Экологическая ф.ч. Конспект лекций. Конспект лекций Донецк 2016
 Скачать 1.94 Mb.
|
|
Краткая характеристика экологических факторов Экологические факторы – это отдельные свойства или части среды, воздействующие на живые организмы. В зависимости от природы экологические факторы классифицируют на три группы: 1.абиотические (факторы неживой природы) – температура, освещенность, влажность воз- духа, радиоактивное излучение, солевой состав воды, ветер, течения, рельеф местности, высота над уровнем моря, электромагнитные и гелиомагнитные излучения, сила тяготе- ния и т.д.; 2.биотические – все формы воздействия живых существ друг на друга; 3.антропогенные – это все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания для самого человека и других живых существ. Благоприятная сила воздействия экологического фактора для жизнедеятельности опреде- ленного вида называется зоной оптимума экологического фактора. Максимально и минимально переносимые видом интенсивности действия фактора – это критические точки, за пределами ко- торых существование вида уже невозможно. Ограничивающие существование вида на определен- ной территории факторы – это такие, интенсивность действия которых выходит за критические пределы. Степень выносливости вида к действию определенного экологического фактора, ограни- ченная критическими значениями его интенсивности носит название экологической валентности вида по данному фактору (приставка «эври» - широкая валентность по какому-то фактору, при- ставка «стено» - узкая). Совокупность экологических валентностей вида по отношению к опреде- ленным факторам среды определяет его экологический спектр. Под экологической нагрузкой, в свою очередь, подразумевается влияние на организм человека фактора окружающей среды опре- деленной интенсивности и природы (физический и химический). В зависимости от характера соответствия интенсивности абиотических экологических фак- торов врожденным и приобретенным в процессе онтогенеза адаптационным реакциям организма, их классифицируют на: экстремальные, неадекватные, адекватные. Экстремальные факторы – это крайние весьма жесткие условия среды, неадекватные вро- жденным и приобретенным свойствам организма (например, экстремальным фактором для людей средних широт является температура окружающей среды в Приполярье). Экстремальные факторы 9 предъявляют к организму требования, превышающие ресурсы его адаптационной энергии, что ис- ключает возможность полной адаптации к ним. Продолжительность выживания организма в условиях действия определенного экстремаль- ного фактора является критерием его устойчивости к этому фактору и во многом характеризует функциональное состояние тех физиологических систем, которые обеспечивают приспособление к экстремальному фактору и поддержание гомеостаза в момент его действия. Человек благодаря своей хозяйственной деятельности, в отличие от дикой фауны, населяет территории, не только совместимые с его жизнью, но и несовместимые. Так, например, условия Арктики и Антарктиды, космических полетов являются экстремальными условиями среды, несо- вместимыми с жизнью, и пребывание человека в этих условиях, несмотря на определенные искусст- венно созданные им приспособления, сопровождается воздействием на человеческий организм ос- лабленных по силе экстремальных факторов. Адекватные факторы окружающей среды – это такие условия среды, которые адекватны врожденным и приобретенным (генофенотипическим) свойствам организма. Организмы нормаль- но существует в этих условиях без существенных адаптационных напряжений. Организмы адаптированы к существованию в адекватных условиях в силу длительной ви- довой эволюции и онтогенеза. Процессы же адаптации возникают и развиваются в организме при действии неадекватных факторов среды, т.е. факторов, неадекватных врожденным и приобретен- ным в процессе онтогенеза свойствам организма. Неадекватные факторы не обязательно являются экстремальными, к ним возможна полноценная адаптация. Адаптированность человека к новым природным и производственным условиям можно кратко охарактеризовать как совокупность социально-биологических свойств и особенностей, необ- ходимых для устойчивого существования организма в конкретной экологической среде. С точки зрения степени соответствия среды обитания биологическим и социальным потребностям чело- века выделяют 3 ее типа: здоровая или комфортная (человек полноценно выполняет свои биосоциальные функции); нездоровая или дискомфортная (появляются отклонения в состоянии здоровья человека от нормы, выражающиеся в форме болезней или затрудненном выполнении некоторых из биосоциальных функций); абсолютно экстремальная (при невозможности развивать связи и отношения между чело- веком и окружающей средой без специальных систем жизнеобеспечения из-за возникнове- ния нарушений в состоянии здоровья, имеющих необратимый характер). Все климато-географические факторы, действующие на организм человека, можно условно разделить на две группы: флуктуирующие – испытывающие разнообразные динамические изменения в течение суток, недель, месяцев и сезонов (температура и влажность воздуха, общий уровень солнечной ра- диации, барометрическое давление, скорость ветра и др.), нефлуктуирующие – жестко детерминированы в каждой конкретной местности, стабильны в течение солнечного цикла (спектр падающего на человека видимого света, микроэлементный состав почвы и воды, бактериально-вирусное окружение, напряженность гравитационного поля Земли, общий уровень биомассы, участвующей в трофических цепях пластического и энергетического обмена и т.