Jump to content

Эволюционная токсикология

Эволюционная токсикология — это новая область науки, фокусирующаяся на изменениях в популяционной генетике, вызванных попаданием загрязнителей в окружающую среду. [ 1 ] [ 2 ] Исследования в области эволюционной токсикологии сочетают в себе аспекты экотоксикологии , популяционной генетики , эволюционной биологии и генетики сохранения , чтобы сформировать единую область, исследующую геномные и популяционные изменения в генетическом разнообразии, частоте аллелей , потоке генов и скорости мутаций. [ 1 ] Каждая из этих областей исследований характеризуется как один из четырех центральных принципов этой области, предложенных и подробно описанных Джоном Бикхэмом в 2011 году. [ 1 ]

Существует несколько способов, с помощью которых загрязнитель может изменить генетику популяции. Некоторые загрязняющие вещества являются генотоксикантами , вызывая мутации ДНК напрямую, повреждая структуру молекулы ДНК. ДНК Эти мутации могут принимать несколько форм, включая делеции, дупликации и замены, причем все они могут передаваться по наследству. Негенотоксичные загрязнители могут столь же серьезно пагубно воздействовать на организмы, вызывая поведенческие изменения, вызванные стрессом загрязненной окружающей среды, что приводит к изменениям в репродуктивном успехе. [ 1 ] Генетические изменения на популяционном уровне являются одним из долгосрочных результатов воздействия как генотоксикантов, так и негенотоксикантов.

Развитая реакция на загрязнитель окружающей среды часто наблюдается в случае, когда у целевых видов развивается устойчивость к пестицидам (включая инсектициды , гербициды и фунгициды ). [ 3 ] но их также можно наблюдать в реакции нецелевых организмов на пестициды, [ 4 ] [ 5 ] а также в организмах, подвергающихся воздействию токсичных отходов и побочных продуктов промышленной деятельности. [ 6 ] [ 2 ]

История и предыстория

[ редактировать ]

Относительно новая область науки, эволюционная токсикология, была первоначально описана в начале 1990-х годов как специализированное подразделение экотоксикологии . [ 7 ] Хотя само это поле появилось сравнительно недавно, некоторые из самых ранних эволюций в истории Земли начались как реакция на токсичные вещества в окружающей среде, включая тяжелые металлы, ультрафиолет и микробные токсины. [ 4 ] Кроме того, доказательства эволюционной реакции на загрязнители документировались уже более столетия, причем первый случай документированной устойчивости к пестицидам произошел в 1914 году. [ 4 ] Кроме того, Рэйчел Карсон « в экологическом трактате Тихая весна» 1962 года утверждается, что постоянное использование ДДТ приведет к снижению эффективности сокращения популяций комаров. [ 8 ]

Исторически эволюция считалась процессом, который формировал популяции на протяжении тысячелетий. Нынешний научный консенсус сместился и теперь включает определение того, что эволюцию можно наблюдать в гораздо меньших временных масштабах — в течение нескольких поколений некоторых хорошо адаптируемых организмов. Эволюционные реакции могут произойти даже в течение одного поколения благодаря генетической пластичности, присутствующей у некоторых видов; Доказательства вклада пластичности в развитие реакции на пестициды были замечены у мух и лесных лягушек. [ 9 ] [ 10 ]

В рамках эволюционного процесса давление отбора благоприятствует организмам, наиболее приспособленным к окружающей среде, позволяя им передавать гены, способствующие любым полезным наследственным признакам, которыми они могут обладать. Недавно было установлено, что некоторые загрязняющие вещества действуют как селективная сила, присоединяясь к другим естественным и антропогенным факторам отбора, отдавая предпочтение организмам с присущей устойчивостью или способным развить устойчивость. Резистентные организмы могут затем оказывать непропорционально большее генетическое влияние на следующее поколение по сравнению с особями с менее благоприятными признаками. [ 4 ]

Эволюционные механизмы

[ редактировать ]

Различные эволюционные механизмы могут привести к схожим наблюдаемым реакциям повышенной устойчивости к присутствию загрязняющих веществ в окружающей среде. Вообще говоря, загрязнитель действует как селективная сила, позволяя устойчивым организмам сохраняться и передавать гены следующему поколению.

