Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
Кругообіг речовин в біосфері Кругообігом речовин називають постійний обмін речовин між оболонками земної кулі. З по- явою на планеті живих організмів шляхи переміщен- ня речовин, що визначалися дією абіотичних чин- ників, суттєво змінилися. Переміщення окремих хімічних елементів залежить передусім від дії фізич них чинників, таких як різниця температур і освіт- лення, перепади тиску тощо. Вони зумовлюють гео- логічний кругообіг. Проте поява живих організмів змінила напрямки міграції хімічних елементів. Швидкість біохімічних реакцій у тисячі разів перева- жає швидкість хімічних перетворень у неорганічно 4.2. Кругообіг речовин в біосфері му світі. Тому "жива речовина" (за В. І. Вернадсь ким) стала самодостатнім системотвірним чинни- ком на планеті. Враховуючи цю обставину, слід виді- ляти біогенний кругообіг речовин, спричинюваний життєдіяльністю організмів, популяцій та екосистем. Розрізняють малий кругообіг, котрий стабілізує біосферу впродовж часу існування окремих екоси- стем, і великий кругообіг, який здійснюється впро- довж кількох геологічних періодів і при цьому тор- кається глибинних шарів твердої оболонки Землі. Земна кора в поверхневих шарах містить пере- важно сполуки алюмінію і кремнію, а в хімічному складі живих організмів переважають вуглець, ки- сень, водень і азот. Ці та деякі інші хімічні елемен- ти називають біогенними елементами. Біохіміч- на активність живих організмів призводить до спе- цифічного переміщення таких елементів, котре на- буває циклічних форм. Впродовж свого існування рослина чи тварина поглинає певну кількість пожив- них речовин і перетворює їх для власних потреб. Саме якісні відмінності в хімічному складі між неживою природою і живими організмами спричини- ли до глобального перерозподілу хімічних елементів у земній корі. Кругообіг речовин у біосфері органі- зований у формі біогеохімічних циклів. Біогеохімічні цикли це сукупність циклічних процесів обміну речовин та енергії між окремими компонентами біосфери, зумовлена життєдіяльні- стю організмів. Цей термін введений В. І. Вернадсь ким, який розробив теоретичні основи вчення про біогенну міграцію хімічних елементів. Сукупність біогеохімічних циклів складає динамічну основу існування життя на Землі. Рушійною силою біогео- хімічних циклів є сонячна енергія, фотосинтез і ме- таболізм. Найважливішою властивістю даних циклів є їхня відкритість (незамкненість). Це означає, що не вся речовина, акумульована в ході обмінних про- цесів, повертається в неорганічний світ у поперед- ньому місці й формі. Певна частка речовини переходить в інші цикли завдяки існуванню абіотично зумовлених переміщень (течія води, пилові бурі, ерозія грунтів, змив, міграція тварин тощо). Речо- вина, яка виходить за межі біогеохімічних циклів, впродовж історично значущих проміжків часу зумо- вила накопичення в атмосфері азоту й кисню, різно- манітних корисних копалин у земній корі (кам'яне вугілля, нафта. Впродовж мільйонів років на планеті формува- лися стабільні шляхи переміщення речовини та енергії. В основі їх лежать стабільність положення планети відносно Сонця і тектонічні зміни в земній корі. Вчені вважають, що від моменту появи життя еволюція живих організмів відбувалася паралельно з еволюцією біосфери, і виділяють такі головні ета- ни її розвитку: 1) початковий, пов'язаний з появою і функціонуванням прокаріотів (3,8 1,9 млрд років тому 2) становлення евкаріотів, пов'язаний з діяльністю одноклітинних ядерних організмів (1,9 0,9 млрд років тому 3) становлення багатоклітин- них евкаріотів (900 600 млн років тому 4) станов- лення тварин з мінеральним скелетом (600 400 млн років тому 5) завоювання живими організмами суші і виникнення ґрунтів (400 1 ЗО млн років тому 6) поява квіткових рослин та еволюція ссавців (130 2 млн років тому 7) сучасний, пов'язаний з появою людини і розвитком людства (від 2 млн років тому. Кругообіг води Більша частка води, що проходить через екосистеми, припадає на транспірацію, випаровування і атмосферні опади. На кожен грам первинної продукції наземних угруповань випаро- вується приблизно 500 г води. Якщо брати до ува- ги, що річна первинна продукція наземних місцез- ростань становить приблизно 1,1 х 10 17 г сухої ре- човини, тов ході транспірації наземною рослинні- стю