Каким же образом можно найти в биоценозе наиболее чувствительные к данному веществу организмы? Ведь на различные вещества организмы реагируют тоже по-разному. Интересную схему эксперимента предложил профессор МГУ Н. С. Строганов — получить избыточную информацию, взять спектр концентраций исследуемого вещества и испытать его на представительных организмах биоценоза. Как бы смоделировать в лаборатории действие токсикантов на различные цепи живого сообщества.
В группу представительных организмов берутся наиболее изученные и хорошо культивируемые в лабораториях организмы из каждой цепи биоценоза. Например, в водном биоценозе есть первичные продуценты — водоросли и высшие растения. Они синтезируют органическое вещество, используя солнечную энергию и минеральные соли, имеющиеся в водоеме. Но сразу же находятся потребители органического вещества, или первичные консументы, все те, кто питается растениями: микроскопические рачки, заглатывающие одноклеточные водоросли, и даже огромные рыбы — такие, как белый амур и толстолобики. Первичные консументы — это уже второй уровень пищевых цепей биоценоза. А вторичные консументы питаются первичными. Это самые крупные водные животные, в основном рыбы. Они составляют третий уровень пищевых цепей в водоеме. Хищные рыбы и люди — это уже четвертый уровень. Наконец, не надо забывать самых малых тружеников — бактерий. Их задача — до конца редуцировать органическое вещество, трупы животных, органические остатки снова перевести в минеральные вещества и замкнуть тем самым вечный круговорот жизни — ведь минеральные вещества снова начнут использовать растения.
Из каждого уровня биоценоза отбираются представители для токсикологического эксперимента.
Из растений удобнее всего взять одноклеточные водоросли хлореллу и сценедесмус, а также всем известную ряску, иногда летом покрывающую всю поверхность маленьких водоемчиков. Из первичных консументов берут планктонных ракообразных, чаще всего дафний, которыми буквально кишат пруды, а из донных животных, питающихся растительной пищей, — моллюсков-прудовиков. И наконец, рыб на различных стадиях развития. Рыб лучше брать промысловых, так как именно их нужно защищать от вредных веществ. Очень чувствительной к токсикантам считается форель. И последнее. Нужно, чтобы и бактерии не пострадали от исследуемой на токсичность концентрации вещества: без них не завершится круговорот веществ.
Вот каким сложным путем приходится идти в настоящее время, чтобы, используя «живые приборы», установить предельно допустимую концентрацию вещества (ПДК). Понятно, что приходится пользоваться такой громоздкой схемой потому, что пока мы еще плохо знаем наиболее чувствительные периоды индивидуального развития у организмов и еще не разработаны теоретические основы реагирования живых систем на загрязнение окружающей среды. Со временем люди наберутся опыта и создадут наиболее гибкие системы, в которых «живые приборы» будут играть важную роль.
Рыбы-контролеры
Самый простой прием исследования токсичности воды — «рыбная проба». Наиболее чувствительных к вредным веществам рыб — окуней, ершей, форелей, щук, налимов и судаков — помещают в сетчатом садке в реку и ведут за ними наблюдение или же ставят опыты в аквариумах, заполненных загрязненной и чистой водой для контроля.
Напомню еще раз о тончайшей способности рыб определять в воде самые малые концентрации веществ и о строении аппарата, которым они производят этот анализ. Беспокойное поведение по сравнению с контрольными рыбами — это уже сигнал. Ну а если рыба начала терять ориентировку в пространстве, переворачиваться и даже гибнуть, значит, вода содержит вредные вещества в больших концентрациях.
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?