Один из путей развития потенциальной устойчивости включает мутации de novo или полезные мутации, придающие устойчивость, которые возникают после введения загрязнителя. [ 3 ] И наоборот, в некоторых случаях обнаруживаются полезные мутации в пределах вариации, которая существовала в популяции до введения загрязнителя и оказалась полезной только после воздействия. [ 3 ]

У растений, развивающих устойчивость к гербицидам, можно наблюдать дополнительные механизмы устойчивости. Процессы включают повышение способности растений быстро метаболизировать гербициды, запирание гербицидов в вакуолях для уменьшения контакта с целевым участком и активацию целевых ферментов, что увеличивает концентрации гербицидов, необходимые для гибели растений. [ 11 ] Ингибирование ацетолактатсинтазы (АЛС) является частым механизмом действия многих из наиболее широко используемых гербицидов, при этом точечные мутации в целевом сайте рассматриваются как основная причина развития устойчивости к этим гербицидам. [ 11 ]

У бактерий есть несколько путей развития устойчивости; они могут получить гены устойчивости посредством горизонтального переноса генов или посредством независимых индивидуальных мутаций, которые могут накапливаться с течением времени. [ 12 ]

Известные агенты

[ редактировать ]

Было показано, что многие загрязняющие вещества изменяют генетику населения в регионе. Было замечено, что токсиканты, попадающие в окружающую среду в высоких концентрациях в результате таких действий, как промышленное производство, производство электроэнергии или крупномасштабное применение пестицидов в сельском хозяйстве, вызывают эволюционные реакции в популяциях организмов. К известным возбудителям относятся:

Позвоночные животные

[ редактировать ]

Хорошо документированный пример эволюционной токсикологии можно увидеть в популяциях атлантических киллифишей в реке Элизабет на юго-востоке Вирджинии, США. [ 6 ] Загрязняющие вещества, обнаруженные в системе реки Элизабет, включают полициклические ароматические углеводороды , полихлорированные дифенилы и галогенированные ароматические углеводороды, которые являются побочными продуктами промышленной обработки древесины, производства креозота и другой промышленной деятельности. [ 15 ] Киллифиши здесь развили более высокую устойчивость к вредному воздействию чрезвычайно высоких уровней ПАУ ( полициклических ароматических углеводородов ); Эффекты воздействия ПАУ включают развитие опухолей, пороки развития сердечно-сосудистой системы и снижение иммунной функции. [ 16 ] [ 6 ] Рыбы-киллифиши в Хьюстонском Корабельном канале также продемонстрировали развитую устойчивость к деформациям эмбрионального сердечного развития, вызванным диоксинами и диоксиноподобными соединениями . [ 17 ] [ 13 ]

Лесные лягушки становятся еще одним видом, проявляющим устойчивость к воздействию возрастающих концентраций пестицидов. [ 18 ] Популяции древесных лягушек, расположенные ближе к сельскохозяйственным стокам, содержащим карбарил , хлорпирифос и малатион, продемонстрировали более высокую толерантность к воздействию этих инсектицидов, чем популяции, расположенные вдали от сельскохозяйственных районов. [ 19 ]

Радиация является широко наблюдаемой причиной увеличения частоты мутаций в подвергшихся воздействию популяциях; хотя эти мутации не передаются по наследству, они могут повлиять на приспособленность больных людей, уменьшая приток их генов в популяцию. [ 7 ] Эти эффекты соматического облучения наблюдались в результате радиационного воздействия у крыс-кенгуру Мерриама и прудовых ползунков . [ 7 ] Радиационное воздействие также вызвало наследственные изменения в митохондриальной ДНК рыжих полевок , что привело к увеличению геномной изменчивости после последующих поколений, существовавших вблизи места Чернобыльской катастрофы. [ 20 ]

Беспозвоночные

[ редактировать ]

Одним из первых примеров развития реакции на токсиканты является случай устойчивости к пестицидам у целевых видов, примером которого является Anopheles gambiae , вид комаров, переносчиков малярии. [ 21 ]

Хорошо изученный случай включает в себя эволюцию перцовой моли в ответ на загрязнение воздуха, вызванное промышленной революцией в Европе. Этот пример отражает реакцию на негенотоксичное загрязняющее вещество, поскольку перцовая моль мелановой цветовой морфы была замаскирована промышленным смогом и с меньшей вероятностью стала объектом нападения хищников. После принятия закона о чистом воздухе в некоторых регионах давление отбора изменилось на противоположное. [ 22 ]

Популяции двух видов зоопланктона ( Daphnia pulex и Simocephalus vetulus ), обнаруженные вблизи сельскохозяйственных угодий, продемонстрировали устойчивость к хлорпирифосу , распространенному фосфорорганическому веществу , часто встречающемуся в сельскохозяйственных районах. [ 5 ]