повинно випаруватися близько 55 χ 10 18 г води. Сумарне випаровування з поверхні Землі становить за рік приблизно 378 χ 10 18 г. Для того, щоб забезпе- чити таке переміщення на планеті, витрачається пята частина сонячної енергії, яка досягає поверхні Землі. Якщо припустити, що біосфера існує 3 4 млрд років, то виходить, що вся вода Світового океану пройшла повний біологічний цикл не менш як 300 разів. Кругообіг кисню. Загальна маса кисню в ат- мосфері 1,1 χ 10 21 г, але у зв'язаному вигляді його значно більше в складі літо та гідросфери. У ході фотосинтезу зелені рослини щороку вивільняють біля 2,7 χ 10 14 τ кисню, що дорівнює 1/2500 його вмісту в атмосфері. Вважають, що близько 4,5 млрд років тому атмосфера Землі мала склад, аналогічний тому, який мають вулканічні викиди. Це, в основному, водяна пара, двоокис вуглецю і двоокис азоту. Після затвердіння земної кори дощі поступово ви- мили з атмосфери вуглекислий газа кисень з'явив- ся пізніше як результат фотосинтезу зелених рос Розділ 4. Біосфера і людина лин. Певна частка кисню перетворилася в озон під дією сонячного світла. Весь вільний кисень атмос- фери пройшов біологічний кругообіг за час існуван- ня біосфери не менш як 1 млн разів. Кругообіг вуглецю. В ньому беруть участь лише органічні сполуки і двоокис вуглецю. Щороку рослинами асимілюється близько 105 χ ΙΟ 12 τ вуг- лецю, а в ході дихання повертається у навколишнє середовище майже третина цієї кількості. Якщо по- рівняти вміст вуглецю в оболонках Землі з інтен- сивністю його обміну живими організмами, то вия- виться, що тривалість кругообігу цієї речовини становить років. Унаслідок спалювання лю- диною нафти і кам'яного вугілля кількість Св атмосфері щороку зростає. Вчені ще не мають од- ностайної думки про те, як цей процес позначиться на загальному стані біосфери. Найпоширенішою є гіпотеза глобального потепління, яке може спри- чинити зменшення маси полярного льоду, через що підвищиться загальний рівень Світового океану і на- сиченість атмосфери вологою. Передбачають також пом'якшення клімату в полярних регіонах, посилен- ня вітру та зміни у проявах деяких інших кліматич- них явищ. Безумовно, якщо такі події відбуватимуться швидкими темпами, то медицина постане перед серй- озними проблемами зміни підходів до діагностики та лікування багатьох хвороб. Двоокис вуглецю не лише поглинається під час фотосинтезу, але й розчиняється у воді. Одержу- вані в ряді хімічних перетворень карбонати (пере- важно важкорозчинні), поступово накопичуються в осадових породах і видаляються з кругообігу. До тієї кількості, С 2 , яка виділяється організ- мами під час дихання, щороку додається ще 5 7 % від спалювання різних видів палива. Оцінки приросту кількості Св повітрі вказують нате, що пар- никовий ефект може стати суб'єктивно відчутним вже впродовж XXI ст. Сутність парникового ефек- ту полягає в тому, що двоокис вуглецю утримує тепло земної атмосфери. Враховуючи те, що за останні 100 років кількість Св атмосфері зросла на 10 12 %, вчені прогнозують поступове підвищення се- редніх річних температур на планеті. Ймовірність такого явища підсилюється тим, що частка двоо- кису вуглецю постійно зростає через збільшення населення планети і розвиток промисловості. Одним з найпомітніших ефектів потепління може бути підвищення рівня води у Світовому океані внаслі- док танення льодовиків. Під загрозою затоплення можуть опинитися величезні масиви суші, густо заселеної людьми вздовж берегів морів. Кругообіг азоту В атмосфері міститься близь- ко 385 χ ΙΟ 16 τ молекулярного азоту. Він необхідний для синтезу амінокислот, але абсолютна більшість організмів не здатна його асимілювати в такій формі. Складний шлях перетворення азоту в доступну для засвоєння форму проходить у ґрунті за допомогою мікроорганізмів азотфіксуючих і нітрифікуючих бактерій. У живих системах міститеся лише 3 % всього доступного азоту Землі, а решта в детриті. Кругообіг інших біогенних макро та мікроеле- ментів спричинює передусім ерозія материнських порід та діяльність редуцентів, під впливом якої спо- луки цих елементів переходять у форму, придатну для всмоктування кореневою системою рослин або мікоризою. Далі вони накопичуються в первинній продукції і зрештою потрапляють в організм люди- ни. Наприклад, нестача в харчових продуктах залі- за