Экология_1. Учебнометодическое пособие Часть 1 Воронеж 2013
 Скачать 1.59 Mb.
|
|
По действию их можно разделить на прямодействующие и косвенно-действующие (опосредованные, модифицирующие). Прямодействующие: свет, тепло, плодородие почв, влага (на растения), косвенно действующие – они же, но через цепи питания – на животных. Биоценоз – это совокупность популяций всех живых организмов, населяющих определенную территорию. Воздействие живых организмов друг на друга – это биотические факторы среды. В состав биоценоза входят:
Каждые выполняют в биоценозе свою роль. Растения являются автотрофами, т.е. они способны синтезировать из неорганических веществ органические, используя энергию солнечного света, и обеспечивать свое питание. Их называют поэтому продуцентами. Наиболее обширные взаимоотношения между организмами в природе – это отношения, в процессе которых происходит трансформация веществ и энергии и совершается их передача в процессе питания, т.е. это отношения на уровне «пища-потребитель». Организмы, связанные друг с другом такими отношениями, составляют цепь питания (пищевую цепь, трофическую цепь). Растения – ее определяющее звено. Они составляют основу так называемых пастбищных цепей питания, создавая и накапливая органические вещества в процессе фотосинтеза. Животные по способу питания являются гетеротрофами, т.е. потребителями готовых органических веществ, т.к. сами не могут синтезировать органические вещества из неорганических. Их называют консументами (от слова «консумо» – потребляю). Животные, питающиеся растениями, растительноядные, составляют уровень консументов 1 порядка; хищные (т.е. питающиеся другими животными) – уровень консументов 2, 3 и более высоких порядков. Жизнь животных и человека, таким образом, зависит от продуктивности растений. Детритные цепи питания (цепи разложения) представляют собой расщепление органических веществ микроорганизмами, которые поэтому называются редуцентами (деструкторами, разрушителями). Они превращают органические вещества отмерших растений и животных в неорганические, которые могут опять использоваться растениями. Так замыкается биотический круговорот веществ. Помимо пищевых отношений живые организмы, входящие в состав биоценоза, могут вступать и в другие виды связей, составляющие очень сложные внутривидовые и межвидовые отношения. Внутри вида это могут быть отношения демографического характера, т.е. определяющие численность популяции (брачные церемонии, плодовитость, коэффициент рождаемости, продолжительность репродуктивного периода) или конкурентные отношения за пространство и пищу. Межвидовые отношения могут принимать характер нейтральных, антагонистических и симбиотических. Они могут быть в виде эксплуатации одного вида другим (хищничество, паразитизм, наездничество, кооперация, сотрапезничество, квартирантство), но могут превращаться и в конкуренцию за обладание экологической нишей или, напротив, в зависимость друг от друга – симбиоз. Таким образом, все биотические компоненты биогеоценоза теснейшим образом связаны между собой, но не могут существовать без абиотических факторов среды. Абиотическая часть биогеоценоза – экотоп – включает в себя все неорганические, неживые, т.е. абиотические факторы среды. Это солнечный свет, вода, воздух, свойства почвы, особенности рельефа и другие. Биотическая и абиотическая части биогеоценоза взаимосвязаны, представляют единое целое, образуют саморегулирующуюся систему, осуществляющую взаимодействие с космосом. Все экологические факторы имеют единицы измерения и определенный диапазон действия, в пределах которого осуществляется жизнедеятельность организмов и биосистем. Можно сгруппировать экологические факторы по времени (эволюционный, исторический), периодичности (периодический, непериодический), очередности (первичный, вторичный), происхождению (космический, абиотический, биотический, биологический, техногенный, фактор беспокойства, послепожарный и др.), среде возникновения (атмосферный, водный, геоморфологический, эдафический, физиологический, биоценотический, популяционный и др.). Общие закономерности действия экологического фактора В процессе эволюции у организмов сформировались определенные требования к условиям среды (газовый состав атмосферного воздуха, его влажность, температура и другие). Какими бы разными по природе ни были экологические факторы, результаты их действия экологически сравнимы, поскольку их избыток или недостаток неблагоприятно сказывается на жизнедеятельности организмов (рисунок 2). Рассмотрение этой зависимости позволяет отметить следующие ее закономерности:
 Рис. 2. Общие закономерности влияния фактора среды на жизнедеятельность организма (И.А. Шилов, 1985). В качестве примера можно привести людей, недавно попавших в горы (лабильные реакции), и горцев (стабильная адаптация). У равнинных жителей при подъеме в горы наблюдается учащение дыхания, тахикардия, позже – выброс в кровь депонированных эритроцитов и ускорение эритропоэза. Для стабильной адаптации жителей гор характерны стойкая перестройка уровня эритропоэза, изменение тканевого дыхания, направленное на поддержание эффективного газообмена в условиях гипоксемии. Закон Либиха, или «закон минимума», или закон ограничивающего фактора В природе нет такого места, где бы на организм действовал один фактор. Все факторы действуют одновременно и совокупность этих действий называется констелляцией. Значения факторов не всегда равнозначны: одни из них в достатке, даже в оптимуме, а другие – в дефиците. При этом констелляция не является простой суммой влияния факторов, так как степень воздействия одних факторов на организмы и популяции зависит от степени воздействия других факторов. В середине 19 века (1846 г.) немецкий агрохимик Ю. Либих вывел «закон минимума». В опыте с минеральными удобрениями он установил, что наибольшее влияние на выносливость растений оказывают те факторы, которые в данном местообитании находятся в минимуме. Это справедливо не только к элементам питания, но и к другим жизненно важным факторам. Закон Либиха применим только в условиях стационарного состояния экосистемы, т.е. когда приток вещества и энергии в систему уравновешивается их оттоком. Фактор, уровень которого близок к пределам выносливости конкретного организма, вида и т.д., называется ограничивающим. И именно к этому фактору организм приспосабливается (вырабатывает адаптации) в первую очередь. Закон ограничивающих, или лимитирующих, факторов распространяется не только на ситуацию, когда эти факторы в «минимуме», но и в «максимуме», то есть выходит за верхний предел выносливости организма (экосистемы). Для того чтобы более точно определить область компетенции экологии, рассмотрим спектр уровней организации живой материи согласно модели «ступенчатой горки», предложенной П.П. Бобровским и В.П. Петленко:
Организм (за исключением гермафродитов и вегетативного размножения у растений) неполон, так как для его репродукции необходимы две особи противоположного пола. Это самый низший уровень из изучаемых общей экологией.
В зависимости от того, какой уровень организации экосистем изучается, экология подразделяется на отрасли аутэкологию, синэкологию и демэкологию. Аутэкология (от греч. аутос – сам) изучает взаимодействие отдельного организма со средой его обитания (образ жизни, взаимодействие с отдельными элементами окружающей среды, поведение и т.п.). Аутэкологические методы используются при изучении воздействия на организм вредных веществ, содержащихся в промышленных выбросах, а также вредных и опасных физических производственных факторов. Демэкология, или популяционная экология – изучает структуру и динамику популяций отдельных видов. С развитием популяционной экологии связано решение таких вопросов, как механизмы регуляции численности организмов под воздействием условий среды (физические параметры, качество пищи и другие); оптимальная плотность и допустимые нормы изъятия из популяции отдельных видов, например, в случае промыслового улова, уничтожение или подрыв популяций при борьбе с вредителями и т.д. Это направление весьма перспективно, так как решает целый ряд важнейших не только теоретических, но и практических задач. Синэкология (от греч. син – вместе), она же биогеоценология, изучает взаимоотношения популяций, сообществ, экосистем со средой. Стабильность природной системы во времени поддерживается взаимодействиями между всеми ее живыми и неживыми составляющими. Невозможно понять биологические особенности того или иного вида, прогнозировать динамику и поведение его дема в изменяющейся среде и тем более управлять им в интересах человека, если не рассматривать его во взаимоотношениях со всеми остальными компонентами окружающей среды. Выделяют также географическую (крупные геосистемы, географические процессы с участием живых систем и их среды) и глобальную экологию, или мегаэкологию (биосфера). Эти две отрасли еще слишком молодые и не имеют специальных названий (мегаэкология, панэкология, биосферология). Общая экология тесно связана со всеми частными (экология растений, экология животных, микробиология, экология океана, экология человека и др.) и комплексными (геоботаника, лесоведение, почвоведение, ландшафтоведение, гидробиология, биоценология и др.) экологическими науками. Для частных наук наиважнейшей единицей является организм или совокупность организмов одного вида, для комплексных наук – конкретные условия среды (почва, лес, вода) и взаимоотношения живых организмов с этими условиями, а для общей экологии – экосистема ранга биогеоценоза, т.е. вся совокупность видов, слагающих биоценоз, и вся совокупность факторов среды, определяющих существование данного биоценоза с учетом неизбежного антропогенного воздействия, а организм или вид – наименьшей единицей. Общие законы экологии в полной мере справедливы и для человека, хотя его социальная сущность относительно выделяет его из общего мира живой природы. Экология человека – это наука, изучающая закономерности воздействия на человека природных, социально-бытовых, производственных факторов, включая культуру, обычаи и религию (Б.Б.Прохоров, 2003). С позиций биологии и генетики человека, например, наибольшее внимание уделяется таким вопросам, как развитие и становление человеческих популяций в конкретных экологических условиях, адаптация к изменяющимся условиям существования, демография и естественная динамика человеческих популяций. Другой важной задачей экологии человека является разработка средств и способов, направленных на повышения сопротивляемости организма к возможным неблагоприятным влияниям окружающей среды, улучшение состояния здоровья физического развития, повышение работоспособности и ускорение восстановительных процессов после тех или иных нагрузок. В рамках экологии человека выделяются такие сферы изучения, как экология города (урбоэкология), техническая экология, экологическая этика, психологическая экология, этноэкология, палеоэкология, медицинская экология, эндоэкология и т.п. С каждым годом все более актуальными становятся проблемы взаимоотношений природы и человека, что привело к формированию такого современного направления, как экология ноосферы, или социальная экология. Она рассматривает взаимоотношения в системе общество – природа и разрабатывает научные основы рационального природопользования. Для всех направлений характерно:
Прикладные задачи экологии:
По определению Всемирной организации здравоохранения здоровье — это состояние полного физического, психического и социального благополучия. Следует различать здоровье конкретного человека и здоровье человеческой популяции. Здоровье конкретного человека формируется индивидуально в условиях общества на основе генотипа и образа жизни, который ведет отдельный человек. Здоровье человека – это функциональное состояние его организма, обеспечивающее продолжительность жизни, физическую и умственную работоспособность, хорошее самочувствие и способность воспроизводства здорового потомства. Здоровье человеческой популяции (населения) – популяционное здоровье – понятие статистическое, характеризующееся комплексом показателей, среди которых особое значение имеют следующие:
Человеческая популяция подчиняется тем же законам, что и любая другая популяция, с той лишь разницей, что человек своими действиями снижает сопротивление среды, создавая искусственную экологическую нишу, распространился в ней и живет в самых разнообразных условиях. С помощью техники и технологий человек эксплуатирует природные ресурсы вплоть до полного их истощения, при водя к исчезновению видов и целых экосистем. В отличие от животных и растений человек, не встречая естественных врагов, создает искусственные меры защиты, транс формирующие окружающую природную среду. Многие факторы среды (физические, химические, биологические) приобретают величины, далеко выходящие за пределы оптимума, и оказывают повреждающее воздействие на здоровье человека. Установлена тесная связь строения и функций организма человека с геохимическими (минеральными) компонентами среды. Вместе с тем содержание минеральных компонентов в среде, отклоняющееся от среднеземного значения (кларка), может стать причиной заболеваний людей – эндемических (т.е. местных) болезней. К их числу относятся зобная эндемия, возникающая при недостатке в почве и воде йода; кариес зубов, развивающийся при недостатке фтора, или флюороз, вызываемый его избытком; уровская болезнь, проявляющаяся как деформации конечностей у детей из-за недостатка кальция в природных продуктах и замены его на стронций и др. Техногенные изменения в средах жизни, накопление загрязнителей, изобилие различных излучений значительно изменяют и среду обитания людей (среда обитания – комплекс конкретных условий жизни организма), создают предпосылки для возникновения медицинских проблем в экологии человека. Наиболее значительными из них являются следующие: 1. Изменение характера биотических отношений, т.е. отношения человека с другими живыми существами. А) Изменение свойств растений и превращение их в посредников между загрязненными средами жизни и организмом человека: – в условиях увеличения загрязнения воздуха, воды, почвы проявляет себя концентрационная способность живого вещества – растения концентрируют загрязнители: тяжелые металлы, их соединения, растворимые в воде и кислотах, пестициды; формируются пищевые цепи с передачей не нужных и даже вредных для жизни организма веществ, причем концентрация их увеличивается в направлении от первого к конечному звену пищевой цепи (конечным звеном часто является человек); – накопившиеся загрязнители могут изменять обмен веществ у человека, оказывать токсическое, мутагенное, тератогенное и канцерогенное действие; – возникают проблемы фитотерапии (поглощение лекарственными растениями тяжелых металлов, пестицидов и других веществ, что может изменять лечебные свойства растений); – возможно усиление природной ядовитости растений или возникновение свойств искусственной ядовитости. Б) Изменение свойств животных: – изменяются отношения человека с животными на уровне «паразит - хозяин» (животные – паразиты человека, приспосабливаясь к преобразованным условиям среды, изменяют видовой состав прокормителей и промежуточных хозяев). – возникают искусственные биогеоценозы, различные виды животных переселяются человеком из одних природных условий в другие, может происходить расселение паразитирующих форм и возникновение антропургических (сельскохозяйственных) очагов болезней; – приближение человеческих поселений к природным экосистемам учащает контакты с дикими переносчиками паразитарных и инфекционных болезней; – изменения условий обитания ядовитых животных может усиливать свойства их природной ядовитости или создавать свойства искусственной ядовитости. В) Изменение свойств грибов: – являясь универсальными накопителями, грибы поглощают из приповерхностного слоя почвы соединения тяжелых металлов, пестициды, бензпирен, нитраты, нитриты, трупный яд и другие вещества, которые могут проявлять самостоятельные токсичные свойства или усиливать действие грибных ядов; – как и другие живые организмы, грибы могут подвергаться мутациям и изменять свои свойства. Г) Изменение свойств микроорганизмов и вирусов: – использование человеком антибиотиков и сульфаниламидных препаратов широкого спектра действия приводит к отбору среди микроорганизмов и вирусов, выживанию и распространению антибиотико- и сульфаниламидо- устойчивых форм; – многие микроорганизмы изменяют свойства патогенности, превращаясь из сапрофитных, симбиотических или условно – патогенных форм в патогенные; – появляются новые штаммы вследствие мутаций; – возникают ранее неизвестные формы в результате генной инженерии. 2. Создание и широкое использование человеком огромного количества химических соединений, обладающих универсальным повреждающим действием. Особенности их действия состоят в следующем: – чужеродность по отношению к организму человека. Большинство искусственно – синтезированных веществ никогда не входило в состав организма человека и не принимало участия в его обмене веществ, такие вещества не нужны ему, чаще всего вредны. Они получили название «ксенобиотики» – чужие, чужеродные вещества (пестициды, синтетические моющие и пластические материалы, большинство лекарственных препаратов, активно использующиеся в последнее время в промышленности, электронике и медицине наночастицы (их величина составляет от долей нанометра до сотен нанометров) и др.); – мембранотоксичность и