Растения

[ редактировать ]

Эволюционная реакция на токсиканты также наблюдалась при воздействии на многие виды растений возрастающих уровней гербицидов. Во всем мире более двухсот видов сорняков развили устойчивость к гербицидам: 144 устойчивых вида сорняков встречаются в США, 62 в Канаде и 59 в Австралии. [ 11 ] Хлорсульфурон, атразин , паракват и глифосат — лишь некоторые из гербицидов, к которым сорняки выработали устойчивость. [ 11 ]

Хотя гербициды имеют разные способы действия и места действия, было показано, что растения, проявляющие устойчивость или толерантность к одному классу гербицидов, проявляют устойчивость к другим классам. [ 23 ] Продолжающееся развитие устойчивости сорняков к гербицидам угрожает отрицательно повлиять на урожайность сельскохозяйственных культур во многих регионах. [ 24 ]

Патогены

[ редактировать ]

У патогенов явление резистентности к противомикробным препаратам , а точнее, у бактерий, устойчивых к антибиотикам, является часто наблюдаемым примером эволюционной реакции. [ 12 ] [ 25 ] Некоторые бактерии, такие как Staphylococcus aureus и Escherichia coli, выработали устойчивость к множеству антибиотиков, из-за чего становится трудно лечить « супербактерии ». [ 26 ]