спричинює анемію. Нестача марганцю може викликати порушення координації рухів, ускладнен- ня пологів. Найбільше цього елемента накопичуєть- ся в зеленій масі буряків. Мідь входить до складу багатьох ферментів людини і накопичується в печінці, мозку, нирках, серці. Нестача міді спричи- нює порушення розвитку елементів скелету. Моліб- ден також входить до складу деяких ферментів, і його нестача корелює з розвитком кам'яної хворо- би нирок. Цинк відомий як активатор багатьох фер- ментів, надлишок цинку відкладається у волоссі та нігтях. Нестача фтору призводить до порушення розвитку кісток, зокрема зубної емалі. Разом з тим надлишок фтору викликає негативні реакції з боку організму. Такі мікроелементи, як кадмій, ртуть, нікель, свинець та інші, здатні накопичуватися в організмі людини і можуть спричинити важкі розла- ди обміну речовин. Біоми. Сукупність тварин і рослин, які перебу- вають в однакових умовах адаптації, мешкають в одній природній зоні і характеризуються певним типом структури своїх угруповань називають біомом. В сучасній біосфері можна виділити декілька типів біомів, кожен з яких позначається участю певних видів тварин і рослин, характерних для однієї при- родної кліматичної зони (рис. 4.2). 608 4.2. Кругообіг речовин в біосфері Рис. 4.2 Основні типи біомів планети: / льодовики і високогір'я; 2 тундра 3 тайга 4 лісовий помірних широт 5 степовий; б чагарники і рідколісся; 7 пустельний; 8 савани; 9 гірський тропічний; 10 тропічний; 11 морський. Водні біоми (морські ma прісних водойм). При незначній площі, яку займають прісноводні екосис- теми, вони є досить різноманітними за видовим складом, особливо завдяки значній участі квітко- вих рослин, чого немає у морських екосистем. Ос- танні характеризуються тим, що біомаса гетеро трофів у них переважає над біомасою автотрофів за рахунок швидкої зміни поколінь у видів фітопланк- тону. Таким чином, у морських екосистемах авто- трофи утворюють порівняно малу біомасу при дуже високій біопродуктивності (для порівняння автотро- фи наземних екосистем утворюють досить значну біомасу при відносно невисокій біопродуктивності). Біоми узбережжя морів, де складаються не- повторні умови середовища завдяки поєднанню різних фізичних властивостей води і поверхні суші, являють собою окремий біом. Залежно від того, наскільки стрімко берег сходить до водного дзер- кала, площа, зайнята цим біомом, може великою мірою змінюватися. Якщо узбережжя скелясте, то це буде лише літораль (узбережна зона морського дна, яка осушується під час відпливу). Якщо ж берег відлогий, то формується смуга, де співіснують характерні види рослин і тварин. Своєрідні біоце- нози виникають на засолених маршах, які утворю- ються у випадках, коли берег підтоплюється со- лоною водою. Особливе місце займають лимани, їхня біота також входить у цей біом. В Україні широко відомі своїми лікувальними властивостя- ми грязі Куяльницького лиману. Крім цього лиману, бальнеологічне значення мають Тілігульський, Хаджибейський та інші лимани. Біоми приполярних регіонів, льодовики та ви- сокогір'я. Біомаса їх буває лише адвентивною (за- несеною з інших місць). Живі організми, що мо- жуть періодично тут з'являтися, походять з біомів інших типів. Так, поблизу Північного полюса інко- ли з'являються білі ведмеді, на високогірних льо- довиках часом знаходять метеликів, які випадко- во сюди потрапили. 609 Розділ 4. Біосфера і людина Тропічний біом (вологі тропіки). Цей біом зай- має лише 5 % території планети, даючи при цьому біля 28 % продукції наземних екосистем. Цьому біомові властива найвища біопродуктивність, най- більша видова різноманітність і найскладніша внут- рішня структура. Дуже чітко простежується ярус- ність тропічних біомів. Види, що населяють верхні яруси, ніколи не спускаються на ґрунт, а в нижні яруси ніколи не проходять сонячні промені. У цьому біомі закономірно формуються численні популяції з невеликою кількістю членів. Географічно вологі тропіки займають приекваторіальне положення. Тут відсут- ня зміна пір року, а біоритми організмів частіше по- в'язані зі зміною вологих і сухих періодів. Основні лімітуючі чинники цього біому світло і ґрунтові ресурси (рис. 4.3). Гірський тропічний біом різко контрастує за біомасою з біомом вологих тропіків. Відносна бідність гірського тропічного біому повязана з