Исследование, опубликованное в выпуске журнала Science от 14 февраля, является частью текущей оценки ущерба природным ресурсам в результате разлива нефти Deepwater Horizon в апреле 2010 года.Хотя известно, что сырая нефть кардиотоксична для развивающихся рыб, физиологические механизмы, лежащие в основе ее вредного воздействия, не ясны. Ученые из Стэнфорда и NOAA, изучающие воздействие нефти из разлива Deepwater Horizon на тунца, обнаружили, что она нарушает способность клеток сердца рыб эффективно биться.Сырая нефть представляет собой сложную смесь химикатов, некоторые из которых, как известно, токсичны для морских животных.
Предыдущие исследования были сосредоточены, в частности, на «полициклических ароматических углеводородах» (ПАУ), которые также можно найти в каменноугольной смоле, креозоте, загрязнении воздуха и ливневых стоках с суши. После разлива нефти ПАУ могут в течение многих лет сохраняться в морской среде обитания и вызывать различные неблагоприятные экологические последствия.
Исследователи сообщают, что масло влияет на возбудимость, сокращение и расслабление сердечных клеток — жизненно важные процессы для нормального сокращения и стимуляции сердца.Их тесты показали, что очень низкие концентрации сырой нефти разрушают поры специализированных ионных каналов, по которым молекулы проникают в клетки сердца и выходят из них, которые контролируют частоту сердечных сокращений и сокращение в клетке сердечной мышцы.
Этот циклический сигнальный путь в клетках сердца — это то, что выталкивает кровь из насоса при каждом ударе. Белковые компоненты сигнального пути высоко консервативны в сердцах большинства животных, включая человека.Исследователи обнаружили, что масло блокирует калиевые каналы, распределенные в мембранах сердечных клеток, увеличивая время перезапуска сердца при каждом ударе. Это продлевает нормальный потенциал сердечной деятельности и, в конечном итоге, замедляет сердцебиение.
Канал иона калия, на который воздействует тунец, отвечает за перезапуск цикла сокращения клеток сердечной мышцы после каждого удара и в значительной степени сохраняется у позвоночных, что повышает вероятность того, что воздействие сырой нефти на таких разнообразных животных, как тунец, черепахи и дельфины, может быть одинаковым. . Масло также вызывало аритмию в некоторых клетках желудочков.«Способность сердечной клетки биться, — объяснила Барбара Блок, профессор морских наук из Стэнфорда, — зависит от ее способности быстро перемещать важные ионы, такие как калий и кальций, в клетки и из них. Этот динамический процесс, который является общее для всех позвоночных, называется «сцеплением возбуждения-сокращения».
Мы обнаружили, что сырая нефть нарушает этот жизненно важный сигнальный процесс, необходимый для правильного функционирования наших сердечных клеток ».«Из исследований NOAA за последние два десятилетия мы знали, что сырая нефть токсична для развивающихся сердец эмбрионов и личинок рыб, но не поняли точно, почему», — сказал соавтор Нат Шольц, руководитель Программы экотоксикологии на Северо-Западе NOAA. Научный центр рыболовства в Сиэтле. «Эти новые результаты более четко определяют химические угрозы нефтяного происхождения для рыб и других видов в прибрежных и океанских средах обитания, с последствиями, которые выходят за рамки нефтяных разливов и распространяются на другие источники загрязнения, такие как наземные городские ливневые стоки».
Новое исследование также обращает внимание на ранее недооцененный риск для диких животных и людей, особенно от воздействия кардиоактивных ПАУ, которые также существуют в относительно высоких концентрациях в загрязнении воздуха.«Когда мы видим такие острые эффекты на уровне сердечных клеток, — сказал Блок, — неудивительно, что хроническое воздействие нефти из разливов, таких как Deepwater Horizon, может привести к долгосрочным проблемам в сердцах рыб, как наш NOAA. коллеги наблюдали в исследованиях развития личинок рыб.«Белковые ионные каналы, которые мы наблюдаем в клетках сердца тунца, аналогичны тем, которые мы обнаруживаем в сердце любого позвоночного животного, и предоставляют доказательства того, как нефтепродукты могут негативно влиять на сердечную функцию у самых разных животных», — сказала она. «Это повышает вероятность того, что воздействие ПАУ в окружающей среде на многих животных, включая людей, может привести к сердечным аритмиям и брадикардии или замедлению сердечной деятельности».
Катастрофа Deepwater Horizon выпустила более 4 миллионов баррелей сырой нефти во время пикового нереста атлантического синего тунца весной 2010 года. Электронные метки и данные промысла показывают, что атлантический голубой тунец нерестится в районе, где рухнула буровая установка Deepwater Horizon. повышая вероятность того, что яйца и личинки, которые плавают вблизи поверхностных вод, подверглись воздействию нефти.Разлив произошел в основном нерестилище популяции синего тунца в западной части Атлантического океана в Мексиканском заливе. Согласно последней оценке запаса, проведенной в 2012 году, нерестовая популяция составляла всего 36 процентов от базовой популяции 1970 года.
Кроме того, многие другие пелагические рыбы, в том числе желтоперый тунец, голубой марлин и рыба-меч, скорее всего, нерестились в загрязненных нефтью местообитаниях.Ученые NOAA ранее показали, что воздействие ПАУ, полученных из сырой нефти, нарушает сердечную функцию и замедляет развитие личинок рыб.
Многочисленные исследования, особенно после разлива нефти Exxon Valdez в 1989 году, описали синдром эмбриональной сердечной недостаточности, брадикардии, аритмий и отеков у подвергшихся воздействию эмбрионов рыб. Потенциал пагубного воздействия на молодь рыб в северной части Мексиканского залива все еще исследуется после разлива Deepwater Horizon. В настоящем исследовании команда NOAA объединилась с исследователями из Стэнфорда, чтобы определить, почему масло конкретно влияет на клетки сердца.
Пользуясь преимуществами содержащихся в неволе популяций синего и желтоперого тунца в Центре исследования и сохранения тунца (совместный объект, управляемый Стэнфордом и аквариумом Монтерей-Бей), исследовательская группа смогла непосредственно наблюдать влияние образцов сырой нефти, собранных в заливе Мексика о живых клетках сердца рыб.Блок и ее команда окунули изолированные сердечные клетки тунца в низкие концентрации сырой нефти, аналогичные тем, с которыми рыбы на ранних этапах жизни могли встретиться в поверхностных водах, где они нерестились после разлива нефти в апреле 2010 года в Мексиканском заливе.
Они измерили реакцию сердечных клеток, используя комбинацию сложных электрофизиологических методов, включая «зажимание участка» и «конфокальную микроскопию», — чтобы записать, как ионы попадают в сердечные клетки и выходят из них, а также для определения конкретных белков в клетках сердца. путь возбуждения-сокращения, на который воздействовали химические компоненты сырой нефти.«Мы можем исследовать функцию здоровых сердечных клеток in vitro и фактически измерить с помощью микроскопа, как они реагируют на присутствие сырой нефти в режиме реального времени», — сказал Фабьен Бретт, научный сотрудник лаборатории Блока и ведущий автор исследования.
«Нормальная последовательность и синхронное сокращение сердца требует быстрой скоординированной активации сердечных клеток», — сказал Блок. «Подобно детективам, мы проанализировали этот процесс, используя лабораторные физиологические методы, чтобы спросить, где нефть воздействует на этот жизненно важный механизм».