цитотоксичность (многие ксенобиотики липидотропны, то есть растворяют липиды, входящие, например, в состав цитоплазматической мембраны и внутреннего мембранного комплекса, нарушая при этом проницаемость мембран и функции всех органелл клетки); – способность образовывать прочные связи с рецепторами клеточных мембран, блокировать их и становиться антиметаболитами – конкурентами веществ, необходимых клетке; – высокая биологическая устойчивость, медленное выведение из организма и накопление в тканях; – нарушение обмена веществ, активация реакций пероксидации (возникновение большего количества агрессивных в химическом отношении осколков молекул в виде свободных и перекисных радикалов). 3. Хронификация стресса, возникновение состояния антропоэкологического утомления: – нарушение механизмов адаптации, превращение неспецифической защитно-приспособительной реакции стресса в состояние некомпенсированного напряжения и утомления, – развитие массовой (до 70% людей) хронической формы утомления как неустойчивого состояния между здоровьем и болезнью – «антропоэкологического утомления» (хронифицированного стресса) – разнообразие форм антропоэкологического утомления и его проявления на уровне разных систем организма (социально-психологическая, генетическая, химическая и медикаментозная, иммунологическая, климатогеографическая, миграционная и др.). 4. Возникновение и распространение экологически обусловленных болезней. Эти болезни отличаются от типичных для данного региона следующими признаками: – имеют характер неспецифической патологии с преобладанием одного, а чаще нескольких синдромов; – имеют большой латентный период из-за накопления ответа на длительное воздействие техногенных факторов; – резистентны к стандартной терапии. Развитие экологически обусловленных состояний часто начинается с нарушения функций барьерных тканей. Барьерные ткани, как и другие, состоят из клеток и по отношению к ним совершаются все повреждающие действия ксенобиотиков.
Функции этих ферментных систем могут быть изменены (усилены или ослаблены) либо искажены самими ксенобиотиками. Вследствие этого возможно вместо детоксикации даже образование более токсичных метаболитов. Обезвреживающая функция печени снижается. Нарушение печеночного барьера в виде изменения активности монооксигеназ проявляется, например, на уровне восприятия человеком лекарственного средства в виде эффектов усиления дозы или ослабления лечебного действия, накопления лекарства в организме, лекарственной интоксикации, лекарственной болезни.
– в повреждении фосфолипидных компонентов сурфактанта; – в снижении активности ферментов – антиоксидантов; – в увеличении проницаемости капилляров. В кровь проникают чужеродные вещества, возникают многообразные аллергические реакции. Типичными состояниями в условиях экологического неблагополучия является хронический фарингит, бронхит, вяло текущая пневмония, бронхиальная астма. Эти состояния поддерживаются не только аэрогенными, но и пищевыми, и лекарственными веществами. Нарушается и кислородтранспортная функция крови, развивается гипоксия, и, как следствие, энергодефицит, накопление недоокисленных продуктов обмена веществ, эндоинтоксикация, и аутоаллергизация.
– становится проницаемой для всех веществ с молекулярной массой меньше 1000 дальтон; – накапливает многие из поступающих веществ, превращаясь в своеобразное их депо в непосредственной близости от развивающегося эмбриона. В итоге возрастает количество детей с врожденными аномалиями, растет количество осложнений течения беременности и родов, невынашивание беременности, рождение детей с признаком недоношенности.
– гиперплазия щитовидной железы как явление массового характера является результатом не только истинного дефицита йода в почве, но и техногенного нарушения. Нарушения соотношений содержания в почве и воде йода с содержанием кобальта, молибдена, меди, цинка, марганца; – загрязнение металлами воздуха, воды, почвы и живых организмов, привело к возникновению «микроэлементозов» техногенного происхождения – профессиональных (при участии в производстве), соседских (у проживающих рядом с производством) и трансгрессивных (в результате переноса химических элементов воздушными и водными потоками), или ятрогенного происхождения как результата медицинских воздействий (длительное лечение препаратами, содержащими металлы, передозировка и др.).