тим, що шар ґрунту тут дуже тонкий, а процеси ґрунто- утворення гальмуються високою швидкістю вико- ристання детриту. Лімітуючими чинниками біому є температура і ґрунтові ресурси. Пустельний (пустелею вважають територію, на якій випадає не більше 20 см опадів на рік). Цей тип біомів має найнижчу загальну біомасу і відзна- чається найбільшою амплітудою коливання приросту біомаси. Це стає помітно у випадках, коли в пустелях випадають дощі. В ці короткі проміжки часу окремі рослини і тварини встигають пройти Рис. 4.3 Вологі тропіки. Рис. 4.4 Ландшафт пустельного біому. повний цикл розвитку, тим часом як впродовж три- валих безводних періодів приросту біомаси немає. В пустелях значно більша біомаса зосереджена в ґрунті, ніж на його поверхні, що також пояснюється строгим водним режимом пустель (це єдиний лімітуючий чинник даного біому). Наприклад, у пу- стелі Калахарі дощі не випадають роками, а місцеві рослини і тварини пристосувалися використовувати вологу, яка конденсується вранці під час добового перепаду температури. Найсухішим місцем на пла- неті є Долина смерті, що в Каліфорнії (США. Дощі там практично не випадають, але живі організми існують (рис. 4.4). Чагарники і рідколісся. Даний біом формуєть- ся в умовах різких сезонних змін зволоженості за незначних перепадів температур. Для цього біому характерний найвищий приріст біомаси гетеротрофів на одиницю біомаси автотрофів, що досягається передусім за рахунок чіткої зміни дощового періоду та засухи. Сюди відносяться африканська савана, американський чапараль, середземноморський макі (маквіс). В Україні цей біом фрагментарно представлений у Криму та степовій зоні. Ліси помірних зон Біом формується в умо- вах теплого вологого літа і сніжної зими. Основу біому складають листопадні ліси. Тут біомаса ав- тотрофів набагато перевищує біомасу гетерот- рофів, а до складу піраміди детриту входить біль- ше видів, ніж до складу піраміди чистої первин- ної продукції. В Україні цей біом широко зустрі- чається у лісовій та лісостеповій зонах, у Карпатах і гірському Криму (рис. 4.5). 610 4.2. Кругообіг речовин в біосфері Рис. 4.5 Листопадний ліс помірної зони. Степи (прерії). Біом цього типу вузькою сму- гою простягається вздовж Євразійського континенту від Центральної Європи до Монголії (степи. Фор- мується біом в умовах засушливого літа і холодної зими. У Північній Америці до нього належить пре- рія, що свого часу займала величезну територію сучасних США. У південній півкулі степовий біом представлений спорадично на території Аргентини, ряду африканських країн, на півдні Австралії та в Новій Зеландії. Біом цього типу найбільше потерпів від антропогенного впливу. Умови функціонування біоценозів степових біомів такі, що в результаті ут- ворюються родючі ґрунти. Саме завдяки цьому степи давно розорані в усіх доступних регіонах Рис. 4.6 Ландшафт степового біому. Рис. 4.7 Тундра. планети, а природні залишки їх ретельно охороня- ються в нечисленних заповідниках (рис. 4.6). Гірський біом помірних зон Цей біом відзна- чається різким перепадом добових температур, невеликою кількістю фізіологічно доступної росли- нам води, наявністю певної частини адвентивної біомаси. Автотрофний компонент біому включає гірські луки і хвойне криволісся. В Україні зустрі- чається тільки у високогір'ї Карпат. Хвойні ліси помірних зон (тайга Для цього біому характерне абсолютне переважання біомаси автотрофів над біомасою гетеротрофів. Це один з найстабільніших за видовим складом біомів, йому властиве оптимальне і найбільш стале забезпечен- ня водою. Наприклад, у Сибіру тисячі квадратних кілометрів, зайнятих біомом цього типу, вкриті фіто- ценозами дуже близького видового складу. В Ук- раїні такого біому немає. Тундра Займає приполярні регіони північної і південної півкуль в умовах екстремального коли- вання тривалості дня і ночі, перепадів температур впродовж року. Для біомів цього типу характер- ний найнижчий приріст біомаси і дуже низька ви- дова різноманітність. Для тварин, які постійно во- дяться в тундрі, характерна здатність до анабіозу. В тундру на період гніздування мігрує величезна кількість птахів. Це викликано значною тривалі- стю світлового дня влітку, величезними харчови- ми ресурсами і незначною кількістю природних ворогів (рис. 4.7). 