Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Специальные разделы >> Биофизика | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

В начало...

Биофизические методы в экологическом мониторинге. А. Б. РУБИН. Продолжение.

Термолюминесценция хлорофилла. При повышении температуры активируется распад гидроперекисей, а интенсивность хемилюминесценции хлорофилла возрастает, достигая максимума при 120њС (рис. 4). Величина такой высокотемпературной термолюминесценции (ТЛ) прямо пропорциональна количеству накопленных в темноте продуктов ПОЛ. Регистрируя интенсивность ТЛ хлорофилла, можно исследовать процессы ПОЛ в клетках микроводорослей и фитопланктона в природных условиях.
Наши исследования на Черном море, Атлантическом и Тихом океанах действительно показали, что высокий уровень ТЛ при 120њС фитопланктона регистрируется при неблагоприятных для активного роста условиях. В целом метод регистрации ТЛ обладает высокой чувствительностью и благодаря простоте процедуры подготовки образцов и измерения люминесценции очень удобен для экспресс-анализа большого количества препаратов.

Рис. 4. Схема устройства для регистрации высокотемпературной термолюминесценции хлорофилла листьев и фитопланктона: 1 - объект, 2 - нагреватель, 3 - фотоприемник, 4 - регистрирующее устройство. Термолюминесценцию регистрируют как зависимость свечения от температуры при нагревании объекта от 20 до 150њС (показана типичная кривая термолюминесценции с максимумом при 120њС)

Влияние факторов среды. Среди неблагоприятных факторов среды, влияющих на состояние клеток микроводорослей и фотосинтетическую продуктивность фитопланктона, наибольшее значение имеют свет повышенной интенсивности, неблагоприятные температуры, недостаток минерального питания, антропогенные загрязнения.
Конечно, свет как источник энергии совершенно необходим для фотосинтеза. Однако он одновременно может быть и повреждающим фактором. При действии повышенных интенсивностей света в результате процессов фотоингибирования фотосинтеза развиваются длительные и глубокие перестройки фотосинтетического аппарата [3, 11]. Механизм этого явления также связан с тем, что в условиях блокирования переноса электрона из-за образования их избытка в цепи фотосинтеза происходит генерация активных форм кислорода, приводящая к окислительному стрессу и разрушению клеточных мембран в процессе ПОЛ. В качестве защитного механизма в клетке происходит распад белков РЦ, который приводит к прекращению фотосинтеза. Иными словами, клетка скорее предпочитает лишиться РЦ как источника фотодеструкции с тем, однако, чтобы потом его восстановить в более благоприятных условиях. Распад РЦ происходит по механизму протеолитического расщепления белка (Д1) реакционного центра фотосистемы II. Для реактивации РЦ необходимы повторный синтез (ресинтез) Д1-белка и его встраивание в РЦ [9, 10]. На обычном свету устанавливается равновесие между процессом фотоингибирования с распадом Д1-белка и процессом реактивации с его ресинтезом [2]. Однако при длительном интенсивном освещении могут происходить уже необратимые повреждения РЦ, сопровождающиеся глубокой фотодеструкцией мембран вследствие развития ПОЛ.
ПОЛ и активность фотосинтеза. Посмотрим, как связана люминесценция хлорофилла с состоянием фотосинтетических мембран в различных условиях. На рис. 5 показано, что под действием повышенных интенсивностей света в начальный период (1-20 мин) освещения падает фотосинтетическая эффективность (Fv / Fm) как ответная реакция клетки на световое воздействие. Фотоингибирование РЦ в этот период носит все еще обратимый характер, а клетки сохраняют свою жизнеспособность. Однако при дальнейшем освещении (после 20 мин) клетки уже не справляются с фотоингибированием и происходит накопление продуктов ПОЛ, что видно по росту ТЛ. Именно в этот период и происходит гибель клеток.
Таким образом обратимое падение активности РЦ происходит до появления продуктов ПОЛ и не сопровождается гибелью самих клеток. Падение эффективности первичных стадий фотосинтеза носит регуляторный характер и представляет собой защитную адаптивную реакцию клетки на начальных этапах повышенного освещения.


