УДК 504.064/502.084
В. А. Гуленко – студентка кафедры инноватики и интегрированных систем качества
И. В. Мателенок – кандидат технических наук – научный руководитель
МОДИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ
ПАРАМЕЦИЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕЙСТВИЯ ЭКОТОКСИКАНТОВ
Инфузории являются сложно устроенными одноклеточными эукариотическими организмами,
проявляющими разнообразные реакции на изменения внешней среды благодаря специфической
чувствительности и развитым клеточным ультраструктурам. При этом для инфузорий характерна
относительно быстрая изменчивость, которая позволяет им адаптироваться к изменению параметров среды обитания. В ходе адаптации, в частности, изменяются скорость движения, темп размножения и способность поглощать пищу, а также форма и размеры тела. Если же характеристики ср е ды не меняются, то свойства инфузорий остаются стабильными, это и позволяет использовать их
как тест-объекты в биоиндикации [1]. Чаще всего в соответствующих экспериментах применяются
представители нескольких видов инфузорий из рода Paramecium (парамеций) [2]. Их наличие и показатели жизнедеятельности в пробах среды сигнализируют о протекании в ней каких -либо про це ссов или присутствия определенных загрязняющих веществ [3].
При этом относительно недавно открылись возможности изучения реакций тест-объектов на
загрязнение среды с использованием технологий машинного зрения. В данном направлении иссле дований имеется широкий спектр еще не решенных задач. Настоящая работа посвящена оценке
реакций двигательной активности инфузорий на попадание в водную среду экотоксикантов, отно сящихся к органическим топливам, и отработке отдельных элементов, которые могли бы быть положены в основу прогрессивных методик биотестирования на основе машинного зрения.
Задачи:
1. Проанализировать особенности организации экспериментов по изучению двигательной
активности инфузорий рода парамеций и опыт их использования в качестве тест-объектов;
2. Выбрать инструментарий для оценки двигательных реакций на экотоксиканты;
3. В ходе серии лабораторных экспериментов с помощью предложенных решений о пр е де лить характер движений инфузории в отсутствие и при наличии в воде керосина и бензина.
В [4] сказано, что парамеции имеют набор, включающий в себя, по крайней мере, 10 двигательных реакций: 1) реакция избегания, 2) реакция неограниченного попятного движения, 3) реакция
оборонительного ускорения, 4) реакция «стохастический клубок», 5) движение в контакте с о гр аничивающей поверхностью, 6) тигмотаксис (полная остановка движения), 7) реакции таксисов (хемо,
фото, reo и т.п.), 8) реакция поиска комплиментарной зоны полового партнера, 9) реакция разворота
в условиях ограниченного пространства, 10) выстрел трихоцист. Набор этих реакций по зв о ляе т парамециям решать самые различные двигательные задачи: поиска питательных веществ и благоприятных факторов внешней среды, поиска комплиментарной зоны полового партнера, защиты от
действий хищников и неблагоприятных факторов среды, преодоления различных механических
препятствий.Показано, что в условиях ограниченного пространства у парамеций запускается реакция разворота, которая позволяет парамециям маневрировать в условиях ограниченного про стр анства.
В статье [5] показано наличие отличительных особенностей воздействия различных групп
токсикантов на характеристики этологических реакций инфузорий, предложен новый метод контроля
параметров движения инфузории (длины свободного пробега и углов изменения направле ния движения), основанный на фоторегистрации.
Нами было проведено исследование движения инфузорий под воздействием экотоксикантов. В качестве экотоксикантов использовались бензин и керосин, относящиеся к малоопасным. Исследование проводилось опытным путем, с использованием цифрового микроскопа МЕГЕОН 33001
и программного обеспечения (ПО) ImageJ с плагином машинного зрения TrackMate v2.8.1, с помощью которого были зафиксированы параметры движения одноклеточных. Выбор данного ПО был
обусловлен его максимальной приспособленностью к решению задач описанного класса, в то время
как для достижения подобного результата с помощью MatLab потребовалось бы значительно бо льше ресурсов.