611 Розділ 4. Біосфера і людина Рівень впливу людини на оточуюче середовище визначається складністю її становище в біосфері. З одного боку, людина біологічний об'єкт, нерозривно поєднаний з кругообігом речовин системою трофіч- них та енергетичних зв'язків між нею та іншими учасниками екосистем. З другого боку, людство створює високорозвинену соціальну систему, яка ставить суттєві вимоги щодо середовища, обумов- лені потребами, котрі зростають у міру розвитку промисловості і росту чисельності населення. Протиріччя такого становища полягає в тому, що людство як соціальна система функціонує набагато ширше, ніж як біологічна система. Внаслідок цієї не- відповідності порушується біологічний кругообіг ре- човин, що погіршує якість середовища. До вирішен- ня цієї проблеми нині залучені методи екологічних досліджень, котрі проводяться на різних напрямках. Середовище, в якому існує сучасна людина, слід оцінювати за дещо іншими критеріями, ніж ті, за якими оцінюють якість існування інших живих організмів. Людське суспільство в змозі пристосу- вати для власних потреб умови, що склалися в більшості біомів, тому для оцінки якості природного середовища згідно зі Статутом Всесвітньої органі- зації охорони здоров'я, прийнятим у 1968 p., викори- стовують не параметри екологічних чинників, а по- казники стану здоров'я населення. Життя в конкретних умовах середовища вима- гає певного рівня адаптації до його окремих пара- метрів. В першу чергу це стосується абіотичних чинників: температури, освітленості (тривалості дня, вологості повітря тощо. В окремих випадках існують певні обмеження діяльності людини і тер- міни її адаптації. В неадаптованих людей, як правило, значно нижча працездатність. Генетична не- однорідність популяцій людини теж визначає її адап- тивні можливості. Існують конститутивні типи людей, зумовлені генетично, які здатні по різному пристосовуватися до конкретних умов. Ще одна активна риса існування сучасного людського суспільства урбанізація. Це явище бере свій початок, відколи почався активний розвиток промисловості і відбувся поділ виробництва на аг рарне і промислове. Сучасні міста це великі насе- лені пункти, жителі яких зайняті переважно у сфері промислового виробництва. В міру розвитку людсь- кого суспільства кількість людей, зайнятих саме в промисловості, невпинно зростає. Урбанізація має як позитивні, так і негативні риси. Позитивним є те. що людина поступово все повніше задовольняє власні потреби. Негативні риси полягають в поступовому поглибленні протиріччя між людиною та навколишнім середовищем, що проявляється в забрудненні повітря, води, продуктів харчування, зміні видового складу екосистем, скороченні природних ресурсів. Стабільність екосистем залежить від параметрів абіотичних чинників. Антропогенний вплив може суттєво змінити ці параметри відносно природних значень. Для людей з ослабленим здоров'ям такі зміни можуть стати фатальними. Усім відомий цілющий вплив природного оточен- ня на хвору людину або таку, яка відновлює сили після тяжкої хвороби. Не порушений діяльністю людини ландшафт, природні рослинні угруповання особливо такі, в яких рослини виділяють фітонци- ди), сприяють набуттю психологічного комфорту. В цьому разі ефективнішими стають традиційні ме- тоди лікування, адже багато які екологічні чинників в таких умовах довкілля мають значення, близькі до оптимальних. Тому здавна лікувальні та оздо- ровчі заклади в міру можливості намагалися роз- містити саме в місцях, де природні умови якомога менше порушені діяльністю людини. Результа- тивність такого підходу сприяла поступовому фор- муванню цілих галузей медицини бальнеології, курортології. Надзвичайно популярними останнім часом стали "екологічно чисті" продукти харчуван- ня та ліки природного походження, вироблені з си- ровини, одержаної в умовах середовища, не спо- твореного діяльністю людини. З огляду на забруднення екосистем речовинами штучного походження актуальними стають мето- ди захисту людини від проникнення в організм шкідливих речовин. Таке проникнення може відбу- тися при вдиханні забрудненого повітря, вживанні забрудненої їжі та води, а також крізь шкіру при кон- такті з носіями забруднень. Раніше люди могли роз- раховувати на природне очищення повітря та питної води від забруднювачів. Це спонтанний процес, який в природних екосистемах беруть на себе в основ |