Основные достижения ИБ КарНЦ РАН в области фундаментальных научных исследований в рамках приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ

В ИБ КарНЦ РАН в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в РФ «Живые системы» проводит исследования биологических основ функционирования живых систем на разных уровнях их организации (от молекулярного до популяционного), механизмов устойчивости к действию факторов различной природы, включая антропогенные, и адаптации организмов к условиям Севера.
В рамках приоритетного направления развития науки техники и технологий РФ «Живые системы» и критической технологии «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения» на основе тест-системы температурозависимой хлорофиллдефектности многолетнего перекрестноопыляющегося злака Festuca pratensis Huds. показано, что изучаемый тип хлорофиллдефектности находится под защитой генетических (супрессия) и популяционных механизмов: формирование особого морфо-физиологического комплекса признаков с индивидуальной светочувствительностью и действие стабилизирующего отбора, который обеспечивает в популяции высокую частоту особей с фотопротекторными признаками. Выявлено значительное варьирование уровня генетического разнообразия (по микросателлитным маркерам) Arabidopsis thaliana в отдельных природных популяциях Карелии, расположенных на северной периферии ареала вида, что позволяет предположить как влияние постледниковой колонизации территории Карелии множеством различных предков A. thaliana, так и результат действия микроэволюционных факторов (мутационный процесс и различное давление естественного отбора) в условиях периферии ареала вида (жесткие и нестабильные условия произрастания растений).
Выявлены закономерности изменения устойчивости, роста и развития растений, комплекса структурно-функциональных особенностей фотосинтетического аппарата при действии неблагоприятных температур и тяжелых металлов, а также показана возможность модификации реакции растений на действие неблагоприятных факторов внешней среды с помощью синтетических регуляторов роста; показано участие в механизмах холодовой адаптации растений АБК-зависимых и АБК-независимых генов и кодируемых ими транскрипционных факторов и стрессовых белков; выявлено изменение уровня экспрессии генов устойчивости Н1 и Gro 1-4 при кратковременном и постоянном действии низкой закаливающей температуры у устойчивого и восприимчивого к заражению картофельной цистообразующей нематодой сортов картофеля.
Выявлены механизмы физиологических адаптаций животных к световому фактору с использованием подхода по «функциональному» выключению регулятора ритмов – эпифиза, с помощью постоянного освещения; установлено изменение антиоксидантной системы, изоферментного спектра лактатдегидрогеназы и состава лейкоформулы в условиях постоянного освещения как самок крыс в период беременности, так и их потомства, а также влияния мелатонина на возрастную динамику элементов крови лабораторных животных, содержащихся при различных световых режимах, и у и хищных млекопитающих – при естественном освещении.
Получены результаты, характеризующие биохимические и молекулярно-генетические механизмы развития приспособительных реакций, включающие взаимосвязь уровня энзиматических показателей энергетического, углеводного и белкового метаболизма, обмена нуклеиновых кислот, липидного и жирнокислотного состава, ферментов метаболизма ксенобиотиков у гидробионтов (рыб и водных беспозвоночных) различного филогенетического положения, возраста, пола, с различным типом питания, обитающих в водоемах Республики Карелия и Белого моря, в условиях кратковременного и долговременного воздействия биотических и абиотических факторов среды (температура, соленость, отходы горно-обогатительного производства, тяжелые металлы, электро-магнитное излучение и др.). При адаптации к новым условиям обитания, помимо физиологических и поведенческих механизмов, исследуемые организмы "включают" эволюционно закрепленные приспособительные реакции на уровне модификаций биохимических макромолекул.
Многолетние исследования ИБ КарНЦ РАН в рамках приоритетного направления развития науки техники и технологий РФ «Живые системы» и критической технологии «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» показали, что в отдаленной от мутагенного воздействия генерации (М7) установлена дифференциальная приспособленность растений овсяницы луговой (Festuca pratensis Hads.) двух групп мутантных потомств, сформированных на основе действия химических мутагенов (ЭМС, ЭИ и NаN3) и комбинированного их применения с g-радиацией (g+ЭМС, g+ЭИ, γ+NаN3). Более высокая приспособленность растений в первой группе М7-потомств обусловлена их более высокой выживаемостью (в 1,5 раза) и плодовитостью (в 1,2 раза) по сравнению со второй в определенных условиях их культивирования. Относительно контрольной популяции выживаемость М7-потомств снижена на 13-55%, а плодовитость повышена на 20-50%. Эффективность действия стабилизирующего отбора в отношении компонентов выживаемости растений на разных этапах онтогенеза и плодовитости в М7-генерации определяется как типом мутагенеза (радиационный, химический), так и способом использования мутагенов (простая и комбинированная обработка).
