – 10,8 чел/км2.
Загрязнение окружающей среды в
Кузбассе сказывается на состоянии здоровья
населения. Рождаемость в области снижается (с 17,1
на 1 тыс. человек в 1986 г. до 12,6 в 1990 г.), а
смертность растет (с 9,9 на 1 тыс. жителей в
1988 г. до 11,04 в 1990 г.). При этом среди умерших 1/3
была в трудоспособном возрасте. Средняя
продолжительность жизни составляет 57,5 лет для
мужчин и 70,1 года для женщин. Детская смертность –
самая высокая по России (в 1990 г. она составила
20,8 на 1 тыс. детей), а частота мертворождений
увеличилась в период с 1986 по 1990 г. в два раза.
Начиная с 1992 г. в области зарегистрирован
отрицательный прирост населения.
За последние 20 лет уровень
заболеваемости в области вырос в 1,4 раза; 20% всех
онкологических заболеваний составляет рак
легких, трахей, бронхов. Профессиональная
заболеваемость в области на 17% выше, чем в среднем
по России.
Экспертная комиссия сделала вывод, что
по степени деградации окружающей среды и
здоровья населения крупные промышленные центры
Кузбасса следует отнести к зонам экологического
бедствия. Важнейшую роль в этом играют
химические загрязнители окружающей среды.
Изучение влияния различных химических
загрязнителей на живые организмы проводится на
различных модельных объектах. Для этого
используются мыши, морские свинки, овес, кукуруза
и другие организмы. Модельный объект должен
отвечать определенным требованиям: большая
плодовитость при коротком сроке развития,
широкие пределы наследственной изменчивости
(мутации), простота в разведении и содержании.
Со времен Т.Х. Моргана классическим
объектом исследования изменчивости стала
плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster). Это
связано с ее следующими исключительными
качествами.
1. Короткий срок развития от яйца до
взрослого организма (около 10 дней) при
температуре 24–25 ўС.
2. Высокая плодовитость – до 100 яиц за одну кладку
от одной самки.
3. Богатство наследственных рас, отличающихся
окраской тела и глаз, длиной и формой крыльев,
количеством и формой щетинок и другими
признаками.
4. Малое количество хромосом (всего 4 пары).
5. Простота разведения – достаточно пробирок или
пенициллиновых флаконов с питательной средой.
Все это делает дрозофилу незаменимым
модельным объектом при изучении влияния
различных веществ на живые организмы, поэтому
она была использована и в нашей работе.
Целью нашей работы было изучение
влияния фенола на развитие дрозофилы.
Фенол – высокотоксичное вещество,
однако часто он присутствует в атмосфере и
сточных водах в значительных концентрациях.
Например, в атмосфере Новокузнецка в 1994 г. она
превышала ПДК в 10 раз. Мы изучали, как фенол,
включенный в состав корма, влияет на развитие
дрозофил разных линий и разных серий
скрещивания.
Материалы и методы
В опытах использовались дрозофилы
линии 315 – ebony (темное тело) и линии 301 – yellow
(желтое тело). Для скрещивания отбирались
виргинные самцы и самки. Питательная среда, на
которой развивались дрозофилы, включала
следующие компоненты: агар – 3,5 г; крахмал – 6 г;
сахар – 18 г; манная крупа – 18 г; дрожжи – 20 г; вода
– 450 мл.
Опыты с каждой линией состояли из
5 серий.
Контроль № 1: нормальный самец х
нормальная самка (нормальная среда).
Контроль № 2: нормальный самец х
нормальная самка (среда с фенолом).
Серия № 1: нормальный самец х
пораженная* самка (нормальная среда).
Серия № 2: пораженный самец х
нормальная самка (нормальная среда).
Серия № 3: пораженный самец х
пораженная самка (нормальная среда).
Была отработана методика содержания и
разведения мух. Проведены 3 повтора контрольного
(№ 1) разведения. Фиксировались сроки и
интенсивность прохождения основных стадий
развития дрозофилы, средние значения которых
приведены в таблице и на графиках.
Для получения мух для опытных серий
скрещивали самцов и самок и пересаживали их на
среду, содержащую 0,05% фенола. При этом проводили
те же замеры, что и в контроле № 1. Это был еще
один своеобразный контроль (№ 2). Потомство,
развившееся на среде с фенолом, использовали
затем в опытах.
Скрещивания проводились в
пенициллиновых флаконах емкостью 10 мл.
Количество среды в одном флаконе составляло
2–3 мл. Для скрещивания в один флакон помещали
5 самок и 3 самцов. Определяли время начала
окукливания, начала вылета мух, количество
куколок и количество вылетевших мух в течение
первых 5 дней лёта (в последующие дни количество
вылетавших снижалось практически до нуля).
Результаты экспериментов и их
обсуждение
Линия 315
Окукливание в контроле № 1
происходило в среднем на 3 дня раньше, чем у мух,
развившихся на среде с фенолом (контроль № 2).
Задержка проявляется и в сроках основного
окукливания мух: максимальное окукливание
приходится на 8-й и 11-й день соответственно. При
этом наблюдается увеличение количества куколок
на одну самку с 3,3 до 5,06 соответственно. Лёт
начинается на 11-й день у мух на чистой среде и
на 15-й день у мух на фенольной среде.
Максимальный лёт наблюдается на 16-й
и 17-й дни, причем с увеличением с 2,0 до 4,9 на
одну самку.