  1. ^ Jump up to: а б с д Бикхэм, Джон В. (май 2011 г.). «Четыре краеугольных камня эволюционной токсикологии» . Экотоксикология . 20 (3): 497–502. дои : 10.1007/s10646-011-0636-y . ISSN   0963-9292 . ПМИД   21424723 . S2CID   44109366 .
  2. ^ Jump up to: а б Мэтсон, Коул В.; Ламберт, Меган М.; Макдональд, Томас Дж.; Отенрит, Робин Л.; Доннелли, Кирби С.; Исламзаде, Ариф; Политов Дмитрий Игоревич; Бикхэм, Джон В. (апрель 2006 г.). «Эволюционная токсикология: влияние хронического воздействия загрязняющих веществ на популяционном уровне на болотных лягушек (Rana ridebunda) Азербайджана» . Перспективы гигиены окружающей среды . 114 (4): 547–552. дои : 10.1289/ehp.8404 . ISSN   0091-6765 . ПМЦ   1440779 . ПМИД   16581544 .
  3. ^ Jump up to: а б с Хокинс, Никола Дж.; Басс, Крис; Диксон, Андреа; Нив, Пол (2019). «Эволюционные истоки устойчивости к пестицидам» . Биологические обзоры . 94 (1): 135–155. дои : 10.1111/brv.12440 . ISSN   1469-185Х . ПМК   6378405 . ПМИД   29971903 .
  4. ^ Jump up to: а б с д Брэди, Стивен П.; Моноссон, Эмили; Мэтсон, Коул В.; Бикхэм, Джон В. (2017). «Эволюционная токсикология: к единому пониманию реакции жизни на токсичные химические вещества» . Эволюционные приложения . 10 (8): 745–751. дои : 10.1111/eva.12519 . ISSN   1752-4571 . ПМК   5680415 . ПМИД   29151867 .
  5. ^ Jump up to: а б с Бендис, Рэндалл Дж.; Релиа, Рик А. (20 октября 2014 г.). «Жизнь на грани: популяции двух видов зоопланктона, живущих ближе к сельскохозяйственным полям, более устойчивы к обычному инсектициду» . Экологическая токсикология и химия . 33 (12): 2835–2841. дои : 10.1002/etc.2749 . ISSN   0730-7268 . ПМИД   25220688 . S2CID   25210564 .
  6. ^ Jump up to: а б с д и ж Джулио, Ричард Т. Ди; Кларк, Брайан В. (18 августа 2015 г.). «История Элизабет Ривер: пример эволюционной токсикологии» . Журнал токсикологии и гигиены окружающей среды, часть B. 18 (6): 259–298. дои : 10.1080/15320383.2015.1074841 . hdl : 10161/12418 . ISSN   1093-7404 . ПМЦ   4733656 . ПМИД   26505693 .
  7. ^ Jump up to: а б с д и Бикхэм Дж.В.; Смолен МЮ (01.12.1994). «Соматические и наследственные эффекты генотоксинов окружающей среды и возникновение эволюционной токсикологии» . Перспективы гигиены окружающей среды . 102 (приложение 12): 25–28. дои : 10.1289/ehp.94102s1225 . ПМЦ   1566727 . ПМИД   7713028 .
  8. ^ Карсон, Рэйчел (2002). Тихая весна . Хоутон Миффлин Харкорт.
  9. ^ Скотт, Джеффри Г.; Касаи, Синдзи (01 марта 2004 г.). «Эволюционная пластичность монооксигеназно-опосредованной устойчивости» . Биохимия и физиология пестицидов . 78 (3): 171–178. дои : 10.1016/j.pestbp.2004.01.002 . ISSN   0048-3575 .
  10. ^ Хуа, Джессика; Джонс, Девин К.; Мэттс, Брайан М.; Котран, Рики Д.; Релиа, Рик А.; Ховерман, Джейсон Т. (2015). «Вклад фенотипической пластичности в эволюцию толерантности к инсектицидам в популяциях земноводных» . Эволюционные приложения . 8 (6): 586–596. дои : 10.1111/eva.12267 . ISSN   1752-4571 . ПМЦ   4479514 . ПМИД   26136824 .
  11. ^ Jump up to: а б с д Хип, Ян (2014). «Глобальный взгляд на сорняки, устойчивые к гербицидам» . Наука борьбы с вредителями . 70 (9): 1306–1315. дои : 10.1002/ps.3696 . ISSN   1526-4998 . ПМИД   24302673 .
  12. ^ Jump up to: а б Топрак, Эрдал; Верес, Адриан; Мишель, Жан-Батист; Хаит, Реми; Хартл, Дэниел Л; Кишони, Рой (18 декабря 2011 г.). «Эволюционные пути к устойчивости к антибиотикам при динамически устойчивом выборе лекарств» . Природная генетика . 44 (1): 101–105. дои : 10.1038/ng.1034 . ISSN   1061-4036 . ПМЦ   3534735 . ПМИД   22179135 .
  13. ^ Jump up to: а б Озиолор, Элиас М.; Дубанский, Бенджамин; Бурггрен, Уоррен В.; Мэтсон, Коул В. (июнь 2016 г.). «Перекрестная устойчивость популяций киллифишей Персидского залива (Fundulus grandis), устойчивых к диоксиноподобным соединениям» . Водная токсикология . 175 : 222–231. дои : 10.1016/j.aquatox.2016.03.019 . ISSN   0166-445X . ПМИД   27064400 .
  14. ^ Хуа, Джессика; Котран, Рики; Столер, Аарон; Релиа, Рик (2013). «Перекрестная толерантность у земноводных: смертность лесных лягушек при воздействии трех инсектицидов с общим механизмом действия» . Экологическая токсикология и химия . 32 (4): 932–936. дои : 10.1002/etc.2121 . ISSN   1552-8618 . ПМИД   23322537 . S2CID   22775846 .