Многолетние исследования ИБ КарНЦ РАН в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в РФ «Живые системы» и критической технологии «Технологии снижения потерь от социально значимых заболеваний» позволили выявить, что иммунная система может выполнять двойственную роль в патогенезе сосудистых заболеваниях головного мозга (инсульты, атеросклероз и т.п.) человека, при этом происходят изменения в функциональном состоянии лимфоцитов и в системе регуляторных клеток Тreg, отвечающих за иммунную супрессию. Установлено повышение числа нескольких популяций лимфоцитов с Treg-ассоциированными фенотипами (CD4+CD25hi, CD4+CD25+CD127low/- и CD4+FOXP3+) у больных ревматоидным артритом, наряду со значительным усилением экспрессии этими клетками хемокинового рецептора CCR4. Это позволяет предполагать, что одним из основных механизмов индукции иммунной супрессии при развитии аутоиммунизации является активация CD4+ лимфоцитов. Результаты могут быть использованы при оценке иммунного статуса больных сосудистыми заболеваниями головного мозга и ревматоидным артритом.
Исследовано влияние полиморфизма генов провоспалительных (TNF, IL6) и противовоспалительного (IL10) цитокинов и их рецепторов, индуцибельной синтазы оксида азота (NOS2) с риском развития ЭАГ (I-II стадии) и ревматоидного артрита. Установлена связь rs4537545 (T>C) гена IL6R и rs1061622 (T>G) гена TNFRSF1B с развитием ревматоидного артрита у жителей Карелии. Показано влияние однонуклеотидных замен в генах IL10 (-627C>A) и NOS2 (rs3730017(C>T)) на развитие эссенциальной артериальной гипертензии (I и II стадии). Обнаружены межэтнические различия в частотах указанных полиморфных маркеров, что, вероятно, может определять разную генетическую предрасположенность доноров, входящих в этнические группы Карелии к развитию полигенно-наследуемых заболеваний. Показано, что повышенный уровень оксида азота в плазме крови пациентов с ЭАГ может определяться не только развитием воспалительного процесса, но и наличием определенных полиморфных вариантов гена индуцибельной синтазы оксида азота.
Установлен повышенный риск сердечно-сосудистых заболеваний у жителей Карелии – носителей определенных генотипов полиморфных вариантов циркадных генов CLOCK и его зависимость от пола. Полученные результаты могут быть использованы при диагностике и коррекции лечения социально значимых заболеваний человека.
Многолетние исследования ИБ КарНЦ РАН в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в РФ «Живые системы» и критической технологии «Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных» позволили установить факторы устойчивости природных очагов трансмиссивных заболеваний человека и животных в Восточной Фенноскандии, такие как антропогенная трансформация ландшафтов, интродукция новых видов и внесение в биоценозы новых паразитов. Показано расширение ареала таежного клеща в западном и северном направлениях; установлено, что в увеличении численности и вирусофорности клещей находит отражение действие комплекса факторов. Разработанные рекомендации нашли практическое применение в органах здравоохранения Республики Карелия и могут быть использованы в ряде отраслей: туризме, лесном хозяйстве, лесной промышленности, строительстве, транспорте и др.
В ИБ КарНЦ РАН в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники РФ «Живые системы» и критической технологии «Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии» впервые исследовались молекулярные механизмы биологической активности углеродных наноструктур природного и искусственного происхождения, . Впервые разработан подход (математическая модель) для описания процесса образования надмолекулярной (кластерной) организации биомакромолекул в водно-солевых растворах. Изучены механизмы устойчивости белковых молекул и клеточных мембран при их взаимодействии с углеродными наноструктурами, выявлены механизмы воздействия физико-химических факторов на биологические системы, включая клетку и ее плазматическую мембрану, имеющие как общие, так и специфические черты. Вскрыты некоторые особенности реализации этих механизмов на молекулярном уровне, включающие взаимодействие наноуглерода с мембраной эритроцита и модификацию структурного состояния глобулярных белков. Эти результаты указывают, что механизмы, компенсирующие модифицирующее действие нанодисперсных углеродных структур на биосистему, реализуются уже на молекулярном уровне и, вероятно, представляют собой первичный – неспецифический физико-химический – уровень механизма адаптации и устойчивости организмов.
