Животные анализируют мир

Симаков Юрий Георгиевич

В промышленности, где идет выпуск сточных вод на многих технологических линиях, уже поставлены аквариумы с рыбками. Рыбки сигнализируют о благополучном или неблагополучном положении с очисткой воды, сбрасываемой в водоемы.

Однако выживаемость — все же достаточно грубый показатель «живого прибора». В этом вопросе ученые и конструкторы пошли дальше, применяя приборы, регистрирующие поведение рыб и их физиологические показатели. Некоторые из этих биотестирующих установок весьма оригинальны. Примером такого биотестирующего устройства может служить длинный лоток с форелями, поставленный на выходе очищенных вод. В основу биотестирования положено биологическое свойство форели держаться против течения у притока, то есть там, где исследуемая вода втекает в лоток. Как только нарушается технологический процесс на линии или в воде появляется примесь вредных веществ, рыбы уходят в противоположный конец лотка, где находятся фотоэлементы, соединенные с системой сигнализации. Рыбы перекрывают лучи света,

идущие через толщу воды от источников в фотоэлементы, и вслед за этим следует сигнал тревоги.

В некоторых случаях, чтобы форели случайно не заходили в зону фотоэлементов и не перекрывали лучи света, на заднем конце лотка создают слабое электрическое поле, которое рыбы достаточно хорошо ощущают и в чистой воде избегают его. При появлении же загрязнений они пренебрегают этим электрическим полем. Подобные биотестирующие установки работают на некоторых предприятиях в нашей стране и во Франции.

Могут ли рыбы кашлять? Оказывается, могут, но «кашель» их — это не что иное, как способ очистки жабер от различных загрязнений, когда посредством серии резких толчков загрязнения выбрасываются из жаберной полости. «Кашель» рыб давно известен и специалистам-ихтиологам, и любителям-аквариумистам, однако долго никому не приходило в голову использовать его. Группа сотрудников из Управления по охране природной среды США, возглавляемая Р. А. Драммондоном, несколько лет исследовала это свойство рыб на предмет применения его в биотестировании загрязнения воды. Они проверяли «кашель» у многих видов рыб и нашли, что лучше всего очищают свои жабры от загрязнений ушастый окунь, пескарь и форель. В чистой воде рыбы ведут себя спокойно, но достаточно в воду добавить примеси, как у рыб начинается приступ «кашля». Ученым удалось установить, что частота приступов зависит от степени загрязнения, а это уже первый шаг к созданию «живого прибора», показывающего величину загрязнения. К настоящему времени закончено создание промышленных систем, которые автоматически регистрируют «кашель» рыб, его частоту и подают сигнал тревоги, если загрязнение превышает установленные нормы.

А вот западногерманские токсикологи пошли несколько иным путем. Они решили регистрировать частоту электрических разрядов у нильской щуки в нормальной водной среде и при ее загрязнении. Здесь электрическая рыба используется как «живой прибор» дважды. Во-первых, рыба хеморецепторами очень тонко ощущает состав примесей в воде, а во-вторых, она «проверяет» показания своих вкусовых ощущений электрохимическим и электрическим способами. Посылая электрические импульсы и принимая их электрорецепторами, рыба реагирует на изменение электропроводности воды при появлении в ней примесей. Если вода загрязнена, нильская щука увеличивает частоту генерируемых электрических сигналов и тем самым сообщает, что пора принимать экстренные меры. Несмотря на высокую чувствительность живого электрического прибора, есть у него один недостаток — его нельзя использовать в шумной обстановке, при вибрациях, при наличии магнитных и электромагнитных полей. На все эти факторы нильская щука отвечает повышенной частотой генерируемых ею электрических импульсов.

Итак, рассмотрены интересные лабораторные и производственные биотесты, проводимые с помощью рыб. А можно ли проводить биотестирование непосредственно в водоеме? Здесь также достигнуты некоторые успехи. Французские ученые решили создать что-то наподобие рыбы-ищейки. Давно известно, что радужная форель обладает чрезвычайно острым «нюхом» и предпочитает жить в чистых источниках. Исследователи попытались установить, какова же способность форели реагировать на наличие примесей в воде. Выяснилось, что чувствительность необычайно высока: форель реагирует на примеси загрязнителей, величина которых не превышает десять нанограммов на литр. Для примера можно сказать, что такая концентрация регистрируется в автоцистерне с чистой водой, если в нее бросить щепотку соли. Оказывается, в мозгу форели существуют участки, ответственные за распознавание запахов. Причем электрическая активность этих участков и характер электрических импульсов зависят и от концентрации загрязнителя, и от его химической природы. В лабораторных условиях были расшифрованы электрические импульсы, соответствующие различным загрязнителям, таким, как пестициды, различные фенолы и другие вещества, содержащиеся в сточных водах. Появилась возможность по характеру электрических импульсов судить, какие вещества содержатся в воде и в каких концентрациях. Можно запускать форель-ищейку в водоем.

Для реализации этой цели биологи вживили в обонятельные области мозга радужной форели электроды и соединили их с миниатюрным передатчиком, прикрепленным к голове рыбы. Сигналы, передаваемые от рыбы, регистрировались приемником, расположенным на берегу. Правда, для их расшифровки понадобилось применение ЭВМ. Зато форель точно сообщала о присутствии в воде вредных примесей, об их концентрации и о месте, где произведен анализ. Обычными приборами такой анализ выполнить невозможно. Поскольку передатчик весит всего три грамма и не мешает форели, есть мнение, что рыба может успешно жить и «работать» с ним как «живой прибор» более двух лет.

Как видим, симбиоз сверхчувствительных

живых датчиков и электронных анализаторов очень полезен.

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 всё 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 своими 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 ракушку 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 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 она у двустворчатого моллюска немалая, 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 ракушку, 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.

В 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 — дрейссенами. Дрейссены переносят прикрепление лучше, чем перловицы — ведь они сами прикрепляются к сваям и решеткам так называемыми биссусными нитями, очень близкими по составу к шелку. У дрейссен 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 шесть 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 дрейссены.

В системах мониторинга все чаще начинают использоваться очень мелкие, даже микроскопические обитатели вод, 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, так селен, ванадий и цирконий, на скорость плавания тетрахимен позволяет через двадцать — тридцать минут определить наличие различных концентраций этих веществ в воде. Ведь в концентрациях всего пять — десять промилле веществ, они могут снизить скорость плавания на девяносто шесть процентов, которая у тетрахимен в норме составляет две тысячи семьсот микрометров в секунду, 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.