ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИИ РАЗМНОЖЕНИЯ ПОЗВОНОЧНЫХ, НАСЕЛЯЮЩИХ АНТРОПО­ГЕННО ТРАНСФОРМИРОВАННЫЕ ЛАНДШАФТЫ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ЮЖНОГО УРАЛА  (МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ, ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ)

BIOLOGY REPRODUCTIOIN OF VERTEBRATA UNDER CONDITIONS OF ANTROPO­GENIC LANDSCAPE TRANSFORMATION OF THE SOUTH URALS STEPPE ZONE PO­PULATIONS (MORPHOLOGICAL, PHYSIOLOGICAL AND ECOLOGICAL ASPECTS)

Н.Н.Шевлюк¹, Л.Л.Дёмина², Е.В.Блинова¹, Д.А.Боков¹, О.А.Мешкова²,  Л.Н.Филатова²

N.N.Shevlyuk¹, L.L.Dyomina², E.V.Blinova¹, D.A.Bokov¹, O.A.Meshkova², L.N.Filatova²

¹Оренбургская государственная медицинская академия

(460000, Оренбург, Советская, 6, e-mail: k_histology@orgma.ru)

¹Orenburg State Medical Academy

(Russia, 460000, Orenburg, Sovetskaya, 6, e-mail: k_histology@orgma.ru)

²Оренбургский государственный педагогический университет

(460000, Оренбург, Советская, 19)

²Orenburg State Pedagogical University

 (Russia, 460000, Orenburg, Sovetskaya, 19)

С использованием морфологических, физиологических и экологи­ческих методов исследована биология размножения 9 видов позвоноч­ных (амфибий, рептилий и млекопитающих), обитающих в санитарно-за­щитной зоне газоперерабатывающего завода и в зоне влияния предп­риятия чёрной металлургии в степной зоне Южного Урала. Интенсифи­кация размножения (возрастание плодовитости самок, снижения возрас­та полового созревания) у одних видов (лесная мышь) компенсировало негативные сдвиги в размножении, возникающие под воздействием тех­ногенных факторов (более быстрое истощение резерва фолликулов в яичниках, повышенная эмбриональная смертность, нарастание деструк­тивных изменений в мужских и женских гонадах) и обеспечивало сох­ранение численности населения популяций. У других видов (озёрная лягушка, зелёная жаба, прыткая и живородящая ящерицы, малый и рыже­ватый суслики) напряжённое функционирование органов размножения оказалось недостаточным для компенсации ущерба от негативных тех­ногенных воздействий.

The biology of reproduction of 9 species of vertebrata (amp­hibians, reptiles and mammals) inhabiting the sanitary protective zone of the gas processing plant and the zone expozed to the impact of metallurgical enterprises was investigated with morpholo­gical, physiological and ecological methods. Intensification of the reproduction (growth of female fecundity, reduction of the puberty age) in some species (forest mouse) compensated for the negative changes in the reproduction which resulted from the influence of the industrial factors (premature loss of ovarian follicular re­serve, accelerated embryonic death rate, increased destructive changes in the gonads) and provided for the preservation of the population sizes. The intense functioning of reproductive organs in the other species was insufficient to compensatory for the da­mage inflicted by the man-caused actions. 

Одним из приоритетных направлений современной зоологии поз­воночных, направленным на сохранение генетического разнообразия, на сохранение видов с низкой численностью,  является изучение биоло­гии размножения  [8, 9].

В данной работе с использованием комплекса методов исследо­ваны вопросы биологии репродукции, стратегии выживания и механиз­мов адаптации представителей амфибий, рептилий и млекопитающих,  населяющих экосистемы степной зоны Южного Урала, постоянно испыты­вающие результаты хозяйственной деятельности человека.

Материал и методы. Объектами изучения служили органы мужской и женской репродуктивных систем половозрелых особей амфибий - озёрная лягушка Rana ridibunda (63), зелёная жаба Bufo viri­dis (27), рептилий - прыткая ящерица Lacerta agilis Linna­eus, 1758 (65), живородящая ящерица Lacerta vivipara Jacqu­in, 1787 (29), млекопитающих из отряда грызунов - малый суслик Sper­mophilus pygmaeus Pallas, 1778 (148), рыжеватый суслик Spermophilus major Pallas, 1779 (202), лесная мышь Apodemus sylvaticus Linna­eus (144), обыкновенная полёвка Microtus arvalis Рallas (42) рыжая полёвка Clethrionomys glareolus Schreber, 1780 (66), степная пест­рушка Lagurus lagurus Pallas, 1773 (55).

Сбор материала проводили в санитарно-защитной зоне Оренбург­ского газзавода и в зоне влияния Орско-Халиловского металлурги­ческого комбината "Уральская сталь" в весенне-летние сезоны 1997 - 2011 годов. Контролем служили гонады животных тех же видов, насе­ляющих экологически благополучные экосистемы Южного Урала.