– широким использованием пищевых продуктов или пищевых добавок, ранее не употреблявшихся населением данного региона и воспринимаемых как антигены; – выращиванием новых для региона растений, в том числе и на приусадебных участках; – широким распространением самолечения неизвестными лекарственными препаратами; полипрагмазия в клинических условиях (одновременное лечение несколькими лекарственными препаратами); – злоупотреблением косметическими средствами; Далеко не полный перечень экологически зависимых заболеваний показывает, что антропогенно измененные условия становятся опасными для здоровья самого человека, поэтому в экологии человека наиболее важными являются профилактические мероприятия, направленные на предупреждения заболеваемости и охрану здоровья. Профилактика предназначена изучить все свойства внешней среды, способные оказать как положительное, так и отрицательное влияние на человека. Проблема адаптации – главная проблема экологии Человек со дня рождения и до смерти находится под воздействием меняющихся условий среды (суточные и сезонные ритмы, производственные отношения, смена труда и отдыха и т.д.). Не остаются одинаковыми потребности человека на разных этапах его индивидуального развития. В ответ на варьирующие условия среды на каждом отрезке жизни организм отвечает функциональными перестройками, направленными на оптимизацию его жизнедеятельности. Адаптация (от лат. adaptatio – приспособление) – это совокупность морфофизиологических, биохимических, иммунологических и поведенческих реакций, обеспечивающих возмож ность существования в определенных условиях среды. В понятие «адаптация» входят:
Основные виды адаптации организма человека к факторам среды представлены на рисунке 3.  Рис. 3. Виды адаптации организма человека к факторам среды (по В.В. Маркиной, 2006 с изменениями). В процессе адаптации формируются признаки и свойства, которые оказываются наиболее выгодными для живых существ (или целой популяции), благодаря чему организм приобретает способность к существованию в определенной среде обитания. Каждый вид имеет собственную способность к адаптации. Условия существования любого живого организма могут быть:
В адекватных условиях организм ощущает себя комфор тно, что проявляется оптимальным уровнем работы всех систем. В неадекватных условиях ему приходится включать дополнительные меха низмы для обеспечения состояния устойчивости (резистентности), активизировать все процессы. Это состояние носит название «на пряжения». Если с помощью напряжения организм не достиг состо яния устойчивости, то развивается состояние «предболезни», а за тем «болезни». Состояния комфорта, напряжения и адаптации представляют нормальную физиологическую реакцию и входят в понятие здоровья. Современные антропогенные условия включают, как правило, не один неблагоприятный фактор, а целый комплекс факторов, к которым должен приспособиться организм. Поэтому и ответ организма должен быть не только многокомпонентным, но и интегрированным. Эта интеграция создается взаимосвязанной и взаимообусловленной работой регулирующих, энергетических и неспецифических компонентов адаптации и составляет стратегию адаптации. Адаптационные изменения, возникающие в процессе онтогенеза, могут носить как специфический, так и неспецифический характер. В основе развития специфической адаптации лежит избирательное действие различных физических и химических факторов на определенные функциональные системы организма и клеточный метаболизм таким образом, что в отношении каждого конкретного фактора в организме вырабатываются специфические приспособительные реакции. Например, адаптация к холоду отличается от адаптации к гипоксии. Формирование неспецифических адаптационных изменений не зависит от характера раздражителя и происходит в ответ на воздействие самых различных неблагоприятных факторов среды. Физиологической основой неспецифического пути является наличие в организме общих механизмов, управляющих адаптивными реакциями. Это позволяет организму давать стереотипные неспецифические ответы на разнообразные физические и химические воздействия. Биологическая целесообразность такого однотипного реагирования на различные внешние воздействия состоит в том, что позволяет повысить сопротивляемость организма к многочисленным факторам. Неспецифический характер адаптации выработался в процессе эволюции как способ максимального приспособления организма к окружающей среде путем использования наименьшего количества морфофизиологических структур и характерен для всех уровней организации живого. Любая адаптация является результатом взаимодействия генотипа и среды. В зависимости от скорости индивидуальной адаптации к факторам среды и ее стойкости выделяют ряд экотипов (таблица 2): Таблица 2. Классификация экотипов по скорости возникновения адаптации и ее стойкости (по В.П. Казначеев, 1983).
|