Егоров Экохимия. В. В. Егоров
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
Закон зависимости потребления от численности организмов В потоках вещества и энергии главную роль играют мелкие организмы, а крупные — незначительную, вспомогательную. Так, например, главные потребители в биосфере — бактерии, грибы и простейшие. За ними стоят черви, моллюски и членистоногие. Доля потребления дикими позвоночными (земноводными, пресмыкающимися, птицами и млекопитающими) очень низка — не более 1% продукции биосферы. 6.4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ Всю экосистему можно разделить на пять блоков, через них проходят химические вещества (рис. 25). Из которых три активных и два добавочных. Все эти блоки связаны между собой с помощью циклов. Здесь уместно еще раз напомнить в краткой форме закон цикличности. Закон цикличности (или закон биогенной миграции атомов Вернадского — см. выше. Все биогенные элементы совершают биогеохимические циклы, проходя через биоту. При этом не надо забывать, что организмы являются открытыми биологическими системами. Они поглощают Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ 149 и выделяют кислород, углекислый газ и пр, асами образуют осадки (донные отложения, гумус, торф и т. д. Такие открытые, неравновесно устойчивые самоорганизующиеся системы, как уже говорилось, могут существовать только за счет притока внешней энергии, те. энергии солнца (Пригожин). В каждом биогеохимическом цикле различаются два фонда резервный и обменный (рис. 25). Первый медленно движет биогенные элементы (е–к — см. схему ), авто рой быстро перемещает их между организмами и их окружением (ад — см. схему 1). Любую экосистему (организм, стаю, поле, регион, биосферу) можно рассматривать сточки зрения как обмена элементами внутри, таки экспорта и импорта вещества и энергии снаружи (рис. 26). При этом, в отличие от вещества, энергия не подчиняется за Рис. Схема экосистемы а — ассимиляция продуктов б — дыхание выделение в — гибель выделение г — детритное питание д — окисление разложение вымывание е — сжигание ж эрозия з — образование торфа угля нефти и — эрозия биологическое связывание к — осаждение. Рис. Обмен веществами и энергией в экосистеме — медленное движение (резервный фонд — быстрое движение (обменный фонд ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ кону цикличности. Ее приток (поглощение света) сопровождается постоянным оттоком (выделение в виде тепла). Среди биогеохимических циклов различают циклы газообразных веществ (атмосферные) и осадочных веществ (циклы гидро , педо и литосферы. К первым относятся циклы углерода, азота, кислорода — озона (цикл Чепме на, ко вторым — фосфора, железа, кальция и др. Причем первые хорошо забуферены, а вторые легко наруша ются. 6.4.1. КРУГОВОРОТ АЗОТА Как известно, основное количество азота находится ввоз духе (около 80%). Однако растения, кроме бобовых (и некоторых бактерий, не могут его использовать напрямую. По пищевой цепи он проходит в основном в виде детрита и мочевины (карбамида. Далее азот попадает к редуцентам, превращающим его в аммиак (точнее, в катион аммония) или нитрат анион, ион становится доступным для растений. После этого совершается новый круг (рис. Одной из важнейших реакций в цикле азота является восстановление нитрат аниона до свободного азота, которая осуществляется анаэробными бактериями денитрифи Рис. Круговорот азота Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ 151 каторами. Более подробно ее можно записать следующим образом: 5(СН 2 O) n + О+ 4H + ® 2N 2 + 5CO 2 + Именно она приводит к потере азота в почве ив составе удобрений. 6.4.2. КРУГОВОРОТ ФОСФОРА В отличие от азота, движение фосфора более или менее однонаправленное. Он движется от литосферы (горные породы, откуда вымывается) к осадочным породам, в основном морского дна. Вымывание фосфатов происходит в кислой среде, где фосфор переходит в растворимые формы (гидро и дегидрофосфаты). Цикл фосфора приведен на рис. Следует отметить, что фосфор, несмотря на его значительное количество в литосфере, является одним из самых дефицитных элементов в почве, гидро и биосфере. Потребность в нему организмов достаточно велика, это связано с образованием так называемых макроэргов (АТФ — аденозинтрифосфата и АДФ — аденозиндифосфата, запасающих энергию и снабжающих ею клетки, поскольку разрыв макроэргиче ских фосфатных связей сопровождается выделением около кДж/моль. 6.4.3. КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА Углерод — основа жизни, поскольку только