Для световой микроскопии материал фиксировали в 12% водном растворе нейтрального формалина, спирт-формоле. Парафиновые срезы толщиной 5 - 7 мкм окрашивали гематоксилином Майера и эозином,  перйодатом калия и реактивом Шиффа по Мак Манусу [2].

Для электронной микроскопии материал последовательно фикси­ровали в 2, 5% растворе глутарового альдегида и 1% растворе четы­рёхокиси осмия, обезвоживали в ацетоне возрастающей концентрации и заливали в ЭПОН-812. Ультратонкие срезы, изготовленные на ультрато­ме LKB-5, подвергали двойному контрастированию растворами ура­нил-ацетата и цитрата свинца. Исследование ультратонких срезов и их фотографирование производили в электронном микроскопе ЭМВ 100 АК при увеличениях 4500 - 40000.

С использованием иммуноцитохимических методов в семенниках лесной мыши и рыжей полёвки выявляли содержание проапоптотическо­го белка Р53 и антиапоптотического белка bcl2.

На светооптическом уровне в семенниках определяли площа­ди, занимаемые извитыми семенными канальцами и интерстициальной тканью, подсчитывали число канальцев с деструкцией сперматогенного эпителия, измеряли диаметр извитых семенных канальцев, объёмы кле­ток Лейдига и их ядер, подсчитывали количество функционально ак­тивных клеток в популяции интерстициальных эндокриноцитов [4, 5]. В яичниках определяли площади коркового и мозгового вещества, в кор­ковом веществе подсчитывали количество фолликулов разной степени зрелости и определяли их размеры. В матке подсчитывали количество плацентарных пятен. На электронограммах клеток Лейдига определяли объёмы митохондрий и гладкой эндоплазматической сети.

Об участии самок в репродукции судили по наличию потомс­тва, по обнаружению эмбрионов и плацентарных пятен в матке, граафо­вых пузырьков в яичниках. О возможном участии самцов в размножении судили по состоянию сперматогенного эпителия в извитых семенных канальцах [3, 4, 5]. Полученные цифровые данные обрабатывали на компьютере с использованием программы Statistica 6.0.

Результаты исследований и их обсуждение.

Ведущим фактором в определении состояния популяции того или иного вида является его численность на конкретной территории. Ре­зультаты исследований показали, что численность населения исследо­ванных позвоночных в условиях антропогенно изменённых территорий существенно снижена.

Одной из характерных форм реакции животных на антропогенный прессинг (как и на действие многих других экстремальных факторов неантропогенного происхождения) является интенсификация процессов размножения на фоне повышенной смертности  (в том числе и эмбрио­нальной) особей [1, 5, 6, 7]. Согласно нашим данным, доля ежегодно участвующих в репродукции самцов и самок исследованных видов гры­зунов в экологически благополучных регионах не превышает 70%. Что же касается экосистем из зон влияния газзавода и металлургическо­го предприятия «Уральская сталь», то в этих экосистемах доля разм­ножающихся самцов и самок превышает таковую для естественных не­изменённых экосистем. Так, в популяциях из зоны влияния металлурги­ческого предприятия доля размножающихся животных приближалась к 100 процентам.

Нами выявлено, что в условиях значительного антропогенного прессинга на экосистемы (в зоне влияния предприятия чёрной метал­лургии) у ряда грызунов наблюдается тенденция к сокращению сроков полового созревания (и участию в репродукции животных меньшей мас­сы в сравнении с животными естественных биоценозов) и усиленному темпу размножения. При менее значительном антропогенном прессин­ге (в популяциях позвоночных из санитарно-защитной зоне газзавода) эта тенденция также проявлялась, но была менее выражена.

Соотношение полов у позвоночных из исследованных антропоген­но изменённых экосистем для большинства наблюдаемых видов было близким к 1:1,  либо отмечалось некоторое преобладание самок.

Анализ препаратов семенников показал, что у животных, обитаю­щих в зоне влияния предприятия чёрной металлургии выявляются деструктивные изменения как в извитых семенных канальцах, так и в интерстиции органа. Степень выраженности морфофункциональных нару­шений была выше в сперматогенном эпителии по сравнению с популя­ций интерстициальных эндокриноцитов (клеток Лейдига).

В канальцах с повреждениями сперматогенного эпителия наибо­лее часто отмечались следующие нарушения:  1) отслоение спермато­генных клеток и слущивание их в просвет извитых канальцев; 2) по­вышение в сперматогенном эпителии доли клеток с пикнотическими ядрами; 3) незначительное повышение доли сперматоогенных клеток с микроядрами (прежде всего, в популяции сперматогоний); 4) наличие в канальцах гигантских одно- или многоядерных клеток. Выраженность деструктивных изменений была выше у животных, обитающих на расстоянии до 15 км. от предприятия в сравнении с животными, отловленных из популяций, находящихся на расстоянии 30-50 км. от предприя­тия. Сравнительный анализ деструктивных изменений в семенниках по­казал, что органы репродуктивной системы амфибий и рептилий менее устойчивы к воздействию комплекса техногенных факторов предприя­тия в сравнении с изученными млекопитающими.

На фоне выраженных деструктивных изменений в извитых семен­ных канальцах семенников в интерстиции органа отмечались разно­направленные изменения среди эндокриноцитов. У одних животных от­мечалась активизация секреторной функции клеток Лейдига, у других - её угнетение, причём количественно преобладали животные с акти­визацией эндокринной функции семенников. В ряде случаев было от­мечено разрастание соединительной ткани в интерстиции органа на фоне угнетения секреторной функции клеток Лейдига. Подобные изме­нения с одной стороны являются отражением напряжённого (на грани истощения) функционирования мужских гонад амфибий, рептилий и мле­копитающих в исследованных экосистемах, с другой стороны свиде­тельствуют о значительной устойчивости эндокринных структур се­менников к действию негативных факторов среды обитания.

Подобная тенденция проявлялась и у животных, населяющих эко­системы, испытывающие влияние газзавода, но проявления её были не столь манифестными, как у животных, испытывающих влияние негативных факторов металлургического производства Сравнительный анализ гистологических препаратов яичников по­казал, что у животных, обитающих в зоне влияние металлургического производства наблюдалось более раннее и быстрое достижение макси­мума сезонного угнетения эндокринной и герминативной функций яич­ников. В популяциях позвоночных, населяющих экосистемы, подверженные влиянию газзавода, подобная закономерность также наблюдалась, но была выражена слабее.

В яичниках половозрелых самок у всех исследованных видов млекопитающих из антропогенно изменённых экосистем деструктивные изменения выражены более рельефно по сравнению с самцами. Эта тенденция проявлялась у всех исследованных видов млекопитающих, причём, менее выраженными процессы истощения резерва фолликулов в яичнике наблюдались у са­мок лесной мыши. Снижение числа фолликулов в яичниках животных из зоны техно­генных влияний связано прежде всего с интенсификацией размноже­ния, проявляющейся в более массовом созревании фолликулов, а также и с повышенной атрезией покоящихся, растущих и полостных фоллику­лов (значительная часть фолликулов подвергалась деструктивным из­менениям, причём, более устойчивыми к действию техногенных факторов оказались покоящиеся фолликулы). Повышенная элиминация фолликулов яичников может рассматриваться и как результат негативных воз­действий техногенных факторов на репродуктивную функцию, и, в то же время,  как элиминацию генетически дефектных половых клеток, нап­равленную на защиту генофонда популяции.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что в популя­циях исследованных амфибий, рептилий и млекопитающих, подверженных длительное время воздействию негативных техногенных факторов газ­завода и металлургического производства,  проявляются те же адап­тационные механизмы, которые свойственны и популяциям этих видов, населяющих территории, где негативными факторами являются выбросы предприятий других отраслей (химическая, нефтяная и т. д.). Это ука­зывает также на то, что в процессе эволюционных преобразований у позвоночных сформировался комплекс неспецифических компенсаторных механизмов, которые проявляются в процессе адаптации к любым нега­тивным  (антропогенным и неантропогенным) воздействиям среды оби­тания и способствуют длительной персистенции вида и в антропоген­но изменённых ландшафтах. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Лукьянова Л.Е., Лукьянов О.А. Реакция сообществ и популя­ций мелких млекопитающих на техногенные воздействия. II. Популя­ции (рыжая полёвка как модель) // Успехи совр. биол., 1998. Т. 118,  вып. 6, с. 693 - 706.
2. Пирс Э. Гистохимия теоретическая и  прикладная. М.: Изд-во И.Л., 1962. 944 с.
3. Шевлюк Н.Н., Руди В.Н., Стадников А.А. Биология размножения наземных грызунов из семейства беличьих. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 146 с.
4. Шевлюк Н.Н., Стадников А.А. Клетки Лейдига семенников поз­воночных (онтогенез, ультраструктура, цитофизиология, факторы и меха­низмы регуляции). Оренбург: Изд-во ОрГМА, 2010. 484 с.
5. Шевлюк Н.Н., Блинова Е.В., Боков Д.А., Дёмина Л.Л. Морфофунк­циональная характеристика органов размножения грызунов из популя­ций, находящихся в зоне влияния завода, перерабатывающего газ с по­вышенным содержанием серы // Морфология, 2008. Т. 134, № 5. С. 43-47.
6. Шилова С.А. Популяционная организация млекопитающих в ус­ловиях антропогенного воздействия // Успехи совр. би­ол. 1999. Т. 119, № 5. С. 487-503.
7. Щипанов Н.А. Некоторые аспекты популяционной устойчивос­ти мелких млекопитающих // Успехи совр. биол., 2000. Т. 120, № 1. С. 73-
8. Mlot The science of saving endangered species // Bio Science. 1989. № 2. Р. 68-70.
9. Perez-Coll C.S., Herkovits J., Salibian A. Embryotoxity of lead on Bufo arenarum // Bull. Environ. Contam. and Toxi­col. 1988. 41, № 2.  Р.247-252.