  15. ^ Джаясундара, Нишад; Фернандо, Пани В.; Остерберг, Джошуа С.; Каммен, Кристина М.; Шульц, Томас Ф.; Ди Джулио, Ричард Т. (01 августа 2017 г.). «Цена толерантности: физиологические последствия развившейся устойчивости к обитанию в загрязненной среде у костистых рыб Fundulus гетероклитус» . Экологические науки и технологии . 51 (15): 8763–8772. Бибкод : 2017EnST...51.8763J . дои : 10.1021/acs.est.7b01913 . ISSN   0013-936X . ПМЦ   5745795 . ПМИД   28682633 .
  16. ^ Юнг, Давун; Мэтсон, Коул В.; Коллинз, Леонард Б.; Лабан, Джефф; Стэплтон, Хизер М.; Бикхэм, Джон В.; Свенберг, Джеймс А.; Ди Джулио, Ричард Т. (ноябрь 2011 г.). «Генотоксичность атлантического киллифуса (Fundulus гетероклитус) с загрязненного ПАУ участка Суперфонда на реке Элизабет, штат Вирджиния» . Экотоксикология . 20 (8): 1890–1899. дои : 10.1007/s10646-011-0727-9 . ISSN   0963-9292 . ПМК   3203518 . ПМИД   21706406 .
  17. ^ Озиолор, Элиас М.; Рид, Ной М.; Яир, Сиван; Ли, Кристин М.; ВерПлог, Сара Губерман; Брунс, Питер К.; Шоу, Джозеф Р.; Уайтхед, Эндрю; Мэтсон, Коул В. (3 мая 2019 г.). «Адаптивная интрогрессия позволяет эволюционно спастись от чрезвычайного загрязнения окружающей среды» . Наука . 364 (6439): 455–457. Бибкод : 2019Sci...364..455O . дои : 10.1126/science.aav4155 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   31048485 . S2CID   143433164 .
  18. ^ Котран, Рики Д.; Браун, Дженис М.; Релиа, Рик А. (июль 2013 г.). «Близость к сельскому хозяйству коррелирует с толерантностью к пестицидам: свидетельства эволюции устойчивости земноводных к современным пестицидам» . Эволюционные приложения . 6 (5): 832–841. дои : 10.1111/eva.12069 . ISSN   1752-4571 . ПМК   5779125 . ПМИД   29387169 .
  19. ^ Хуа, Джессика; Вюртнер, Ванесса П.; Джонс, Девин К.; Мэттс, Брайан; Котран, Рики Д.; Релиа, Рик А.; Ховерман, Джейсон Т. (сентябрь 2017 г.). «Развитая толерантность к пестицидам влияет на восприимчивость земноводных к паразитам» . Эволюционные приложения . 10 (8): 802–812. дои : 10.1111/eva.12500 . ПМК   5680434 . ПМИД   29151872 .
  20. ^ Бейкер, Роберт Дж.; Дикинс, Бенджамин; Уиклифф, Джеффри К.; Хан, Фейсал А.А.; Гащак, Сергей; Макова Катерина Д.; Филлипс, Калеб Д. (сентябрь 2017 г.). «Повышенная изменчивость митохондриального генома после 50 поколений радиационного воздействия у диких грызунов» . Эволюционные приложения . 10 (8): 784–791. дои : 10.1111/eva.12475 . ПМК   5680428 . ПМИД   29151870 .
  21. ^ Нкья, Терезия Э; Ахуайри, Идир; Пупарден, Родольф; Батенгана, Бернар; Моша, Франклин; Магеса, Стивен; Кисинза, Уильям; Давид, Жан-Филипп (2014). «Механизмы устойчивости к инсектицидам, связанные с различными средами обитания переносчика малярии Anopheles gambiae: тематическое исследование в Танзании» . Журнал малярии . 13 (1): 28. дои : 10.1186/1475-2875-13-28 . ISSN   1475-2875 . ПМЦ   3913622 . ПМИД   24460952 .
  22. ^ КЛАРК, Калифорния; МАНИ, ГС; ВИНН, Г. (октябрь 1985 г.). «Эволюция наоборот: чистый воздух и перченая моль» . Биологический журнал Линнеевского общества . 26 (2): 189–199. дои : 10.1111/j.1095-8312.1985.tb01555.x . ISSN   0024-4066 .
  23. ^ Хикс, Хелен Л.; Комон, Дэвид; Куттс, Шон Р.; Крук, Лаура; Халл, Ричард; Норрис, Кен; Нив, Пол; Чайлдс, Дилан З.; Фреклтон, Роберт П. (март 2018 г.). «Факторы, способствующие развитию устойчивости к гербицидам в национальном масштабе» . Экология и эволюция природы . 2 (3): 529–536. дои : 10.1038/s41559-018-0470-1 . ISSN   2397-334X . ПМИД   29434350 . S2CID   256705742 .
  24. ^ Уолш, Майкл Дж.; Паулз, Стивен Б. (апрель 2007 г.). «Стратегии управления популяциями сорняков, устойчивыми к гербицидам, в системах растениеводства в засушливых районах Австралии» . Технология сорняков . 21 (2): 332–338. дои : 10.1614/WT-06-086.1 . ISSN   0890-037X . S2CID   86844036 .
  25. ^ Всемирная организация здравоохранения (13 октября 2020 г.). «Информационный бюллетень по антимикробной резистентности» . Всемирная организация здравоохранения . Проверено 1 декабря 2020 г.
  26. ^ Маклин, Р. Крейг; Сан-Миллан, Альваро (12 сентября 2019 г.). «Эволюция устойчивости к антибиотикам» . Наука . 365 (6458): 1082–1083. Бибкод : 2019Sci...365.1082M . doi : 10.1126/science.aax3879 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   31515374 . S2CID   202566877 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2dce83e783e2d2a6ba0e6869cdc0a426__1717592940
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2d/26/2dce83e783e2d2a6ba0e6869cdc0a426.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Evolutionary toxicology - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)