Инфузории были найдены и выращены в аквариумной воде. Аквариумная вода была пе р е лита в стеклянный сосуд объемом 3 л, обеспечивающий оптимальные для роста колонии о дно кле точных инсоляцию и воздухообмен. Для питания инфузорий подготовлен субстрат для развития
бактерий. В качестве подкорма была выбрана сушеная банановая кожура. Выращивание заняло 3
суток.
Суть эксперимента заключалась в сравнении параметров движения одноклеточных в естественной благоприятной водной среде с такими же параметрами движения в среде, куда добавлены
бензин/керосин.
На рис. 1 представлены траектории движения инфузорий в благоприятной среде, полученные с помощью TrackMate. Из него видно, что инфузории двигались кучно с небольшой средней
скоростью, с чередованием плавных спиралеобразных движений и резких "скачков". По сле добавления бензина произошло смещение клеток в направлении движения фронта загрязнения, характе р
движения изменился незначительно, но увеличилась его скорость.
Рис. 1. Траектории движения инфузорий в благоприятнойсреде
На рисунке 2 представлены траектории движения инфузорий в среде после внесения в не е
керосина. Характер движений поменялся, кучность исчезла, ряд особей с высокой скоростью по
прямолинейным траекториям стремились покинуть загрязненную область, другие демонстрировали
медленные "маятниковые" движения.
В таблице 1 приведена информация о скорости движе ния парамеций в естественной среде и
после введения в нее экотоксикантов.
Таблица 1
Значения некоторых параметров движения парамеций
Вид среды
Благоприятная
Параметр
среда
Диапазон средних скоростей по треку, пиксе0,2 - 1,7
лей/кадр
Медианное смещение между кадрами (после
1,3
фильтрации треков), пикселей/кадр
Максимальное смещение между кадрами,
22
пикселей/кадр
Среда с бензином и керосином
0,5 - 18,0
3,5
29
2
Рис. 2. Траектории движения инфузорий в среде с бензином и керосином малой ко нце нтр ации
Как показали эксперименты, при добавлении в среду бензина и керосина из класса жидких
органических топлив парамеции стараются его избежать. В естественной среде движение инфузорий имеет яркий, оживленный характер, траектории движения – спиралевидные. При добавле нии в
среду с инфузориями керосина уже при достаточно малой концентрации их движение «угасает»
(выстрел трихоцист), и одноклеточные быстро погибают (тигмотаксис). Реакция на бензин являе тся
менее выраженной, и аналогичные реакции достигаются при б`ольших концентрациях экото ксиканта.
Комплект из цифрового микроскопа с увеличением 400-Х и специализированного ПО
ImageJ+TrackMate позволяет выделять отдельные треки движения, определять их параметры и выполнять сравнительную оценку двигательных реакций парамеций на внешние воздействия, а потому
может быть рекомендован в качестве инструментальной основы для исследований, подобных описанному.
1.
2.
3.
4.
5.
Библиографический список
Габышева, А.Н. Инфузории как тест-объект для определения качества среды / Работы VI Ме ждународной студенческой научная конференции "Студенческий научный форум - 2014". 2014. [Электр о нный ресурс], URL: https://scienceforum.ru/2014/article/2014006983
Виноходов, Д.О. Научные основы биотестирования с использованием инфузорий: дис. доктор
биологических наук: 03.00.23 - Биотехнология. Санкт-Петербург. 2007. 352 с.
Кондакова, Г.В. Биоиндикация. Микробиологические показатели: учеб. пособие / Г.В. Кондакова;
Ярос. гос. ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. 136 с.
Котов, Н.В. Двигательная активность Paramecium caudatum: дис. доктор физико-математических
наук: 03.00.02 - Биофизика. Казань. 2001. 256 с.
Ковалевская, А.С. Метод классификации токсикантов на основе выявления характеристик этологических реакций инфузорий / А.С. Ковалевская, О.В. Смолова // Известия ЮФУ. Технические науки.
2010. №9. С. 126-130. [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metod-klassifikatsiitoksikantov-na-osnove-vyyavleniya-harakteristik-etologicheskih-reaktsiy-infuzoriy
3
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв