Изменения в природных биологических системах - Федоров В.Д

В.Д. ФЕДОРОВ

ИЗМЕНЕНИЯ В ПРИРОДНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ

Под редакцией и с комментариями профессора В.Н. Максимова

Москва

2004

1

УДК

ББК

С

Москва, издательство «Спорт и Культура», 2004, 368 стр.

В книге собраны работы автора по ключевым вопро5 сам биологии, экологии и гидробиологии второй поло5 вины XX века.

ISBN

2

СОДЕРЖАНИЕ

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

Обычно сборник статей известного (тем более выдающегося) уче5 ного под названием «Избранные работы», «Избранные сочинения» и т.п. – издают благодарные ученики после кончины (конечно, «без5 временной») их автора. Тем самым автор не только лишается удо5 вольствия еще раз увидеть свои творения напечатанными, но и теряет возможность убедиться в искренности своих ближайших сотрудни5 ков, демонстрирующих при его жизни свою преданность и уважение. Тем, кто знаком с В.Д.Федоровым, хорошо известно, что он редко упускает какие5либо возможности и еще реже отказывает себе в раз5 нообразных удовольствиях. Издание данного сборника – наглядное тому свидетельство. Впрочем, «пусть устыдится тот, кто дурно об этом подумает»: сидя на собственном чествовании, разве не задумы5 вается любой юбиляр над тем, что приветствия, даже самые задушев5 ные, представляют собой, быть может, «заготовки» надгробных речей…

Когда В.Д. Федоров предложил мне взяться за редактирование этого сборника, я принялся, было за классификацию этого достаточ5 но пестрого набора статей, с тем чтобы объединить их по определен5 ным темам, вроде: «Структура и функция биологических систем», «Измерение биоразнообразия», «Изменения в биологических систе5 мах – наблюдение и прогноз» и т.п. Однако после того как я прочел все эти работы (должн сознаться, что некоторые – впервые) и про5 комментировал многие из них, я пришел к выводу, что лучше всего расположить их просто в хронологическом порядке. В этом случае читатель может проследить не только эволюцию научных интересов автора, но и сопоставить эту «научную биографию» с развитием эко5 логии во 25й половине ХХ века, когда прикладные задачи стали до5 минировать над чисто академическими интересами исследователей.

Следует отметить, что начинал свою научную карьеру В.Д.Фе5 доров, как микробиолог, и его статья 1959 года «Полифосфаты фо5 тосинтезирующих бактерий», как принято говорить, «отражает основное содержание» его кандидатской диссертации. Когда после защиты он перешел на кафедру гидробиологии, он сначала пытался продолжать исследования этой, несомненно, очень интересной груп5 пы микроорганизмов. Познакомившись с методами планирования многофакторных экспериментов, он сразу оценил их полезность для биологов и, в первую очередь, для микробиологов. Характерно, что, используя факторные планы в своих собственных исследованиях, В.Д. Федоров немедленно принялся активно распространять идеи пла5 нирования эксперимента среди биологов. Небольшая заметка 1966 года «Методы математического планирования – новые пути исследования многофакторных биологических систем» (тезисы од5 ного из выступлений в Микробиологическом обществе) – это лишь отзвук той бурной профетической деятельности автора.

5

Проблема, однако, состояла в том, что для гидробиологов того времени эти идеи были не очень интересными, прежде всего пото5 му, что основным подходом в гидробиологических исследованиях было наблюдение, а не эксперимент. К тому же после смерти С.Н.Скадовского в 1962 г. заведующим кафедрой гидробиологии стал (не без участия В.Д.Федорова) В.Г.Богоров, который интере5 совался в первую очередь биологической продуктивностью Миро5 вого Океана, а вовсе не аутэкологией микробов и оптимизацией условий их культивирования. Как человек необыкновенно мудрый, основным принципом которого было «ничего не делать из принци5 па», он не препятствовал нашей с В.Д. Федоровым не слишком гидробиологической деятельности, но при всяком удобном случае давал понять, что пора бы заняться и чем5нибудь более полезным, ну, скажем, изучением процессов первичной продукции водоемов. В конце концов, это привело к тому, что во время одного из очеред5 ных пропагандистских выступлений (кажется, это было в институте Озероведения) В.Д.Федорову пришла в голову идея метода плани5 руемых добавок, суть которой изложена в статье 1967 года «Изуче5 ние методами математического планирования влияния добавок биогенных элементов на первичную продукцию водоемов».

