1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif Luděk Bláha, PřF MU Živé systémy v ekotoxikologii - úvod - OPVK_MU_stred_2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Co by si student(ka) měl(a) odnést ? Znát a vysvětlit pojmy a chápat význam v ekotoxikologii pro … - úrovně a hierarchie biologické organizace - základní strukturní elementy živé hmoty - základní funkce živé hmoty - základní procesy (zejm. toky energií) v živých systémech - Rovnováha a stres u živých systémů - Udržování rovnováhy - Energie a rovnováha - Stres - primární a sekundární reakce, adaptace / evoluce - 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Život Hierarchie … a význam v ekotoxikologii 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif www.mwsu-bio101.ning.com Organizace života à působení látek na různých úrovních ! U studentů se zde předpokládá, že znají definice jednotlivých úrovní „života“ 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Mechanistické porozumění účinkům látek - hierarchie živých systémů - Toxikodynamika (mechanismus působení) BRNO10_9_2002 Cyprinus%20Carpio4 Účinky na populace Účinky na jednotlivce (organismus) Daphnia Společenstva a ekosystémy 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Chemická látka v prostředí a její toxicita à Vnější prostředí - environmentální OSUD àŽivý systém - osud v organismu TOXIKOKINETIKA àDosažení „cílového místa“: molekula à interakce (TOXIKODYNAMIKA) à projev toxicity …ÚČINEK Toxické účinky Toxické efekty se odehrávají VŽDY nejprve nejnižších úrovních MOLEKULY … ale mohou se projevit i na vyšších úrovních à tkáň, organismus, populace, společenstva BIOLOGICKÉ SYSTÉMY V EKOTOXIKOLOGII 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Kontaminace – prostorové a časové dimenze 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Změny na molekulární úrovni (chemické interakce) se projeví v ekosystémech 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Život Struktura a Funkce … a význam v ekotoxikologii 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Toxické látky reagují s biologickými makromolekulami a ovlivňují jejich funkce Hlavní biologické makromolekuly - nukleové kyseliny - proteiny - fosfolipidy - -polysacharidy - spíše zásobní funkce: méně významné pro toxicitu) - Další „malé“ molekuly, se kterými mohou toxické látky interagovat a působit tak toxicky - protektivní molekuly (antioxidanty, glutathion) - nízkomolekulární hormony a neurotransmitery (např. steroidy, dopamin) - Život na nejnižší úrovni: základní struktura ? ! U studentů se zde předpokládá, že znají chemickou povahu makromolekul 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Základní vlastnosti živé hmoty - Metabolismus (udržování existence za využití energie) - Růst a pohlavní dozrávání - Rozmnožování - Vnímavost / dráždivost a komunikace (uvnitř i s okolím) (za normálních podmínek jsou funkce v rovnováze) Toxické látky (a další stresory) působí na tyto hlavní funkce - účinky na molekulární úrovni à buňka à organismus... společenstvo - s různými důsledky pro další úrovně Živý organismus – základní funkce ? Metabolismus = udržování života Růst – velikost pohlavní zralost Rozmožování Komunikace a řízení 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Rovnováha & distribuce energie 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Homeostáza: akce/reakce Existence živé hmoty udržování „rovnováhy“ … při vynaložení energie à příjem energie à zpracování energie : hlavní funkce živých organismů : ukládání / ztráty energie 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Metabolismus Řízení, kontrola, vnímání & reakce na podněty Ochrana před patogeny, parazity, predátory Ochrana před toxikanty Energie hv potrava Ztráty teplo fekálie Existence (udržování, maintenance) Růst, pohlavní zralost Rozmnožování Vliv chemické látky stres 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Energie hv potrava Ztráty teplo fekálie Existence (udržování, maintenance) Růst, pohlavní zralost Rozmnožování Metabolismus Vnitřní řízení, kontrola, vnímání & reakce na podněty Ochrana před patogeny, parazity, predátory Ochrana před toxikanty Chemický stres: vyšší nároky / alokace energie à „nedostatek“ energie jinde 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Energie hv potrava Ztráty teplo fekálie Existence (udržování, maintenance) Růst, pohlavní zralost Rozmnožování Metabolismus Vnitřní řízení, kontrola, vnímání & reakce na podněty Ochrana před patogeny, parazity, predátory Ochrana před toxikanty Chemický stres + nedostatek „energetických vstupů“ (např. potravy) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Rozdělování energie mezi hlavní funkce organismu - Udržování života (… délka života) - Růst (zvětšování vlastní hmoty) - Rozmnožování - Signály a jejich zpracování Teorie dynamických zásob energie DEB – Dynamic Energy Budget www.debtox.info 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Hlavní funkce organismu Normální stav - rovnováha mezi ději (a alokací energie) Narušení některého z kroků - změna alokace př. Specif. inhibice rozmnožování (TOX. LÁTKY) -> posílení Energie pro růst nebo udržování Teorie dynamických zásob energie DEB – Dynamic Energy Budget www.debtox.info 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Udržování rovnováhy & stres 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Mechanismy udržování rovnováhy ZPĚTNÉ VAZBY pozitivní = nárůst „B“ způsobuje nárůst „A“ A+ B+ negativní = nárůst „B“ způsobuje pokles „A“ A- B+ Podnět („akce“) mimo hranice homeostázy (např. dlouhodobé působení „stresového faktoru“ (vč. chemických) à vývolává „reakce“ (nutně doprovázené zvýšenou potřebou energie) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif STRES Definice 1 stav mobilizace obraných a nápravných procesů vůči podnětům přesahujícím obvyklé rozpětí homeostázy (na něž je obvykle dobře adaptováno) Definice 2 Odpověď (reakce) na podněty, které vytváří abnormální podmínky; stresorem jsou např. chemické látky apod. Stresor Každý faktor/situace nutící mobilizovat vnitřní rezervy a používat abnormální výdaje energie pro udržení homeostázy 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif TEORIE STRESU – vychází z experimentů s živočichy Obecná teorie stresu 1) různé podněty vyvolávají stereotypní („nespecifické“) reakce 2) průběh reakce určuje velikost, trvání a frekvence podnětu 3) existují podstatné odlišnosti v reakcích jednotlivců stejného druhu 4) odolnost je geneticky fixována, ale může být individuálně změněna Analogie i v dalších úrovních života : buňka … populace : př. Ekosystém: Požár / smršť / havárie / imise SOx -> +/- stejná odpověď 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif TEORIE STRESU – vychází z experimentů s živočichy Procesy dobře popsány u živočichů (platí obecně) 1) 1)Primární stresová/záchranná reakce = příprava na obranu/útěk Zvýšení koncentrace adrenalinu, zvýšení tlaku, snížení aktivity trávicího traktu 2) 2)Sekundární (dočasné) přizpůsobení –fyziologické změny (změny metabolismu, zvýšení hladin detoxikačních enzymů apod.) 3) 3)Dlouhodobá adaptace = evoluce 4) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Stres - příklad = poplachová reakce (signál k útěku, mobilizace zásob energie, inhibice akutně nedůležitých funkcí … imunitní systém, rozmnožování) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif TEORIE STRESU Trvalé působení stresu = kontinuální odpověď - poplachové stadium - stadium rezistence - stadium vyčerpání (a/nebo evoluce) E3 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif TEORIE STRESU 0°C -10°C RT 2dny 2 týdny 4 týdny 5 týdnů 2dny Adaptace @ 0°C Příklady reakce na působení stresu: Přežívání potkanů při -10°C - Adaptace 0°C (žádná vs. 2 dny vs. 4 týdny) - Stále stejné dávky potravy (energie) Adaptační fáze umožnila delší přežití, ale definitivně vedla ke smrti (vyčerpání, nedostatek energie) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Adaptace - evoluční 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Adaptace je evoluční proces, ve kterém se organismus (resp. DRUH) přizpůsobuje vnějším podmínkám a dalším faktorům (včetně chemického stresu), které panují v areálu jeho výskytu. • Přizpůsobování probíhá procesem přirozeného výběru (na úrovni jedinců à populací) à vznikají „účelné“ vlastnosti • Přirozený výběr selektuje ze všech náhodně vznikajících mutací ty, které jsou výhodné a užitečné • • Evoluční adaptace a její podstata 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad adaptace: selekce populací roztočů rezistentních na pesticidy http://econjsun.files.wordpress.com/2011/11/pest.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad adaptace: vznik bakterií rezistentních na antibiotika ATB: nemocnice à prostředí: další šíření „mutací“ (ii horizontální transfer genů) ATB přímo v prostředí à rezistentní kmeny v sedimentech, na ČOV atd. http://my.clevelandclinic.org/PublishingImages/Disorders/6260_gene_transfer2_nih.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Chemické látky (akce) vs. odpovědi živých systémů (reakce: účinky) - PŘEHLED – (detaily budou diskutovány v dalších přednáškách) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Efekty toxikantů (akce) a odpovědi na různých úrovních organismu (reakce) na všech úrovních reparace/adaptace molekulární - vazba na DNA, změna struktury, aktivace „inaktivních proteinů“ buněčná - změna profilu proteinů produkovaných buňkou (nové, mutace) orgánová - změna fyziologie (koncentrace hormonů, tlak krve) organismální - změny chování/zdraví, změny reprodukce, růstu -> smrt populace - změny demografie (staří > mladí) společenstvo - vymizení druhu Hierarchie biologických systémů vs. ekotoxicita 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif REPARACE / ADAPTACE v různých stupních osudu/účinků látky (1/3) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif REPARACE / ADAPTACE v různých stupních osudu/účinků látky (2/3) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif REPARACE / ADAPTACE v různých stupních osudu/účinků látky (3/3) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Otázky Co je to buňka? druh? populace? Společenstvo? atp. U rybníku Brčálníku žije populace skokana hnědého. Uveďte z jakých rozdílných jedinců (jaké mezi nimi byli rozdíly?) byla tato populace tvořena v červnu 2012? Z jakých jedinců pak v listopadu 2012? Popište chemickou podstatu nukleových kyselin? Bílkovin? Fosfolipidů? Co je základním stavebním prvkem každé z těchto makromolekul? Jak v organismech (v buňce) vznikají? Jaké mají funkce? Jaké jsou hlavní funkce živých organismů? Jak budou tyto funkce ovlivněny u ryb, která bude dlouhodobě vystavena vlivu polycyklických aromatických uhlovodíků (např. Benzo[a]pyren)? Popište a zdůvodněte hlavní fáze vzniku stresu, vysvětlete význam (a rozdíly) v transformacích energie ve stádiu rovnováhy a dlouhodobého stresu. Popište jak mohou látky přímo a nepřímo ovlivňovat správné funkce imunitního systému Co je to evoluce? Jaký je význam evoluce při dlouhodobému působení chemického stresu? Popište molekulární podstatu evolučních změn. Uveďte alespoň dva příklady chemikáliemi-indukované evoluce?