С помощью методов компьютерного моделирования получены новые данные о свойствах жирнокислотных цепей в разных состояниях - цепей в составе молекул липидов (фосфатидилхолина, ФХ) в бислоях в жидкокристаллическом состоянии и изолированных цепей в аморфном состоянии. Липидные бислои были изучены методом молекулярной динамики. Молекулы ФХ различались степенью ненасыщенности и/или длиной цепи углеводородных цепей. Методом Монте-Карло моделировали совокупность аналогичных жирнокислотных цепей в невозмущенном состоянии. Рассчитан ряд геометрических и термодинамических характеристик этих цепей, выявлены общие тенденции в зависимостях между химическим строением цепей и их свойствами и проведена количественная оценка различий в свойствах жирнокислотных цепей в обоих состояниях. Изучены молекулярные механизмы, которые обеспечивают реализацию свойств цепей того или иного строения. Установленные закономерности могут быть использованы для анализа и интерпретации результатов исследований in situ адаптивных изменений в биологических мембранах живых организмов при изменении внешних факторов среды (температуры, давления).
ИБ КарНЦ РАН в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в РФ «Рациональное природопользование» проводит исследования по наиболее острым и актуальным проблемам современной экологии региона, включая изучение последствий антропогенной трансформации наземных (лесных, луговых, болотных) и водных экосистем Европейского Севера, их фрагментации и изменения, биологических инвазий; мониторинг за структурой экосистем и направлением сукцессии биоценозов; выявление закономерностей функционирования и динамики экосистем, позволяющие моделировать эти процессы и прогнозировать возможные последствия их изменений; изучение динамики численности и структуры популяций фоновых и редких видов растений и животных под влиянием природных и антропогенных факторов; оценку состояния биологического разнообразия и биологических ресурсов региона и разработку предложений по управлению ими (рациональное использование, восстановление, охрана редких и исчезающих видов).
В рамках приоритетного направления «Рациональное природопользование» и критической технологии «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения» проведена реконструкция динамики палеорастительности и палеоландшафтов за последние 12 тыс. лет, составлены биостратиграфическая схема позднеледниковья и голоцена и карты на 5 временных срезах для Европейского Севера России. Реконструкция восстановленной растительности дает представление о глобальных изменениях растительности региона, об изменениях термического и влажностного режима и позволила разработать прогноз развития лесов и болот на следующее тысячелетие.
Впервые разработана детальная тополого-экологическая классификация типов растительных сообществ болот Европейского Севера России; проведен анализ бриофлоры, постмелиоративной динамики растительного покрова болот среднетаежной Карелии и луговой растительности Карелии, флоры сосудистых растений болот Европейского Севера России и Финляндии.
Анализ динамики и современного состава наземных позвоночных животных Северо-Запада России показал, что в пределах отдельных таксономических и экологических групп животных наблюдаются динамические процессы, имеющие различную направленность и интенсивность. Так, в пределах региона исследований при сокращении численности одних видов (таежный гуменник, лесной северный олень, заяц-беляк, ондатра и др.) отмечено увеличение численности представителей других видов (белощекая казарка, речные бобры, лось и др.). Динамика состава и структуры населения птиц и млекопитающих таежной зоны, наблюдаемая в последние годы, свидетельствуют о продолжающемся «объюжнении» фауны. Тенденция к освоению северных террито¬рий в последнее время проявляется у многих представителей фаунистического комплекса широколиственных лесов, что связано, главным образом, с заменой коренных хвойных лесов северной и средней тайги лиственными и смешанными древостоями, появлением обширных пространств вырубок и молодняков. Наблюдаемое явление – следствие суммарного воздействия глобальных климатических изменений, антропогенного влияния (трансформация местообитаний, интродукция, и т.д.) и проявлением таких популяционных процессов как «волны жизни» (характерным примером служат – встречи кабана и косули далеко за пределами их ареалов). У большинства представителей северотаежной фауны не отмечается заметных тенденций расселения к югу. Напротив, в силу вышеназванных причин, для многих из них характерно смещение южных границ ареалов к северу (сероголовая гаичка, щур, трехпа¬лый дятел, крохаль-луток, белая куропатка). Для некоторых зверей отступление к северу, стало следствием как прямого преследования человеком, прежде всего – охотничьи виды, так и ростом фактора беспокойства. Одним из результатов сукцессиионных процессов лесных биоценозов является изменение границ ареалов некоторых видов мелких млекопитающих. Наряду с появлением новых западноевропейских видов (полевая мышь, мышь-малютка, обыкновенная полевка и др.) и расширением ареалов южных форм, заселивших Карелию в прошлом (рыжая полевка, малая бурозубка, лесная мышовка), сокращаются местообитания, характерные для северо-таежных видов (лесной лемминг, средняя бурозубка, красная и красно-серая полевки), в результате, к настоящему моменту, красная полевка и лесной лемминг переместились в разряд видов, которые встречаются в уловах единично или отсутствуют в течение нескольких лет наблюдений.