д.). В ответ на действие постоянно изменяющих свою интенсивность факторов (флуктуирую- щих) в организме повседневно возникает комплекс различных приспособительных реакций реф- лекторного характера, составляющих суть временных адаптаций организма. Жестко детерминиро- ванные в каждой конкретной местности факторы приводят в конечном итоге к формированию ге- нетически обусловленных, а, следовательно, передающихся по наследству, структурных, метабо- лических и функциональных перестроек в организме, т.е. именно они определяют специфику ге- нетического аппарата жителя каждой конкретной местности. Частое (каждые 2-3 года) столкновение организма с различным ансамблем нефлуктуирую- щих факторов, связанное с постоянной миграцией человека в различные экологические зоны, при- водит к постоянным молекулярным перестройкам в определенных структурах организма, следст- 10 вием чего является быстрый тип старения у человека и возникновение различных хронических за- болеваний. В настоящее время, кроме климатических и геофизических факторов, действующих на че- ловеческий организм, выделяют следующие типы антропоэкологического напряжения: социально- психологическое, производственное и бытовое (включая нервно-психические напряжения, гипо- кинезию, неправильное питание, загрязнение воды и атмосферного воздуха, возрастание уровня шума и т.д.), миграционные и другие особые формы напряжения. Рассогласованность между генетически обусловленной способностью к адаптации, сфор- мировавшейся на протяжении тысячелетий естественного отбора, и условиями окружающей сре- ды, меняющимися в современную эпоху в течение нескольких десятилетий, может явиться причи- ной адаптационных напряжений на индивидуальном и популяционном уровнях. Особый интерес представляет изучение физиологических механизмов адаптации при воздействии новых факторов среды обитания, с которыми ранее в ходе своей биологической эволюции человек не сталкивался. Реакция организма на новые экологические факторы может проявиться в возникновении так назы- ваемых экогенетических патологических вариаций. Классификации человеческих экосистем В основу классификации человеческих экосистем могут быть положены различные факто- ры, такие как климатические особенности, рельеф, характер фауны и флоры, а также образ жизни и степень сложности сообщества, во многом зависящие от его хозяйственной деятельности и уровня экономического развития. Наиболее простая классификация человеческих экосистем была предложена П. Джеймсом. Основополагающим признаком в этой классификации выступает гео- графическая широта местности и лишь для одного типа экосистемы – высота над уровнем моря. Согласно этой классификации выделяют 10 типов среды обитания человеческих сообществ: 1. Экваториальные леса (густые влажные леса, соответствующие, к примеру, бассейну Конго в Африке и Амазонки в Бразилии, а также Индии, Юго-Восточной Азии, Новой Гвинее и т.д.); 2. Тропические леса и кустарники (менее густые полулиственные леса, характерные для Южно- го Китая, Полинезии, Южного Судана и некоторых других); 3. Тропические степи (саванны, большие степные пространства с небольшими островками леса, характерные для Северной Австралии, Судана, Южной Америки, Индонезии и некоторых дру- гих); 4. Пустыни и засушливые области (со скудной растительностью, представленной преимущест- венно суккулентами и колючими растениями, и бедным животным миром; Сахара, Калахари в Африке, Аравийская, Каракум в Азии, Калифорнийская в Северной Америке, Центральная Австралийская в Австралазии и т.д.); 5. Леса умеренного пояса (широколиственный и местами хвойный лес, в настоящее время силь- но вырубленные; богатый животный мир; соответствуют Австралии, Новой Зеландии, Севе- ро-западному побережью Северной Америки, области между Средиземным морем, тайгой и степями и т.д.); 6. Леса и кустарники средиземноморского типа (чаще вечнозеленые деревья и кустарники, а также растения с глубокими корнями и ксерофиты; животный мир небогат; южный берег Средиземного моря в Африке, Израиль, Ливан, южный берег Черного моря в Азии, Крым, северный берег Средиземного моря в Европе и т.