этот элемент способен образовывать такое многообразие устойчивых химических связей и соответствующих соединений. Об основных процессах, связанных с углеродом, мы говорили выше. В их основе лежит реакция фотосинтеза, служащая для преобразования солнечной энергии в энергию Рис. Круговорот фосфора ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ химических связей органических соединений, катализатором которой является хлорофилл. Заметим, что ежегодное производство органики растениями (и некоторыми бактериями) составляет 500– 600 млрд т, из них 400 млрд т — вводе и более 100 млрд т на суше. Цикл углерода приведен на рис. В этот цикл, как мы отмечали неоднократно, активно внедрился человек. Сжигая органику, он постоянно нарушает равновесие, главным образом углекислого газа атмо сферы. 6.4.4. КРУГОВОРОТ МЕТАЛЛОВ Из других элементов особенно важными, очевидно, являются кислород (см. выше цикл озона — цикл Чепмена), сера (см. выше цикл серы, а также ртуть и некоторые другие металлы. В частности, к относительно молодым, связанным с антропогенной деятельностью, относятся циклы радионуклидов, например 90 Sr и Циклы металлов, главным образом тяжелых и радионуклидов, можно представить схемой (см. рис. Здесь следует напомнить, что некоторые металлы, например ртуть, переходя в организм, могут трансформироваться в органометаллические соединения (СH 3 Hg + , (СH 3 ) 2 Hg), которые, как отмечалось, зачастую гораздо токсичнее самого металла, его катионов в растворе. В заключение сделаем несколько выводов. Все биогеохимические циклы существуют благодаря энергии солнца и деятельности биоты. Все они связаны друг с другом. Двигаясь по циклу, элементы (и биогены) проходят через организмы. Так, по оценкам ученых, весь углекислый газ оборачивается через живые существа планеты залета вся вода — за 2 млн лет. Многие циклы незамкнуты. В частности, ряд элементов участвует в геологических циклах в составе полезных ископаемых Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ. Наличие циклов на Земле — условие существования жизни и ее эволюции. Антропогенная деятельность приводит к изменению циклов, их нарушению и появлению новых. 6.5. ДЕЙСТВИЕ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ОРГАНИЗМЫ Мы уже не раз отмечали, что для всех экологических факторов, в том числе и химической природы, существует оптимум воздействия (закон оптимума. При этом если все, кроме одного, находятся в норме, то этот один является лимитирующим фактором (законы минимума, максимума. Например, недостаток даже одного элемента в почве лимитирующий фактор для растений (закон минимума Либиха). Часто таковым бывает микроэлемент, например кобальт, молибден, никель. Среди макроэлементов недостаток, например железа, вызывает у растений заболевания, в данном случае хлороз. Избыток железа также приводит к нарушениями заболеваниям. Но многие виды любят избыток определенных элементов. Например, орхидея предпочитает кальций (кальцефит), крапива — нитраты (нитрофит), хвощи — соль (галофиты). Из рыб лососьи треска предпочитают избыток кислорода вводе (стенооксибионты), а некоторые моллюски и черви адаптируются в широких пределах его содержания (эври оксибионты). Даже яды переносят некоторые водоросли и Рис. Круговорот углерода Рис. Круговорот металла ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ черви (токсобионты). В целом, очевидно, оптимальное количество и пределы изменения (экологическая валентность) того или иного элемента или соединения зависят от вида организма, его состояния и внешних условий. 6.5.1. ХЕМОМЕДИАТОРЫ Кроме природных веществ многие организмы сами выделяют химические соединения, имеющие разные функции. Хемомедиаторы — вещества, выделяемые в малых количествах и осуществляющие связь между организмами, а также между организмом и средой. Феромоны осуществляют связь между особями одного вида. Алломоны — связь между особями разных видов. (См. также аттрактанты и репелленты.) Кроме того, сами организмы с помощью определенных соединений реагируют на изменение внешней среды. Эндометаболиты — вещества, выделяемые внутри организма для смягчения воздействия внешнего фактора (создания или поддержания условий внутренней среды). В частности, криопротекторы защищают клетки от кристаллизации при охлаждении. Экзометаболиты — вещества, выделяемые организмом во внешнюю среду для нейтрализации ее изменения. Такие вещества способствуют поддержанию рН, окислительно восстановительного потенциала (ОВП), ионной силы и других показателей, например воды в водоеме. К