Регуляция световых стадий. Механизм регуляции световых реакций фотосинтеза со стороны темновых процессов в клетке включает дополнительное обращение электронного потока в РЦ на уровне первичного разделения зарядов Механизм здесь внешне аналогичен ЗФ (см. рис. 3). В результате происходит появление быстрой с длительностью ~ 2 нс дополнительной флуоресценции хлорофилла P+A1- P*A1- hv в РЦ. Сигналом для возникновения быстрой флуоресценции служат некоторые продукты метаболизма, появляющиеся в клетке в условиях недостатка элементов минерального питания. При дефиците азота, когда скорость роста водорослей, а следовательно, потребность в продуктах фотосинтеза и световой энергии снижены, адаптивные реакции приводят к уменьшению фотосинтетической активности РЦ и соответственно снижению Fv / Fm . Это одна из наиболее ранних регуляторных реакций фотосинтетического аппарата в ответ на дефицит минерального питания. Она направлена на то, чтобы предотвратить использование избыточного количества электронов и электронного возбуждения в цепи переносчиков для генерации активных форм кислорода.

Рис. 5. Влияние интенсивного освещения (1000 Вт Ч м- 2) на фотосинтетическую активность Fv / Fm , амплитуду высокотемпературной термолюминесценции ТЛ и выживаемость клеток хлореллы N. Видно, что в начальной период освещения (1-20 мин) падение эффективности фотосинтеза (Fv / Fm) не сопровождается гибелью клеток N и появлением продуктов ПОЛ (ТЛ)

Однако при дальнейшем более продолжительном освещении таких ранних защитных механизмов может оказаться уже недостаточно. Тогда в клетке и развиваются процессы фотодеструкции РЦ с распадом Д1-белка РЦ. Влияние светового фактора на активность фотосинтеза наглядно проявляется в природных условиях в поверхностных водах в дневные часы (рис. 6), когда освещенность высока. Ход кривых на рис. 6 соответствует суточным изменениям первичной продукции с ее полуденной депрессией в водах с разным содержанием минеральных элементов. Это явление хорошо известно в гидробиологии. При хорошей обеспеченности минеральным питанием в водоемах активность РЦ (отношение Fv / Fm) остается на высоком уровне (кривая а). В водах со средней концентрацией элементов минерального питания (кривая б ) наблюдается полуденное уменьшение величины Fv / Fm , которая восстанавливается до исходного уровня в вечернее время при снижении освещенности. Наибольший эффект адаптационного снижения активности РЦ наблюдается в водах, обедненных биогенными элементами (кривая в), где влияние повышенной освещенности в дневные часы может быть наиболее опасно.


Рис. 6. Типичные суточные изменения выхода переменной флуоресценции хлорофилла фитопланктона (Fv / Fm) поверхностных слоев воды в зависимости от времени суток и количества питательных веществ для клеток водорослей: а-в - воды с низкой, средней и высокой концентрацией биогенных элементов. Видно, что в утренние часы эффективность фотосинтеза во всех водоемах высока. В водоемах, бедных элементами минерального питания, при увеличении освещения в полуденные часы она падает, а затем восстанавливается в вечернее время

Активность фотосинтеза в природных условиях. Использование погружной аппаратуры для регистрации параметров люминесценции хлорофилла показало пространственную неоднородность распределения количества клеток и активности фотосинтеза в популяции фитопланктона. Во многих водоемах максимальная эффективность фотосинтетического аппарата не всегда совпадает с максимумом концентрации фитопланктона, однако коррелирует с обеспеченностью минеральным питанием фитопланктона. Например, в низкопродуктивных районах Тихого океана, Средиземного моря и озера Байкал значения Fv / Fm колебались от 0,3 до 0,5-0,6. В более богатых водах Черного моря активность Fv / Fm возрастала до 0,6.
В сильно обогащенных водах северо-западного района Черного моря и залива Котор Адриатического моря активность фитопланктона была характерной для оптимальных условий. С глубиной активность фотосинтеза также меняется, достигая максимума на тех глубинах, где существует приток минеральных солей, а количество проникающего света еще достаточно для фотосинтеза (см. рис. 2). В тропических водах Тихого океана это наблюдается на глубине 80-120 м.
Интересно, что увеличение активности фотосинтеза и появление клеток с высоким значением Fv / Fm предшествует периоду цветения, который сопровождается резким увеличением концентрации фитопланктона в водоемах. Это было обнаружено на озере Байкал и в северо-западном районе Черного моря.

