Несмотря на огромное значение экспериментальных данных по токсикологии рыб и очень широкой научной информации по загрязнению природных водоемов, все в большей мере проявляется необходимость экотоксикологических исследований. Теоретическим обоснованием такого направления следует считать концепцию, выдвинутую Н.С. Строгановым [45]. Сущность этой концепции заключается в сохранении вида через физиолого-биохимические нарушения в организме в условиях различного по масштабам и уровню загрязнения водоемов. Кроме этого, автор акцентировал внимание и на товарном качестве промысловых видов. Данная концепция привлекательна тем, что она объединяет все основные биологические и хозяйственные положения проблемы в единое целое. Сущность биологической части заключается в мониторинге за естественным воспроизводством популяции рыб и формированием их численности с привлечением физиолого-биохимических показателей, отражающих состояние организма и приспособление его к внешним воздействиям. Тем самым трудности изучения репродуктивной системы рыб в эксперименте снимаются и вместе с тем, критериями устойчивости организма в новых условиях служат результаты физиолого-биохимического анализа различных систем.
Словом, значение выдвинутой концепции заключается в единстве всех уровней организации от молекулярного до популяционного. В более широком аспекте экотоксикологические вопросы разработаны с позиции изменения общей биопродуктивности морей и Мирового океана С.А. Патиным [36] с привлечением данных анализа прямого влияния нефти, тяжелых металлов, пестицидов на основные показатели биологических процессов в гидроэкосистеме.
В экотоксикологических исследованиях отдаленных последствий токсикоза у рыб возникает известная трудность которая заключается в экстраполяции данных с организменного на популяционный уровень. Исходя из концепции сохранения вида, эта трудность становится преодолимой, если наряду с анализом органов, выполняющих детоксикационную функцию в преднерестовый период, изучается морфогенез половых клеток. Нами получены данные гистопатологического анализа печени и гонад на примере каспийских осетровых в речной период жизни. Печень, кроме основной детоксикационной функции, синтезирует белки, необходимые для роста и развития ооцитов. Одной из конкретных форм гепатозависимости является синтез белка вителлогена в печени, который, поступая в гонады, превращается в вителлин на стадии трофоплазматического роста клеток. Такая связь подтверждается данными, полученными другими исследованиями [1]. Впервые экспериментально была доказана атрезия ооцитов на фоне патоморфологических нарушений в печени карпа под влиянием гербицидов [37]. С накоплением ПХБ и ПАУ у рыб наблюдали гепатосомальную индукцию, сопряженную с понижением вителлогенина в крови [53].
Результаты наших исследований показали, что в период с 1982 по 1990 годы в печени рыб наблюдались различные по тяжести патогистологические нарушения. Методическая часть качественной и количественной оценки этих нарушений изложены в сборнике методик [18]. Сущность этих изменений проявлялась в виде мелковакуолизированных гепатоцитов, в других случаях эти явления представлены вакуольной дистрофией с небольшими переваскулярными и перипортальными инфильтратами. Наиболее тяжелые изменения характеризовались дискомплексацией печеночных пластинок, обширными клеточными инфильтратами вокруг портальных трактов, фибриноидным набуханием стенок сосудов некробиозом печеночных клеток с явлениями локального некроза. Тяжесть нарушения сопровождалась увеличением количества липидов, снижением РНП и ДНП в гепатоцитах, выявляемых гистохимическими методами. Снижение количества таких макромолекул, каковыми являются РНП и ДНП, ведет к сокращению образования белка в печени и истощению возможности трансляции генетической информации.
Все эти изменения в печени существенно не отразились на структуре ооцитов, но признаки предрезорбции зарегистрированы в виде набухания студенистой оболочки, в других случаях - истончения оболочек и в единичных случаях - разрыва наружной оболочки. В скелетной мускулатуре наиболее в выраженные деструктивные нарушения наблюдались с 1987 по 1990 года. Эти изменения резко снизили товарное качество балычных продуктов осетровых рыб, в связи с чем были проведены исследования с привлечением различных специалистов [28, 11, 9, 7, 35, 4].
По нашим данным в мышце спины гистологически выявлены изменения в виде разволокнения пучков, фрагментации мышечных волокон, локального исчезновения характерной поперечно-полосатой исчерченности. Встречались гомогенезированные участки безъядерных миофибрилл. Все описанные изменения в печени, мышцах, гонадах среди каспийских осетровых описаны и другими исследователями [4, 3, 38, 49, 16]. В тот же период предрезорбционные признаки в половых клетках в виде истончения оболочки и ее разрыва отмечены уже в ранний период созревания гонад каспийских осетровых, а также у сибирского осетра [2]. Подобные явления вплоть до угасания функции репродуктивной системы описаны и среди азовских осетровых [25]. Полная стерильность на фоне патологических нарушений печени зарегистрирована у карповых и окуневых рыб Обь-Иртышского бассейна [41]. Каким образом предрезорбция ооцитов отразилась на выживаемости личинок и на промвозврате каспийских осетровых в период исследования? Собственных данных и среди опубликованных материалов в литературе по этому вопросу нет. Тем более представляют интерес результаты исследований на примере истончения оболочки ооцитов сазана, что отразилось на резком снижении выживания личинок [12]. Аналогичная зависимость зарегистрирована у птиц под влиянием ДДТ [55].
В природных условиях установить зависимость накопления токсикантов во внутренних органах рыб от количества их в водной среде не всегда прослеживается. Это объясняется, во-первых, динамичностью функционального состояния рыб, во-вторых, как отмечалось выше, качественные и количественные изменения самих токсикантов в воде носят стохастический характер. Кумуляция токсикантов происходит в связи с тем, что скорость поступления их в организм превосходит скорость их выведения. Для понимания связи материального и функционального накопления нами был проведен корреляционный анализ на примере осетра и севрюги. Результаты позволили установить широкое варьирование характера и силы корреляции в зависимости от вида и половой принадлежности рыб. Коэффициент корреляции, превышающий 0,40, отмечен по накоплению металлов и ХОП с уровнем влаги, холестерина, РНП, фосфолипидов в печени. При этом зависимость чаще наблюдалась среди самок. Характер корреляции уровня металлов и ХОП с влагой положительная, а связь других показателей с токсикантами была и прямой и обратной [21]. В общий чертах эти данные не отличались и по результатам анализа мышц и гонад. Зависимость деструктивных процессов в печени от уровня токсикантов очень слабая, коэффициент составил >0,3, но, что, самое главное, эта связь обычно прямая. По другим данным связь уровня тяжелых металлов с деструкцией скелетных мышц каспийских осетровых в тот же период времени не установлена [35]. Также наблюдали отсутствие связи уровня накопления ПХБ с патологическими изменениями во внутренних органах трески, выловленной в Атлантике. Следовательно, структурные нарушения прогрессируют по мере увеличения количественного содержания токсикантов. Обращает на себя факт тесной корреляции уровня металлов с липидами, что наблюдали в печени трески [56]. Известная прямая связь накопления ХОП с уровнем липидов в связи с липофильными свойствами пестицидов, видимо, распространяется и на металлы. Можно лишь предположить, что элементы образуют промежуточные соединения с белками, обладающими средством к липидам. Известно, что уровень накопления стабильных пестицидов увеличивается на порядок по трофической цепи от одного звена к другому [8, 13].
Таким образом, собственные и опубликованные в современной научной литературе данные, свидетельствуют об индуцирующей роли печени в процессе функционального накопления. Патологические явления в гепатоцитах, сосудистые расстройства, снижение белоксинтезирующей функции печени со временем приводят к морфологическим нарушениям половых клеток в процессе их созревания и деструкции скелетной мышцы спины, что и наблюдалось среди каспийских осетровых с 1987 по 1990 годы исследования. Последующие наблюдения с 1990 до 2001 года позволили получить новые факты индуцирующей роли печени, но уже в процессе регрессии деструктивных нарушений. В этот период исследований, за редким исключением, не отмечено случаев некробиозf и некрозf, в печени осетровых, повсеместно были зарегистрованы явления регенерации в виде двуядерных гепатоцитов (митоза), фиброза портальных трактов. На фоне репарации в печени существенные изменения произошли в скелетной мускулатуре и гонадах. Так, в мышце спины отсутствовали явления извистости, фрагментации микрофибрилл и разрывов мышечных пучков. В гонадах ооциты - преимущественно без изменений. Заметно возросло содержание гистохимически выявляемых РНП и ДНП, до показателей нормы понизился уровень липидов в гепатоцитах. Важно отметить, что в 1993 году вновь отмечались случаи усиления деструкции в печени, но в последующие годы регрессивные явления продолжали развиваться, в связи с чем значительно возросло количество особей с условной нормой. Таким образом, регенерация носила колебательный характер, что согласуется с опубликованными данными экспериментальных исследований на примере репарации митохондрий печени трески после снятия действия пестицида кепона [46].
Процесс регенерации не всегда завершается полным восстановлением (реституцией), и в области медицины изучены патологические формы репарации на клеточном уровне. На примере печени теплокровных животных имеются опубликованные фактические данные опухолевого роста в ходе пролиферации клеток [10]. В печени каспийских осетровых зарегистрированы опухоли в печени, гонадах и других органах [39]. Опухоли в печени были обнаружены у типичного представителя бентофагов камбалы в Балтийском море [43]. В условиях промышленного загрязнения Лос-Анджелеса у рыб, обитающих в природных водоемах, зарегистрированы случаи ослабления сократительной способности скелетной мускулатуры, пучеглазие, опухоли вокруг рта [63]. Установлена связь ксенобиотиков с радикалами цепных реакций в организме, которые способствуют опухолевому росту в печени рыб [58]. В заливе Пьюдж-Саунд обнаружено 900 загрязняющих веществ. У рыб, обитающих в этих условиях, выявлены гепатоз, некроз, неоплазия, а частота таких изменений коррелировала с содержанием ароматических углеводородов в донных осадках [57, 58]. Распространение опухолевых заболеваний среди промысловых видов рыб, безусловно, снижает качество сырья и создает опасность онкозаболеваний среди людей. Но вероятность прямого заражения людей, употребляющих больную рыбу, по некоторым данным не подтверждается [54].
Подобные формы патологической регенерации объясняются пролиферацией клеток, которые у некоторых особей в результате выхода части клеток из-под общего контроля завершается опухолевым ростом. С позиции современной теории патологии патоморфокинез и регенерация представляются как единый процесс [40]. На этом основании Р.К. Данилов [15] рассматривает физиологическую регенерацию в единстве с морфологической изменчивостью (гетероморфия) в новой пространственной организации структурных элементов (гетерокинезис), присущей субклеточному, клеточному и тканевому уровням. Следовательно, пролонгирование кинетики патологических изменений в организме животных дикой фауны не может быть однозначным, поэтому реальной основой таких исследований является постоянный мониторинг за состоянием биообъектов, имеющих хозяйственное значение.
Начиная с 1990 года, нами были предприняты дополнительные исследования по изучению окислительно-восстановительных процессов в организме рыб, о которых судили по активности выявляемых гистохимически ферментов - оксидоредуктаз. Всего для анализа регистрировали 3 группы ферментов: 1 - аэробного окисления - специфические дегидрогеназы (сукцинат-, малат,-изоцитрат-, глутаматдегидрогеназы);
2 - анаэробного гликолиза и пентозного цикла (лактат-, α- глицерофосфат-, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы);
3 - конечного звена дыхательной цепи - цитохромоксидазы.
На данном этапе исследования в период с 1990 по 1995 годы у рыб в печени с деструктивными изменениями, по сравнению с условной нормой, активность ферментов регистрировалась на низком и умеренном уровнях. При этом отмечена повышенная активность ЛДГ, что указывает на преобладающее значение анаэробного гликолиза над аэробным окислением, уровень которого понизился за счет снижения активности сукцинат-, глутамат-, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназ и цитохромоксидазы. В мышцах и гонадах общий уровень активности ферментов у рыб с гистоструктурными нарушениями, как и в печени, ниже, чем у рыб без нарушений [19].
На основании полученных данных анализ изменения активности оксидоредуктаз в печени осетровых классифицируется инверсией обменных процессов с преобладанием малоэффективного пути окисления, что связано с деструктивными явлениями в печени и мышце на этапе регенерации. В гонадах устойчивый анаэробиоз может привести к задержке созревания ооцитов. В общих чертах превышения анаэробиоза в гепатоцитах согласуется с опубликованными данными, полученными биохимическими методами анализа [50, 14, 32]. В зарубежной литературе имеются сведения о повышении активности цитохрома и гидролаз в печени у рыб, выловленных в загрязненных районах, по сравнению с рыбами, обитающими в относительно чистых участках [61, 62].
В свете изучения вопросов кумулятивного токсикоза большое значение имеют результаты экспериментальных данных. В опытах под влиянием острых концентраций хлорида ртути в печени гамбузии наблюдали увеличение активности малат-, и оксилацетатов при одновременном снижении глюкозо-6-фосфата и лактата. Под влиянием хлористой ртути в печени змееголова отмечали снижение щелочной фосфатазы, глюкозо-6-фосфатазы, амилазы, лактазы, кроме кислой фосфатазы и мальтазы [60]. В познании механизма химической трансформации ксенобиотиков в организме рыб большое значение имеют фактические данные, опубликованные в зарубежной литературе. Например, установлено участие монооксигеназ и цитохрома Р-450 в процессе превращения чужеродных соединений [61]. Также известны факты участия цитофхрома Р-450, оксидаз и цитозольной трансферазы в превращении гексациклопентадиена в печени ушастого окуня [59].
Анализ собственных и опубликованных материалов в отечественной и зарубежной литературе приводит к выводу о возможности организма противостоять негативному влиянию экзотоксикантов. Реальной основой сопротивляемости организма является биокатализ. В этих процессах изменение активности ферментов следует рассматривать в качестве первичной реакции биологически активных веществ, направленной на детоксикацию чужеродных соединений. Наиболее глубоко эти процессы происходят в печени в реакциях гидролиза, коньюгации, полимеризации ксенобиотиков, что основательно доказано на теплокровных животных [24]. Определенную роль в детоксикации печень выполняет за счет анатомической основы, каковой является воротная система кровообращения печени. Доказано, что ксенобиотики и лекарственные препараты из печени по желчным протокам поступают в кишечник, откуда резорбируются в кровь и по воротной вене вновь поступают в печень [6]. У рыб эта система, хотя и менее развита [44], но в принципе не отличается от гомотермных животных, по всей видимости, трудно выводимые токсиканты циркулируют в этом цикле до того момента пока в печени полностью не произойдут химические превращения токсикантов до растворимых форм, легко выводимых через почки или другими путями из организма. Основываясь на собственные и опубликованные данные, такой цикл может продолжаться годами без нового поступления токсиканта в организм.
Существенный интерес представляют и другие пути детоксикации. Например, известна способность альбумина связывать различные вещества [30]. Этот процесс также неоднозначный. Как показывают исследования, макромолекулы, обладая конформационной способностью, изменяют свою активность по отношению к различным веществам. Это может при определенных условиях привести к денатурации молекул (нарушению первичной структуры), что в итоге вызывает патологические нарушения тканей [29].
Защитные реакции организма проявляются также в виде образования комплексных соединений токсикантов с белками, обладающими специфическим сродством к конкретному яду [23]. К числу таких белков относятся иммуноглобулины, образующиеся в печени и иммунокомпетентных клетках, в качестве ответной защитной реакции организма. В сущности данный механизм отражает антителообразование, что является сутью врожденного и приобретенного иммунитета высших позвоночных животных [27], в том числе и рыб [31]. В современной научной литературе имеются данные прямого доказательства структурно-функциональной перестройки в иммунокомпетентных органах карпа под влиянием карбофоса [20]. Установлено образование неспецифического иммунного комплекса в крови в ответ на воздействие карбофосом, но при определенном количественном уровне комплекса следует подавление естественного иммунитета [33]. Сопоставляя эти данные с конформационными перестройками макромолекул, прослеживается однозначный результат, заключающийся в качественных изменениях процесса детоксикации, при которых наступает расстройство самой адаптационной функции. При этом развитие структурных нарушений, как было показано выше, сменяется их регрессией (регенерацией), которая может протекать и при неизменных условиях во внешней среде. В этой связи возникает вопрос, что же является толчком к регенерации? Обращаясь к учению о функциональной системе, регенерация - результат самоиндукции патологического процесса [5]. Данное положение мы не распространяем на все случаи, ибо обусловлено это индивидуальной устойчивостью. Следовательно, при одних и тех же нарушениях часть популяции будет погибать, другая будет противостоять негативному влиянию факторов внешней среды. Для обоснования этого положения необходимо обратиться к анализу вербальной модели кинетики патологических изменений, которые позволяют объяснить общие и отдельные элементы адаптивной модификации современных каспийских осетровых, испытывающих влияние токсикантов в водной среде.
Кинетика морфофункциональных нарушений в организме осетровых наиболее четко выявлена нами на основании альтернативного анализа по экстенсивно-структурному показателю, который вместе с тем отражает индивидуальную устойчивость рыб в современных экологических условиях [42]. В 90-е годы процент рыб с условной нормой резко увеличился и далее колебания составляли от 15 до 50 % особей, считая от общей выборки. В тот же период совершенно отсутствовали особи с тяжелыми нарушениями (некробиоз и некроз), количество которых в 80-е годы достигало 34%. Умеренные и ниже умеренного уровня патологические изменения также носили колебательный характер, но в 90-е годы процент таких случаев был выше предыдущего периода [19]. Таким образом, вербальная модель позволят рассмотреть индивидуальную изменчивость в пространственно-временном аспекте.
Используя данные этой модели, рассмотрим характер динамики с точки зрения индивидуальной резистентности, адаптации организма и популяции к внешним факторам среды, от силы и времени воздействия которых возникает избирательная или неизбирательная (сплошная) гибель. Примером неизбирательной смертности являются случаи массовой гибели рыб при критическом уровне загрязнения, и здесь избирательная смертность равна нулю [51, 48]. Среди каспийских осетровых массовая гибель до конца 80-х годов происходила многократно, особенно в конце 60-х и 70-е годы [34]. В открытой печати эти случаи не публиковались, за исключением массовой гибели, произошедшей в 80-е годы, когда в преддельтовой части реки Волги погибло 1500 экземпляров осетровых [22]. Если массовая гибель половозрелых особей очевидна, то избирательная гибель происходит постепенно в течение длительного периода времени и поэтому визуально зарегистрировать ее трудно, а тем более установить причину гибели.
Литература