функциям, которые осуществляют химические соединения, выделяемые организмом, относятся следующие) защитная — присуща различным ядами репеллентам (отпугивателям). Так, мухомор выделяет яд мускарин, мак — наркотик папаверин, скунс — репеллент 3 метил бутантиол. Некоторые насекомые выделяют определенные соединения в случае опасности (2 гексеналь, муравьиная кислота и др) наступательная — здесь также задействованы яды, в частности нейротоксины змей, ос, скорпионов и пр. Сюда же можно отнести и токсины сине зеленых водорослей Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ) аттрактивная — это вещества, притягивающие либо существо другого пола, либо жертву, либо кого то еще. Так, самка тутового шелкопряда выделяет бомбикол для привлечения самца. Цветы обладают запахом для привлечения опыляющих их насекомых) индикаторная — многие животные выделяют пахучие вещества для мечения своей территории (псовые и др.), а муравьи метят свой корм) сдерживание конкурентов — например, аллехопа ты — вещества, выделяемые растениями для подавления роста других растений (ель подавляет рост травы, облепиха малины и т. д) регулирование внутригрупповых взаимодействий такие соединения характерны для организмов, живущих семьями. Например, матка пчелы выделяет царское вещество оксо 2 трансдеценовую кислоту, обладающую стимулирующим действием. Головастики в случае ограничения размера водоема выделяют определенные соединения, которые тормозят развитие сородичей) формирование среды обитания характерно для гидробионтов выделяемые ими метаболиты, в частности пероксид водорода, поддерживают требуемые показатели среды, в данном случае ОВП; 8) адаптационная — например, криопротекторы, или антифризы — вещества, выделяемые в организме многих животных (лягушек, белок и др, способных переносить зимние морозы. Некоторые вещества обладают комплексным действием. Так, гусеницы, поедая молочай, производят пирролы, служащие для отпугивания хищников и привлечения самцов. 6.5.2. ПОЛЛЮТАНТЫ, ИХ КЛЕТОЧНЫЕ МИШЕНИ Животные и растения сегодня исчезают в тысячи раз быстрее, чем это предусмотрено природой. Не последнюю роль в этом играют поллютанты, или загрязнители. Их воздействие на организм зависит не только от строения и свойств, но и от внешних условий (температуры, влажности, облучения ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ рН и ионной силы воды и при внутренних факторов (природы организма, фазы его развития, состояния, питания, наследственности и др. При этом надо учитывать возможность трансформации самих поллютантов в организме, например их превращение в токсичные вещества. Многие организмы способны адаптироваться к поллю тантам. Мы отмечали это свойство у сине зеленых водорослей, микроорганизмов и др. При этом надо учитывать два способа адаптации создание биохимических механизмов защиты и наследственный (мутационный) фактор. Первый срабатывает у данного организма в некоторых пределах, несильно отличающихся от нормы, а второй — в популяции в максимуме или минимуме действия фактора, когда данный организм практически неспособен к существованию, однако появляются новые особи мутанты, более приспособленные к изменившимся условиям. Таким образом, саму токсичность можно рассматривать на уровне клетки, организма, популяции, экосистемы. Для этого надо хорошо представлять себе клеточные мишени (рис. 31) и механизмы защиты от поллютантов. Строение типичной животной клетки представлено на рис. 31. Важнейшими ее компонентами являются мембраны, цитоплазма, органеллы и ядро. Оболочка отделяет клетку от внешней среды, способствуя поддержанию в ней гомеостаза. Ее белки — насосы и каналы, а также градиент концентраций снаружи и внутри по ряду соединений способствуют переносу веществ внутрь (эндоцитоз) и наружу (экзоцитоз). Рецепторы, Рис. Строение животной клетки комплекс Гольджи; 2 — микросо ма; 3 — плазматическая мембрана вакуоль 5 — пиноцетарный пузырек ядерная мембрана 7 — ядро митохондрии 9 — эндоплазматический редикулум; 10 — цитоплазма ядрышко 12 — лизосомы Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ 157 находящиеся снаружи, участвуют в межклеточном взаимодействии, передаче сигналов внутрь клетки. Ее липидный бислой управляет протеканием реакций с участием интегральных ферментов, которые являются катализаторами биохимических реакций, а разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью мембраны является дополнительным источником энергии. Мембрана опирается на цитоскелет (микротрубочки и микрофиламенты), который участвует во внутриклеточном