д.); 7. Степи умеренного пояса (хорошо увлажняемые и задерживающие влагу черноземные почвы; например, Казахстан и Монголия в Азии, степи Поволжья и Приуралья, Черноземный пояс в Европе); 8. Северные леса (тайга, хвойные леса, обилие рек, болот, озер, богатый животный мир, харак- терны, к примеру, для Сибири в Азии и Лапландии в Европе); 9. Полярные области и тундра (начинаются на окраине тайги в виде низкого леса и переходят в сплошной ковер, образуемый осокой, мхами и лишайниками, далее следует пустынная тунд- ра с изолированными островками травянистой растительности; довольно богатый животный мир; характерна для Сибири (в Азии), Лапландии (в Европе), Гренландии (в Северной Аме- рике), прибрежных районов Антарктиды (в Австралазии)); 11 10. Горные районы (Тибет в Азии, Швейцарские, Австрийские и Альпы в Европе, Мексика, Перу и Чили в Южной Америке и т.д.). Самые многочисленные современные человеческие популяции характерны для таких гео- графических зон, как тропические леса и кустарниковые зоны, а также области умеренного пояса, покрытые смешанным лесом и некоторые горные районы. Краткая характеристика основных методов исследований в экологической физиологии человека Основным приемом при проведении исследований в экологии человека является наблюде- ние за определенными физиологическими процессами в организме человека, их изменением под влиянием каких-либо факторов, состоянием окружающей среды в различных промышленных ре- гионах Земного шара с различным уровнем экономического развития и т.д. При этом для решения различных задач специалисты в области экологии человека использует следующие методы. Метод экспериментальной экологической физиологии, предполагающий изучение морфо- физиологических и биохимических особенностей эволюционно близких видов животных, дли- тельное время проживающих в принципиально различных климато-географических условиях. Со- поставление основных структурных и функциональных особенностей организмов филогенетиче- ски близких животных, приспособленных к различному комплексу климато-географических фак- торов, позволяет провести анализ глубокого воздействия комплекса этих факторов на организм в процессе эволюции. Для реализации этого метода используют обычные приемы эксперименталь- ной физиологии, такие как исследование физиологических функций либо в искусственной для жи- вотных среде (в условиях лаборатории), либо оценка процессов жизнедеятельности в естественной среде обитания с помощью радио- и телеметрии. Наконец, нередко физиологи прибегают и к приему выращивания животных в лаборатории, подвергая их на протяжении жизни действию оп- ределенных абиотических факторов. Эколого-физиологическая характеристика многих видов жи- вотных, особенно наиболее филогенетически близких человеку (например, обезьян), позволяет решить ряд общих вопросов приспособления животного организма к действию различных при- родных факторов. Данные же об основных закономерностях адаптации животных к определенным природным условиям в дальнейшем можно перенести и на человека (в частности, особенности терморегуляции в различных температурных режимах, приспособление к интенсивной мышечной деятельности являются во многом сходными у обезьян и человека). Физиологическая характеристика (на основании данных оценки функционального состоя- ния сердечно-сосудистой, дыхательной систем, системы крови, реакций терморегуляции и интен- сивности основного обмена) аборигенного и приезжего населения данного климатического района с целью определения должных показателей ключевых физиологических функций здорового чело- века в данном районе. Исследование морфо-физиологических особенностей популяций людей, проживающих в различных экологических условиях, при этом во внимание принимаются основные структурные и функциональные особенности человеческого организма (расовая и этническая принадлежность, тип конституции тела, специфика обмена веществ, демографическая и популяционная структура населения), ряд природных факторов (таких как температура среды, влажность, скорость ветра, высота над уровнем моря, кислотность) и социальных факторов (хозяйственно-культурный тип и связанная с ними диета); при таком методе исследований можно выделить различные адаптивные типы людей, представляющие собой проявление экологической изменчивости у человека (причем это наследственно закрепленные нормы реакции, обеспечивающие как можно более полное при- способление организма к окружающей среде), носящее сходный характер у представителей раз- личных рас в одних и тех же природных условиях. 12 Оценка состояния здоровья людей, проживающих в различных климатических условиях на основании определения биологического, функционального, психического и социального резервов. При этом под биологическим резервом здоровья понимают нереализованные возможности геноти- па человека, которые можно выявить методом составления родословной, изучением отдельных генетических особенностей, анализом репродуктивных функций и т.д. Функциональный резерв здоровья – точно измеренная степень изношенности основных гомеостатических систем организ- ма на каком-то конкретном этапе онтогенеза. Под психическим резервом здоровья человека пони- мается степень соответствия черт его характера, темперамента и способностей профилю деятель- ности. Под социальным резервом индивида понимается уровень общественного признания в рам- ках недооценки или переоценки его руководящих, исполнительских, организаторских и других способностей. Оценка у людей состояния тех физиологических систем, которые претерпевают функцио- нальное напряжение в условиях различных климатических зон с целью прогнозирования дальней- ших возможных патологий в организме человека при продолжающемся пребывании в данной климатической зоне. Известно, например, что в условиях аридных зон (для которых характерны высокая температура воздуха, интенсивная радиация, низкая влажность и значительная запылен- ность – предпустынные и пустынные районы Земного шара) наибольшее функциональное напря- жение испытывают сердечно-сосудистая, дыхательная и выделительная системы. Развитие пато- логических процессов в этих ключевых системах жизнеобеспечения организма может привести к невозможности дальнейшего пребывания человека в аридных зонах. В связи с отмеченным иссле- дование функционального состояния названных выше систем у людей, проживающих в аридных зонах, позволяет спрогнозировать возникновение патологических процессов в организме и воз- можность дальнейшей жизнедеятельности в данных климатических условиях; Картографический метод оценки антропоэкологической системы, предполагающий к примеру: пространственно-сравнительный анализ территории по географическим и медико- биологическим критериям (сбор информации об окружающей среде, распределении очагов болезней, ознакомление с территорией, определение ареалов переносчиков болезней); изучение структуры ареалов болезней человека, выявление, анализ и оценка нормальной и ано- мальной составляющей на территории, где наиболее часто встречается какое-то заболевание; сопоставление оценочных (реальных) и прогнозочных карт качества окружающей среды по медико-биологическим критериям с целью установления и измерения связи между фактора- ми среды и уровнем здоровья населения, выявлением факторов риска, разработкой гипотез об этиологических факторах различных заболеваний и т.д. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРЕССОВЫХ СОСТОЯНИЯХ ОРГАНИЗМА И ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПАХ РАЗВИТИЯ АДАПТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ Понятие о генотипической и фенотипической адаптации Действие на организм различных неблагоприятных факторов (болевое раздражение, яды, психическая травма, возбудители инфекционных заболеваний, наркоз, тяжелая физическая работа и др.), а также чрезмерных по своей силе факторов окружающей среды (например, перегревание или переохлаждение, изменение барометрического давления) вызывает развитие комплекса адап- тационных процессов, направленных на оптимизацию жизнедеятельности организма в конкрет- ной сложившейся ситуации. Способность к адаптации, в той или иной мере развитая, свойственна всем живым организмам. В зависимости от продолжительности воздействия адаптирующего фактора на животные организмы и соответственно того, закрепляются ли адаптационные изменения генетически, или носят временный (проявляющийся на определенном этапе онтогенеза каждого конкретного орга- низма) характер различают: генотипическую адаптацию (или адаптацию в эволюционном аспекте); 13 фенотипическую (или индивидуальную) адаптацию. Генотипическая адаптация представляет собой чрезвычайно медленный процесс, вовле- кающий ряд поколений и растянутый на миллионы лет. В результате такой адаптации на основе наследственной изменчивости, мутаций и естественного отбора сформировались современные виды животных и растений. С одной стороны, генотипическая адаптация стала основой эволюции (ее достижения за- креплены генетически и передаются по наследству), а, с другой, – она является исходным пунктом для возникновения приспособлений, формируемых в процессе индивидуального развития орга- низмов. Иными словами, генетическая программа организма предусматривает возможность реали- зации определенных адаптаций под влиянием факторов среды, а сама генотипическая адаптация представляет собой комплекс унаследованных изменений, благоприятствующих выживанию в оп- ределенной среде. Так, определенный тип конституции тела (коренастый и низкорослый, либо ас- тенический и высокорослый) предопределяют оптимальную жизнедеятельность в условиях соот- ветственно низких и высоких температур окружающей среды. Таким образом, генотипическая адаптация представляет собой совокупность морфо- физиологических особенностей вида, направленных на поддержание вегетативного или поведен- ческого гомеостаза и позволяющих отдельным особям в результате индивидуальной (фенотипиче- ской) адаптации существовать в самых сложных условиях среды. По существу генотипические адаптации отражают как филогенетический уровень организ- ма и типичные для этого уровня физиологические особенности, так и возникшие в процессе эво- люции адаптивные сдвиги отдельных функций. Эти адаптивные сдвиги определенных функций могут быть однотипными у далеко отстоящих в систематическом плане видов животных, что по- зволяет выделять т.