Таким образом, окукливание и вылет мух
на фенольной среде начинается позже по сравнению
с контролем и заканчивается раньше, количество
же мух и куколок в дни вылета увеличивается. В
сериях № 1 (пораженные самки и нормальные
самцы) и № 2 (пораженные самцы и нормальные
самки ) окукливание началось на 6 день после
посадки, а в серии № 3 (пораженные самки и
пораженные самцы) – на 7 день и составило
соответственно 0,04, 0,1 и 1,375 в среднем на одну
самку.
Пик же окукливания наблюдался на
8-й день и составил во всех сериях чуть больше
7 куколок на одну самку. В 10–11-й дни
окукливание практически прекращалось.
Вылет мух начинался на 12-й день
после посадки. В серии № 1 он составил 2,63 мухи
на 1 самку, в серии № 2 – 4,04, а в серии № 3 –
1,6. Пик вылета наблюдался на следующий день и
составлял 6,52, 4,74 и 6 мух на одну самку
соответственно.
На основании полученных данных можно
сделать следующие выводы:
– окукливание при развитии на
фенольной среде или использовании пораженных
мух в скрещивании задерживается по сравнению с
контрольным, т.е. увеличивается этап
«яйцо–личинка–куколка»;
– задержка в развитии определяется в большей
степени средой, на которой содержатся мухи, чем
изменениями, которые могли возникнуть у мух,
выросших на среде с фенолом ;
– пик окукливания также зависит от среды;
– среднее количество куколок в опыте и при
скрещивании пораженных мух в пиковые дни
увеличивается (с 3,3 до 7 и более);
– начало лёта мух при содержании их на фенольной
среде также затягивается, но происходит в более
сжатые сроки (не с 11-го по 19-й день, а с
15-го по 19-й), причем, если начало лёта отстает
от контрольного на 4 дня, то срок массового лёта
лишь на один день;
– сокращение периода развития куколок более
заметно при скрещивании пораженных мух с
обычными: начало лёта запаздывает на один день (12
вместо 11), а вот максимума лёт достигает на
13-й день (в контроле на 16-й), т.е. идет
опережение вылета мух;
– наблюдается увеличение среднего количества
вылетевших мух на 1 самку в дни массового вылета
до 2,0; 6,52; 4,74; 6.0 особей соответственно.
Линия 301
Подобные исследования были проведены
и с дрозофилами линии 301: составы питательных
сред, условия содержания и разведения, а также
скрещивания были такими же, как в предыдущем
случае.
На основании анализа данных,
полученных во всех 5 сериях, можно сделать
следующие выводы относительно процессов
окукливания и вылета мух:
– при содержании мух на фенольной
среде (контроль № 2) начало окукливания
запаздывает на 5 дней (9-й день вместо 5-го в
контроле № 1);
– в среде с фенолом пик окукливания приходится
на 11–12-й день (9-й день в контроле № 1), т.е.
прохождение этапа окукливания ускоряется;
– при скрещивании пораженных мух с обычными,
массовое окукливание приходится на 7-й день во
всех сериях;
– интенсивность окукливания в сериях с
пораженными самками (серии № 1 и № 3)
несколько снижается в сравнении с контролем
(контроль № 1 – 6,7; контроль № 2 – 6,8) и
составляет 3,48 и 5,78 соответственно;
– в серии № 3 (пораженные самцы и обычные
самки) среднее количество куколок в пиковый срок
даже увеличено (7,3);
– наблюдается сокращение сроков прохождения
стадии куколки во всех сериях с 8 дней в
контроле № 1 до 5–6 дней в сериях № 1–3.
– пик вылета задерживается (15-й день в
контроле № 1 и 17-й день в контроле № 2);
– стадия куколки в сериях скрещивания с
пораженными мухами проходит быстрее;
– массовый лёт приходится на 13–14-й дни;
– общая протяженность срока вылета снижается
с 9 (контроль № 1) до 4–5 дней (серии №
1–3).
Заключение
Таким образом, наличие фенола в
питательной среде сходно влияет на онтогенез
дрозофил разных линий. В целом действие фенола
сводится к следующим эффектам:
– сокращаются сроки прохождения
основных этапов онтогенеза;
– раньше наступают пиковые сроки;
– несколько увеличивается плодовитость мух.
С нашей точки зрения, полученные
данные могут иметь следующие объяснения.
1. Задержка развития личинок связана с
нарушением их питания. Личинка с этой позиции –
основа для дальнейшего метаморфоза. Нехватка
питательных веществ или токсичные вещества
тормозят вхождение личинки в стадию куколки.
2. Опережающее развитие и укороченный
цикл развития мух, возможно, объясняется
какими-то внутренними резервами, направленными
на быстрейшее «освобождение» от вредной среды.
3. Большее количество куколок и мух в
пиковые дни может быть следствием увеличения
плодовитости мух в связи с токсичностью среды и
возможной гибелью потомства.
Данные выводы являются лишь
предварительными. Мы не анализировали влияние
концентрации фенола на развитие мух, а также не
учитывали соотношение особей, входящих в стадию
и выходящих из нее. Работы по изучению влияния
химических загрязнителей окружающей среды на
онтогенез организмов будут продолжаться и в
дальнейшем.
*Пораженными считались мухи, выросшие на
среде с добавлением фенола (второе поколение).
|