переносе веществ. Мембраны отделяют различные ком партменты клетки (цитоплазма пронизана трубчатыми и пластинчатыми мембранами с рибосомами или без них, а также ее органеллы и ядро. В органеллах (лизосомах, рибосомах, эндоплазматическом ретикулуме, пероксисомах, липосомах) протекает ряд специфических реакций, энергию для которых поставляют митохондрии. А некоторые органеллы (микросомы, липосомы) служат также для удаления веществ. В ядре находится генетический аппарат, содержащий молекулы ДНК (у высших животных в хромосомах) — хранители генетической информации. На них, как на матрицах, идет воспроизведение самих ДНК и синтез РНК (соответственно репликация и трансляция, а на РНК — синтез белков (транскрипция. Заметим, что полинуклеотиды встречаются ив некоторых органеллах, например в рибосомах и митохондриях. Последние, как полагают ученые, являются самостоятельными организмами, проникшими в клетку и закрепившимися в ней в результате симбиоза. Первым барьером на пути поллютантов является цитоплазматическая мембрана клетки. Ее рецепторы связывают большинство веществ, в том числе токсичных, посылая многократно усиленный сигнал об этом внутрь, что обеспечивает защитную реакцию клетки. Причем, заметим, что через мембрану относительно легко по градиенту концентраций проходят маслорастворимые (гидрофобные) соединения и плохо — водорастворимые (гидрофильные, например катионы водорода и металлов. Для них существуют специальные белковые каналы и насосы. Другим путем попадания веществ внутрь клетки является эндоцитоз. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ После прохождения через мембрану полярные соединения оказываются в цитоплазме. При этом способные к образованию комплексов и химических соединений катионы металлов связываются с белками или нуклеиновыми кислотами (например, золото, кадмий, ртуть, свинец, цинк — с тионильными группами, а амины — с ме таллоферментами. Некоторые неполярные, но главным образом дифиль ные вещества (ПАВ) включаются в состав мембран (цитоплазматической, органелл, нарушая их структуру и свойства. Причем направленный внутриклеточный транспорт органических веществ обеспечивает их поступление в соответствующие компартменты и органеллы, где далее они подвергаются химическим превращениям. Так, определенные соединения в лизосомах расщепляются под действием гидролитических ферментов, а в пероксисомах — окисляются пероксидом водорода. Частично реакции с участием ферментов протекают ив цитоплазме. 6.5.3. ВИДЫ ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ Все виды токсического действия химических соединений можно разделить следующим образом цитотоксическое действие заключается в изменении проницаемости клеточных мембран, нарушении их функций и функций ферментативных систем тератогенное (пороки эмбрионального развития) связано с нарушением действия генов без изменения их структуры генетическое вызвано изменением ДНК и РНК, появлением мутантных форм. Первичная токсичность определяется нарушением структурной и временной упорядоченности белков, например, ферментов, в первую очередь связанных с транспортом электронов вовлечением поллютанта в метаболические процессы, часто путем конкуренции с субстратами за места связывания в активных центрах ферментов, что приводит к обрыву метаболической цепи Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ химическим взаимодействием поллютантов с компонентами клетки (алкилирование, галоидирование, арилирование белков и нуклеиновых кислот, что приводит к аллергиям, мутагенезу и канцерогенезу. Например, многие соединения, так называемые мутагены, вызывают необратимые соматические мутации за счет образования аддуктов, или разрывов, в ДНК и РНК. Очень часто наличие поллютанта можно определить визуально по его воздействию на цитоплазматическую мембрану клетки — клетка сморщивается и из овальной превращается в ежеподобную форму. Говоря о поллютантах, необходимо отметить их избирательное воздействие нате или иные системы и процессы в организме. Виды токсического воздействия некоторых тяжелых металлов на человека приведены в табл. 10 (поданным ВОЗ 1991 года. Очевидно, что тот или иной результат воздействия определенного металла на организм зависит от его дозы, те. концентрации и длительности действия. В частности, тяжелое отравление свинцом наблюдается при повышении его содержания в крови человека до 0,8 части на миллион. При этом отмечаются анемия, головная и мышечная боль, потеря сознания. Сегодня наиболее высокие дозы свинца в крови у работников 8 53 7548587 |