н. жизненные формы – виды, эволюционно неродственные, но обладающие однородными адаптивными признаками, приуроченными к определенным экологическим услови- ям существования. Примерами таких общих для разных видов морфологических генетически закрепленных адаптаций являются: структура почек пустынных видов млекопитающих. В частности, для почек пустынных млекопитающих характерна большая толщина мозгового вещества и соответственно удли- ненные петли Генле нефронов, что позволяет выделять очень концентрированную мочу (в 10 раз более концентрированную по сравнению с обитателями орошаемых регионов) и тем самым экономить водные ресурсы организма, густота и теплопроводность шерстного и перьевого покрова, которая к тому же может пре- терпевать сезонные изменения в зависимости от продолжительности светового дня: удли- нение светового дня провоцирует линьку, что подготавливает животных к лету, распределение жира, длина ушей, хвоста, конечностей, вес сердца, легких, плотность и сте- пень развития потовых желез кожи и т.д. у животных разных видов, проживающих в опре- деленной климато-географической зоне. В качестве физиологических генетически закрепленных адаптаций можно привести опре- деленный, отличный для северных и юмидных зон, уровень и особенности метаболизма, опреде- ленный ферментный состав пищеварительных соков, обусловленный характером питания, эритро- цитоз, типичный для представителей разных видов, проживающих в горах, особенности развития скелетной мускулатуры у роющих, бегающих, прыгающих форм. Степень развития сердца, его удельный вес и линейные размеры, также как и развитие дыхательной системы, во многом зависят от интенсивности обмена веществ, а, следовательно, от температуры окружающей среды, а также от содержания кислорода во вдыхаемом воздухе. В связи с отмеченным, у различных представи- телей животного мира, являющихся аборигенами северных широт или высокогорья, эти две сис- темы будут характеризоваться в целом сходными морфологическими и функциональными харак- теристиками, превышающими таковые близкородственных видов, проживающих в умеренных широтах на равнине. 14 Фенотипическая адаптация представляет собой комплекс приспособлений, формируемых в процессе взаимодействия особи с окружающей средой и наслаивающийся на наследственные признаки организма, в совокупности с которыми определяет его индивидуальный облик – фено- тип. Способность к фенотипической адаптации во многом зависит от широты нормы реакции каждого конкретного индивида по определенным морфо-биохимическим и физиологическим при- знакам, претерпевающим изменения в результате приспособления к тем или иным факторам среды (т.е. генетически обусловленного полиморфизма реакции со стороны определенных структур и органов, компенсирующих нарушения гомеостаза, вызванные стрессовым фактором, а, следова- тельно, играющих ключевую роль в развитии адаптаций). Иными словами, способность к разви- тию приспособлений организма к определенным факторам среды наследственно обусловлена. В целом, генотипическая адаптация, формирующаяся в процессе естественного отбора, яв- ляется энергетически более экономной по сравнению с индивидуальными (фенотипическими) адаптациями. В зависимости от длительности периода развития фенотипических адаптаций разли- чают: острые изменения регуляции функций, возникающие в ответ на внешние или внутренние сдвиги, продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут, а иногда и часов; адаптивные ответы организма на изменения во внешней среде, определяемые понятиями акклимация (острый и обратимый процесс, развивающийся на воздействие какого-то одного фактора) и акклиматизация (процесс, протекающий в течение всей индивидуальной жизни в ответ на комплекс определенных климатических факторов) и развивающиеся на протяжении от нескольких часов или месяцев до нескольких лет; привыкание, представляющее собой комплекс изменений в физиологических ответах орга- низма, возникающих в результате уменьшения реакций его центральной нервной системы на определенные раздражители. Привыкание проявляется в снижении выраженности физиоло- гических ответов организма на внешний раздражитель при частом многократном его дейст- вии. Так, самое первое действие раздражителя вызывает очень сильную реакцию, выражен- ность которой при последующих предъявлениях раздражителя резко снижается. Это особен- но хорошо можно наблюдать на реакции полипное хищных, которая при первом предъявле- нии высокой температуры легко возбуждается, но при последующих воздействиях тепловой нагрузки носит менее выраженный характер. Вместе с тем, при частом предъявлении какого- то раздражителя в результате формирования условного рефлекса реакция организма на этот раздражитель начинается гораздо раньше, чем при первоначальном его предъявлении и обес- печивает несколько опережающую активацию определенных физиологических процессов, компенсирующих нарушение гомеостаза, вызванные действием стрессового фактора (т.е. включение в деятельность определенных физиологических систем происходит еще до суще- ственных нарушений гомеостаза, вызванных какой-то экологической нагрузкой). |