Воплощение в жизнь этой идеи выразилось в организации много5 летних экспедиционных работ на Белом море, результаты которых и представлены в серии публикаций 1969/71 гг. На материале этих экспедиций было защищено несколько кандидатских диссертаций и докторская диссертация самого В.Д. Федорова, содержание которой отражено в статьях 1970 г. Одним из оппонентов на защите В.Д. Фе5 дорова был Г.Г. Винберг, который в свойственной ему ехидной мане5 ре отметил, что считает возможным присудить соискателю степень доктора наук, так сказать, «авансом». Я не думаю, что соискатель в душе был с этим согласен, но статьи, опубликованные вскоре после защиты, в 1971 и 1972 годах, несомненно были призваны доказать научной общественности, что аванс был выдан не зря.

Довольно резкий поворот в направлении исследований В.Д. Фе5 дорова произошел в 1971 году, когда совершенно неожиданно для всех нас скончался В.Г. Богоров и В.Д. Федоров стал заведующим кафедрой. Тут прежде всего, пришлось заняться не столько наукой, сколько административной деятельностью, важнейшей составной ча5 стью которой во все времена был поиск финансовых средств для дальнейшего развития этой самой науки. Должен заметить, что воп5 реки существующему сейчас мифу о процветании науки «в доброе старое время», с финансированием академической и университетс5 кой (т.е. фундаментальной) науки и в те годы дело обстояло вовсе не блестяще. Я уж не говорю о том, что прожить на зарплату стар5 шего лаборанта или младшего научного сотрудника без кандидатс5

6

кой степени было и тогда невозможно. Но и получить средства на организацию экспедиции, приобретение оборудования или на рас5 ширение штата научных сотрудников в университете можно было только за счет привлечения этих средств «со стороны». Сейчас это называют «найти спонсора» или «получить грант», а тогда говорили «заключить хоздоговор».

Такого спонсора и нашел В.Д.Федоров в лице Госкомгидромета, организации, одной из многочисленных задач которой было созда5 ние службы контроля окружающей среды. Впрочем, если уж гово5 рить о лицах, то правильнее было бы назвать личность, поскольку это был ныне здравствующий Ю.А. Израэль (да продлит Аллах его годы!). Точное название темы хоздоговора я уже не помню, но суть проблемы, которую нужно было решить, заключалась в разработке системы биологического мониторинга природных вод. Именно этой теме посвящены почти все статьи В.Д. Федорова в этой книге, опуб5 ликованные с 1973 по 1980 г. В свойственной ему манере он сразу начал с обоснования и формулирования основных принципов био5 логического мониторинга и в 1974 г. опубликовал две статьи с брос5 кими названиями: «К стратегии биологического мониторинга» и «Устойчивость экологических систем и ее измерение». В более по5 здних статьях эти основополагающие идеи были развиты и подкреп5 лены собственными экспериментальными работами.

Конечно, далеко не все эти идеи были восприняты и использова5 ны нашими заказчиками, но думаю тем не менее, что полученные по хоздоговору средства были потрачены не зря. Дальнейшие исследо5 вания и накопленный опыт внесли, конечно, определенные коррек5 тивы в наши представления о целях и методах экологического мониторинга. Кое5что об этом я попытался сказать в своих примеча5 ниях к статьям В.Д. Федорова, относящимся к этому периоду его деятельности. Примечания эти, конечно, весьма субъективны, но они в какой5то мере отражают те изменения, которые произошли за последние 20 лет в наших взглядах на механизмы функционирова5 ния экосистем и связь их состояния с внешними воздействиями.