Рост клеток и флуоресценция хлорофилла. Известно, что форма индукционных кривых флуоресценции, то есть увеличение интенсивности флуоресценции после начала освещения (см. рис. 1), является совокупным результатом фотосинтетических процессов в мембранах фотосинтезирующих организмов. В популяции, как правило, могут присутствовать индивидуальные клетки, находящиеся в различных физиологических состояниях, которые связаны с различным уровнем фотосинтеза. Это проявляется в различном уровне флуоресценции, а также в различных формах индукционных кривых разгорания флуоресценции хлорофилла в этих клетках. С помощью микрофлуоресцентного микроскопа можно получить набор различных типов кривых индукции флуоресценции, снятых от одиночных клеток. Набор таких кривых может быть показателем гетерогенного состояния популяции в целом [6]. Не вдаваясь в детальный анализ, отметим, что с помощью статистических методов обработки таких кривых можно построить диаграммы состояния популяции и проследить динамику его изменения. В природных условиях (Черное море) применение этого метода позволяло выявить, как меняется гетерогенный состав популяций в районах с различным уровнем антропогенных загрязнений. Там, где условия наименее благоприятные, преобладают клетки с такими типами индукционных кривых, где имеется высокий уровень флуоресценции, что указывает на низкую эффективность использования света в фотосинтезе.


Флуоресценция хлорофилла и ресинтез белка РЦ. Мы уже говорили, что в обычных световых условиях в клетке устанавливается динамическое равновесие между процессом фотоингибирования РЦ с распадом Д1-белка и его ресинтезом. Под действием неблагоприятных факторов среды, низких концентраций антропогенных токсикантов (ионы тяжелых металлов, гербициды) замедляются репарационные процессы восстановления и ресинтеза белка РЦ, что приводит к уменьшению активности РЦ и снижению фотосинтетической продуктивности. Динамику этих репарационных процессов ресинтеза белка можно проследить по изменениям величины Fv / Fm при восстановлении активности фотосинтеза после действия повреждения. Это значит, что степень восстановления активности фотосинтеза, по данным флуоресцентных методов, может использоваться в качестве интегрального показателя состояния процессов ресинтеза белка РЦ в клетках водорослей.
Представленный материал говорит о том, что функционирование РЦ фотосинтеза в природных условиях направленно изменяется под действием внешних факторов, и это непосредственно отражается на фотосинтетической продуктивности фитопланктона. Развитие флуоресцентных методов является перспективным для прогнозирования состояния и продуктивности планктонных сообществ в естественных водоемах, а их использование внесет существенный вклад в экологический мониторинг.

ЛИТЕРАТУРА
1. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Д. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М.: Высш. шк., 1983.
2. Маторин Д.Н., Венедиктов П.С. Люминесценция хлорофилла в культурах микроводорослей и природных популяциях фитопланктона // Итоги науки и техники. Биофизика. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 40.
3. Веселовский В.А., Веселова Т.В. Люминесценция растений. М.: Наука, 1990.
4. Тихонов А.Н. Трансформация энергии в хлоропластах - энергообразующих органеллах растительной клетки // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N 4. С. 24-32.
5. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло // Там же. N 3. С. 4-10.
6. Riznichenko G., Lebedeva G., Pogosyan S. et al. // Photosynth. Res. 1996. Vol. 49. P. 151.
7. Рубин А.Б. Первичные процессы фотосинтеза // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. N 10. С. 79-84.
8. Vavilin D.V., Ducruet J.-M., Matorin D.N. et al. // J. Photochem. Photobiol. B. 1998. Vol. 42/3. P. 233.
9. Шестаков С.В. Молекулярная генетика фотосинтеза // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 9. С. 22-27.
10. Тихонов А.Н. Регуляция световых и темновых стадий фотосинтеза // Там же. 1999. N 11. С. 8-15.
11. Тихонов А.Н. Защитные механизмы фотосинтеза // Там же. С. 16-21.
Рецензент статьи О.Н. Кулаева
* * *
Андрей Борисович Рубин, доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент РАН, зав. кафедрой биофизики биологического факультета МГУ. Председатель Научного совета РАН по биофизике. Лауреат Государственной премии СССР, премии им. М.В. Ломоносова (МГУ), заслуженный деятель высшей школы РФ. Область научных интересов - биофизика фотобиологических процессов, перенос электрона в биомембранах, кинетика биологических процессов. Автор и соавтор 11 монографий, более 300 научных статей, автор учебника по биофизике.


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования