Загадки фертильности

Прославленный традициями металлургии Урал имеет не только богатое индустриальное наследие, но и связанные с ним экологические проблемы. Многие исследования последних десятилетий посвящены тому, как промышленное загрязнение воздействует на живые организмы. Однако работа Георгия Смирнова отличается особым подходом — он сконцентрировал внимание на «святая святых» природы: репродуктивной системе диких животных.

В лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ ИЭРиЖ УрО РАН комплексно подходят к изучению экологических проблем.

— Мы исследуем воздействие точечных источников атмосферного загрязнения, таких как медеплавильные заводы, на экосистемы в целом, — рассказывает Георгий Смирнов. — Наша цель — понять закономерности реакции живой природы на техногенную нагрузку. Работа в команде позволяет специалистам охватить все компоненты наземных экосистем — от лишайников до мелких млекопитающих.

По специальности эколог и териолог, Георгий Смирнов сосредоточился на изучении репродуктивной функции грызунов:

— Моя задача заключалась в оценке того, как меняется фертильность самцов под воздействием токсичных веществ. Для этого я анализировал морфологию, подвижность и концентрацию сперматозоидов этих животных — ключевые параметры, определяющие репродуктивный потенциал.

Для исследования были выбраны рыжая и красная полевки, а также малая лесная мышь — виды, широко распространенные на Среднем Урале.

— Грызуны — идеальные модельные объекты для экологических исследований: они быстро размножаются, чувствительны к изменениям среды и многочисленны, — объясняет ученый. — Выбранные виды относятся к разным семействам, что позволило оценить специфику их адаптации к загрязнению.

Работы проводились в окрестностях двух крупнейших металлургических предприятий — Среднеуральского медеплавильного завода и филиала «Производство полиметаллов» АО «Уралэлектромедь» (бывший Кировградский медеплавильный комбинат, КМК). Многолетний мониторинг этих территорий создал надежную базу для интерпретации полученных результатов.

Результаты эти оказались весьма неоднозначными. Гипотеза о негативном влиянии промышленного загрязнения на качество сперматозоидов подтвердилась лишь частично.

— У рыжей полевки подвижность и скорость сперматозоидов действительно снижались на загрязненных участках. Однако в целом воздействие на них загрязнения оказалось слабее ожидаемого, а у других видов грызунов явных изменений мы вообще не обнаружили, — делится Георгий Смирнов.

Этот феномен ученый объясняет особенностями физиологии млекопитающих: «Репродуктивная система обладает высокой степенью защищенности. Сперматогенез происходит за так называемым гемато-тестикулярным барьером, который препятствует проникновению токсичных веществ».

Интересной находкой стала различная чувствительность видов к загрязнению.

— Малая лесная мышь оказалась наиболее устойчивой, что может объясняться особенностями ее питания и поведения. В рационе мышей преобладают семена, которые меньше накапливают токсиканты, к тому же эти животные более подвижны по сравнению с полевками, — отмечает исследователь.

Одним из самых удивительных открытий для Георгия Смирнова стала уникальная морфология сперматозоидов: «Форма этих клеток настолько видоспецифична, что по ней можно различать даже внешне идентичные виды. Особый интерес представляет характерный для грызунов крючок на головке сперматозоида».

Функция этого крючка до сих пор вызывает научные дискуссии.

— Существует несколько гипотез: от прикрепления к эпителию маточных труб до формирования «поездов» — скоплений сперматозоидов, которые движутся быстрее обычных клеток. Однако пока нет убедительных доказательств ни одной из этих теорий,— поясняет Смирнов.

В ходе исследования ученые столкнулись с рядом методических сложностей.

— Приходилось сочетать полевые работы с лабораторным анализом, требующим высокой точности. Мы адаптировали методики, разработанные для лабораторных животных, к работе с дикими грызунами и долго экспериментировали с питательными средами для сохранения жизнеспособности сперматозоидов, — рассказывает Георгий.

Некоторые результаты оказались парадоксальными: «В отдельных случаях доля аномальных сперматозоидов была выше на чистых участках, чем на загрязненных. Это демонстрирует сложность биологических систем и многофакторность их реакций на внешние воздействия».

Говоря о применимости полученных данных к физиологии человека, Георгий Смирнов проявляет особую осторожность:

— Прямая экстраполяция результатов исследований грызунов на человека некорректна как с биологической, так и с медицинской точки зрения. Однако общий принцип остается верным: загрязнение среды потенциально влияет на весь организм, включая репродуктивную систему.

Исследования продолжаются, и, по словам ученого, самые интересные открытия еще впереди. Сотрудники лаборатории занимаются не только экотоксикологией. Например, сейчас Георгий реализует проект, поддержанный Российским научным фондом и посвященный изучению асимметрии функций семенников. Губернаторская премия стала признанием значимости этой работы и стимулом для дальнейшего изучения сложных взаимосвязей между промышленной деятельностью человека и адаптационными возможностями природы.