В.Н.Максимов

7

ПОЛИФОСФАТЫ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ

Внастоящее время полифосфаты обнаружены у ряда низших орга5 низмов (бактерии, грибы, водоросли). Подобное изучение обмена по5 лифосфатов, проведенное в ряде лабораторий ((1–3) и др.), показало их важную роль во внутриклеточных превращениях фосфора и в энергетических процессах клетки. В связи с этим особый интерес представляет изучение вопросов о возможном участии полифосфатов

впроцессе бактериального фотосинтеза. До сих пор по этому вопро5 су нет сколько5нибудь определенных данных, и даже самое наличие полифосфатов в клетках фотосинтезирующих бактерий не доказано. Имеются лишь единичные указания на возможное присутствие поли5 фосфатных гранул у некоторых бактерий этой группы (4–6). Однако эти указания носят характер лишь предварительных предположений, выдвинутых на основании электронно5микроскопического изучения. На каких аналитических данных, подтверждающих наличие поли5 фосфатов у фотосинтезирующих бактерий, в литературе не имеется. Поэтому нами была в настоящей работе предпринята попытка обна5 ружить присутствие полифосфатов у фотосинтезирующих бактерий прямыми химическими методами. Это позволило бы поставить воп5 рос об изучении возможной связи процессов бактериального фото5 синтеза с обменом полифосфатов.

Вкачестве объекта были взяты чистые культуры представителей трех различных семейств фотосинтезирующих бактерий: зеленых серобактерий Chlorobium thiosulphatophilum (сем. Chlorobacte5 riaceae), пурпурных серобактерий Chromatium, штамм К (сем. Thiorhodaceae) и пурпурных несерных бактерий Rhodopseudomonas palustris (сем. Athiorhodaceae). Бактерии выращивали в анаэроб5 ных условиях при круглосуточном освещении на синтетических сре5 дах, предложенных для культивирования пурпурных бактерий Ван5Нилем (7) и зеленых серобактерий – Ларсеном (8). Урожай клеток снимали приблизительно в стационарной фазе роста. Не по5 требленные соли среды растворяли путем подкисления соляной кис5 лотой до 0,05 N, после чего бактериальную массу отделяли от среды центрифугированием, промывали дистиллированной водой и в те5 чение 3 часов и фиксировали 96% этанолом. Затем клетки обраба5 тывали смесью спирт5эфир (1:3) в течение 3–4 часов (для удаления основной массы каротиноидных пигментов), 2 раза эфиром и высу5 шивали в вакуум5эксикаторе над серной кислотой. Полученную су5 хую обезжиренную бактериальную массу использовали для анализа.

Ортофосфат определяли по методу Беренблюм и Чейна в модифика5 торе Вейль5Малерба и Грина (9) с небольшими изменениями. Суммар5 ное количество нуклеиновых кислот определяли спектрофотометрически

8

(10). При анализе бактериальной массы полифосфаты изучали как в кислоторастворимой, так и в кислотонерастворимой фракциях.

Для выделения кислоторастворимой фракции навеску сухих бак5 терий дважды экстрагировали при 0°С 2% хлорной кислотой: пер5 вый раз — в течение часа, второй — в течение 30 мин. Специальные опыты с Chlorobium thiosulphatophilum показали, что экстракция хлорной кислотой более высокой концентрации (6%) вызывает не5 которую деполимеризацию нуклеиновой кислоты (РНК) и ее час5 тичный переход в кислоторастворимую фракцию. Из полученной кислоторастворимой фракции полифосфаты осаждали свежеприго5 товленным раствором насыщенного уксуснокислого бария при рН 4,5. Бариевые осадки отделяли центрифугированием и промы5 вали дистиллированной водой. Нерастворимые бариевые соли по5 лифосфатов переводили в растворимые натриевые соли путем обработки катионитом У52 в Nа—форме. Водный слой с перешед5 шими в него полифосфатами отделяли от смолы центрифугировани5 ем. Смолу промывали дистиллированной водой, и промывные воды присоединяли к основному центрифугату. В полученном растворе весь лабильный фосфор принадлежит полифосфатам. За количе5 ство лабильного фосфора принимали фосфор, гидролизующийся до ортофосфата в течение 75минутного гидролиза в 1 N HCI при 100°С. Последующие 23 мин. гидролиза при тех же условиях служили до5 полнительным контролем на полноту разрушения лабильного фос5 фора. Таким образом, при анализе кислоторастворимой фракции в каждом случае определяли ортофосфат, 7 и 305минутный фосфор и общий фосфор. Близкое совпадение в наших опытах величин Р7м и Р23м указывает, что уже в первые 7 мин. гидролиза появляется весь лабильный фосфор. Это позволяет вычислить количество полифос5 фатов в кислоторастворимой фракции по разности: Рпф = Р7м–Рорт. Полученные данные по определению полифосфатов в кислотора5 створимой фракции представлены в табл. 1.

Кислотонерастворимый остаток после удаления кислотораство5 римой фракции трижды промывали 96% этанолом для удаления ос5 тавшейся хлорной кислоты. Обычно суммарное количество полифосфатов кислотонерастворимой фракции определяют по со5 держанию лабильного фосфора, гидролизующегося до ортофосфа5 та в течение 15 мин. при 90°С в 6% хлорной кислоте (экстракция по Шнейдеру). Чайен и др. (11) предложили проводить экстракцию в течение 1 часа. В этих условиях, по их данным, гидролизуется 94% полифосфатов и 15% фосфора нуклеиновой кислоты. Однако, в случае применения данной модификации существует опасность «заг5 рязнения» экстракта фосфором не только от частичной минерализа5 ции нуклеиновой кислоты, но и от не учитываемой минерализации других стабильных соединений фосфора (например, фосфорилиро5

9

ванные полисахариды, фосфопротеиды). Такое «загрязнение чужим фосфором» неизбежно, оно будет варьировать от объекта к объек5 ту, и уменьшить «загрязнение» можно лишь путем сокращения вре5 мени гидролиза. Поэтому в нашей работе общее содержание полифосфатов кислотонераствормого остатка определяли по лабиль5 ному фосфору, гидролизующемуся от ортофосфата в течение 7 мин. в 1 N HCI при 100°С. Согласно данным Эбеля (2), за первые 7 мин. гидролиза в 1 N HCL от нуклеиновых кислот отщепляется прибли5 зительно столько же фосфора, сколько расщепляется за последую5 щие 23 мин. Следовательно, количество полифосфатов кислото5 нерастворимой фракции можно вычислить по разности: Рпф= Р7м– Р23м. Полученные результаты по определению полифосфатов кисло5 тонерастворимой фракции представлены в табл. 1.

Таблица 1

СОДЕРЖАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ФОСФОРА В ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ БАКТЕРИЯХ

(в процентах на сухой вес обезжиренной бактериальной массы)

Представленные в табл. 1 данные по количеству лабильного фос5 фора свидетельствуют о наличии полифосфатов во всех трех изу5 ченных бактериях. Особенно высокое количество полифосфатов (более 70% от общего Р) обнаружено в клетках пурпурных серобак5 терий Chromatium.

Вусловиях экстракции кислотой полифосфаты присутствуют как

всвободной (кислоторастворимая фракция), так и в связанной (кис5 лотонерастворимая фракция) формах. Клетки исследуемых бакте5 рий не содержат сколько5нибудь значительных количеств ненуклеинового стабильного фосфора, и почти весь их фосфор при5 надлежит полифосфатам и нуклеиновым кислотам.

Окрашивание толуидиновым синим согласно технике, предло5 женной Эбелем (12), показало, что кислоторастворимая фракция всех

10