Впервые выявлено, что относительная эффективность передачи вещества и энергии с одного трофического уровня на другой близка у различных по трофности водных систем от тундры до тропиков (абсолютные величины могут изменяться в десятки–сотни раз). Полученные результаты могут быть использованы для построения балансовых моделей водных экосистем. Выявлена структура сообществ гидробионтов в водоемах и водотоках, находящихся в естественном состоянии и в условиях воздействия различных антропогенных факторов, проанализированы материалы их пространственной динамики, определены продукционные возможности водоемов Карелии, находящихся под разными видами антропогенного воздействия. Предложена классификация лососевых нерестовых рек Восточной Фенноскандии по эколого-гидрологическим характеристикам, биологическим особенностям и запасам атлантического лосося, позволяющая оценить их репродуктивный потенциал.
Разработана концепция структурной организации географической информационной системы, составлена карта-схема «Лососевые популяции и нерестовые реки Восточной Фенноскандии» с использованием космических снимков и объединением экологических и генетических баз данных, что позволило заложить теоретические основы сохранения и организации эффективного управления популяционно-генетическими ресурсами атлантического лосося в регионе.
Выявлены закономерности пространственного распределения почвенных свойств и пространственной неоднородности почв естественных и агроценозов Южной Карелии. Установлено, что в условиях Севера минеральные почвы в ходе освоения обогащаются биофильными элементами. В результате вспашки, известкования и внесения удобрений происходит образование пахотного горизонта, обогащённого углеродом и другими биофильными элементами. При переводе сельскохозяйственных земель в залежь, их содержание снижается, однако максимальное содержание по-прежнему отмечено в старопахотном горизонте. В лесных почвах максимальное содержание биофильных элементов отмечено только в лесной подстилке. Полученные результаты могут быть использованы при возвращении заброшенных земель с сельскохозяйственный оборот.
Выявлен общий характер ответных реакций сообществ почвообитающих нематод на широкий диапазон воздействующих факторов при естественной и антропогенной трансформации экосистем. Впервые установлено увеличение видового разнообразия, численности и относительного обилия нематод-паразитов растений в корнеобитаемом слое интродуцентов по сравнению с естественными лесными биоценозами; найдены редкие для региона виды нематод, что служит в пользу гипотезы о проникновении новых и распространении редких видов паразитов при интродукции растений в экосистемы Севера.
В рамках приоритетного направления «Рациональное природопользование» и критической технологии «Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных» разработана концепция формирования фауны паразитов рыб эвтрофируемых пресноводных экосистем; определен круг видов, формирующих и поддерживающих очаги опасных гельминтозов птиц, рыб и человека. На акватории Ладожского озера отмечено формирование потенциальных условий для реализации жизненного цикла трематоды Apophallus müehlingi, вызывающей опасное для здоровья рыб заболевание – апофаллез. Этот активно расселяющийся вид пока найден только у окончательного хозяина: зрелые особи впервые обнаружены у сизой чайки в акватории озера непосредственно после возвращения птиц с мест зимовки. Учитывая сравнительно быстрое расселение моллюсков Lithoglyphus naticoides, являющихся первым промежуточным хозяином трематоды, в системе реки Волги в 20 веке, следует ожидать их дальнейшего продвижения в северные водоемы (бассейны Ладожского и Онежского озер), а вместе с ними и формирования очагов апофаллеза.