Егоров Экохимия. В. В. Егоров
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
35 Каким же образом радиоактивные элементы попадают в организм Очевидно, что какое то количество передается от материнского организма. Но главное то, что в составе водных растворов их поглощает корневая система растений. Следовательно, они попадают в организм животных с пищей. Кроме того, их проникновение возможно через дыхательные пути (аэроионы), а также покровные ткани тела. В организме высших животных радионуклиды накапливаются в определенных органах и тканях. В частности, в костях накапливаются изотопы кальция, стронция, бария, фтора в печени — марганца, тория, плутония в почках селена, мышьяка, висмута, а в щитовидной железе йода и брома. Кроме эндогенных, имеются и внешние экзогенные источники ионизирующего излучения. Важно отметить, что радиоактивный фон неодинаков в разных регионах Земли. В частности, он достаточно высок в отдельных районах Индии и Бразилии, где превышение его по сравнению со средним уровнем может достигать 200 раз. Это связано с большими запасами радиоактивных элементов в этих странах тория, радия, урана. Зачастую у высших организмов в таких регионах отмечается ряд положительных явлений, связанных с повышенной устойчивостью к заболеваниями большей продолжительностью жизни. Радиоактивный фон достаточно высоки в области так называемого большого вулканического кольца, в которое входят Япония, Сахалин и другие острова этого региона Тихого океана, а также часть восточного побережья нашей страны (Приморье и др. Именно с высоким уровнем радиации часто связывают явление т. н. гигантизма в природе этого края. В частности, здесь размер и урожайность многих растений могут превышать средние показатели для данных видов в несколько раз. Тоже отмечено ив зоне Чернобыльской аварии. Итак, у ионизирующего излучения есть как отрицательные, таки положительные стороны. Все зависит от мощности и времени воздействия (дозы, места его приложения, переноса и накопления радионуклидов. Последнее хорошо известно биологам в связи с законом накопления в ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ трофических цепях. Так, в опытах на побережье Колумбии было установлено, что планктон, поглощая радионуклиды из воды, увеличивает их локальную концентрацию в организме враз, а рыба, которая им питается, — в 000–40 000 раз. Подведем итоги. Малые дозы радиации жизненно необходимы. Их снижение ниже определенного предела может быть источником необратимых изменений в организме, вплоть до его гибели. К тому же приводят и большие дозы, вызывающие, в частности, лучевую болезнь. У растений она выражается в торможении роста и развития вследствие нарушения обмена веществ. Внешние признаки например, у пшеницы — темно зеленые листья, волоски на корнях, у деревьев — экссудаты на листьях, их отмирание. У крупного рогатого скота это выражается в снижении упитанности, продуктивности, что вызвано расстройством функций органов и систем. Далее отмечается белокровие и гибель. Таким образом, при использовании организмами ионизирующего излучения, а также для различных источников электромагнитного излучения вообще (в том числе ЛЭП, электроприборов, компьютеров, мобильных телефонов и пр) требуется непременное соблюдение закона оптимума ив растительном ив животном мире. 2.2.3. ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ Без тепла нет жизни — этот тезис знаком нам с детства. Действительно, тепловая энергия нужна организмам для поддержания их температурного режима, который требуется для нормального протекания физиологических и биохимических процессов. Известно, что высшие животные делятся на теплокровных и холоднокровных. Эти организмы относятся соответственно к следующим группам гомойотермные — те, у которых температура организма постоянная пойкилотермные — те, у которых температура организма равна внешней Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ 37 У разных животных тепловой режим отличается. При этом взрослыми молодняку требуется различная температура окружающей среды. Так, для коровы оптимальный режим С, а теленку нужна более высокая температура СУ разных видов растений также свои тепловые режимы. Так, например, табаку требуется температура С, томатам — С, огурцам — С. При этом недопустимо как снижение ниже С, таки повышение выше СИ то и другое вызывает торможение их роста. Повышение температуры выше нормы вызывает у организмов (в результате изменения скорости ферментативных реакций (рис. 5), конформации белков, распада их комплексов) нарушение клеточных функций, влекущее за собой нарушение структуры и функций органов и тканей, в частности фотосинтетического аппарата растений. Внешне это проявляется в ряде признаков. Например, у пшеницы на листьях появляются желтые пятна, ау овса — красные. При этому растений наблюдается трещины и ожоги. То же у животных. Кроме того, в гипертермальных условиях у них снижается аппетит. В результате длительного перегрева организма, особенно на фоне высокой влажности, наблюдается изменение состава крови, а также активности ЦНС и мозга. Это может привести к тепловому удару. Наблюдается задержка развития и роста животных, снижение их продуктивности, вплоть до бесплодия, и наконец болезни и гибель. Но и понижение температуры ниже нормы недопустимо. В клетках снижается ферментативная активность, а следовательно и скорости процессов метаболизма (рис. Замечено, что у растений к температуре наиболее чувствительны молодые побеги, которые начинают отмирать на холоде. Вместе стем следует отметить, что известны Рис. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ холодо и даже морозостойкие растения. Они растут все верных широтах. У животного охлаждение организма вызывает дрожь. Оно съеживается, стараясь согреться. Длительное охлаждение особенно губительно при высокой влажности, оно приводит к бронхиту, простуде, которые часты у молодняка. Гипотермия (переохлаждение) вызывает нарушение обмена веществ и деятельности различных органов, например воспроизводства. В результате наблюдаются болезни, обморожения, параличи далее гибель. Закон оптимума здесь проявляется наиболее отчетливо. Он требует поддержания оптимальной температуры тела, а значит, и оптимального теплового режима в данном регионе. Сегодня в процесс сохранения теплового баланса Земли внедряется антропогенный фактор. Пока количество производимой нами энергии измеряется сотыми процента от солнечной, но оно удваивается каждые 12–15 лет. И не за горами то время, когда искусственная энергия начнет сказываться на тепловом равновесии планеты. Это относится к любому источнику энергии — от АЭС до тепловых электростанций. Кстати, для последних необратимо изымаются полезные ископаемые (уголь, нефть и другие, что, с одной стороны, приводит к их исчерпанию, ас другой — к нарушению определенного равновесия в природе. Только более полное использование энергии Солнца позволит их сохранить. Тем не менее в настоящее время на планете растет средняя температура и меняется ее распределение. Например, среднегодовая температура над городами может превышать на 3–4 ° температуру окружающих территорий. Здесь проявляется так называемый парниковый эффект, приводящий к локальному нагреванию атмосферы. Это отражается не только на организмах, но и на процессах переноса воздушных масс и влаги. В результате отмеченного повышения температуры в районах с достаточной влажностью продуктивность биоты может увеличиться, нов сухих зонах есть вероятность их превращения в пустыни. По предварительным оценкам, в благоприятных условиях окажутся Европа и запад Северной Америки, а, например, Передняя и Средняя Азия — под угрозой Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ 39 Сама природа стремится к поддержанию теплового баланса и температуры по принципу обратной связи. Так, из астрофизики известно, что с момента зарождения жизни на Земле интенсивность солнечного излучения повысилась на 25%. Однако, несмотря на это, температура поверхности Земли остается постоянной в течение почти четырех миллиардов лет. Как это понять Оказывается, не последнюю роль здесь играют организмы. Чем интенсивнее солнечный свет, тем активнее бактерии почвы и выше скорость ее эрозии. Это позволяет интенсивнее удалять углекислый газ из атмосферы, снижая парниковый эффект и тем самым охлаждая планету. 2.2.4. ВОДА В воде зародилась жизнь. Сегодня она нужна растениями многим простейшим для фотосинтеза, а любому организму как растворитель и переносчик веществ, температурный демпфер, среда и участник многих процессов. Есть основания полагать, что она может являться также приемником, хранителем и переносчиком информации в организме. Животным необходима как газообразная влага, жидкость в составе пищи, таки питьевая вода. Она влияет на процессы пищеварения и обмена. Вода во многом определяет рост, развитие, продуктивность и естественную резистентность животных. Вода занимает 2/3 поверхности Земли, находясь ив ее глубинах. Ее основная экологическая функция — осуществлять растворение и транспорт органических и неорганических соединений. В природной воде содержится около химических элементов в виде ионов, а также газы кислород, азот, углекислый газ и пр. Заметим, что вода находится также в почве ив воздухе (в тропосфере. Причем его влажность колеблется в широких пределах отв районе Амазонки дои ниже в пустынях. Вода уникальна тем, что находится сразу в трех агрегатных состояниях жидком, твердом и газообразном. Ее особенностью является аномалия ряда физико химических свойств, например увеличение объема и снижение ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ плотности при замерзании (минимум при С. Именно низкая плотность льда по сравнению с жидкой водой, те. его образование на поверхности водоемов, позволяет сохраниться водным растениями животным в зимний период. Еще одним важным ее свойством является высокая теплоемкость враз большая, чему воздуха. Это означает, что при охлаждении одного объема воды на один градус выделяется количество тепла, достаточное для нагревания на один градус 3000 объемов воздуха. Таким образом, аккумулируя тепло, вода оказывает смягчающее влияние на климат (так называемый температурный демпфер, не позволяя резко изменяться температуре, например при переходе от дня к ночи. Вода составляет от 60 до 90% животных тканей. Максимум ее у нас в слюне (около 100%), меньше в крови (около, еще меньше в мышцах (70–80%) и костях (22%), а минимальное количество в составе зубов (менее 2%). Но она есть везде. В частности, в клетках, их цитоплазме ее содержится около 90%, причем это не та вода, которая находится в водоемах или льется из крана. Вода в цитоплазме — это на 90% структурированная жидкость, связанная с биомолекулами и отличающаяся по свойствам от обычной. Уже отмечалось, что вода — непременный участник процессов обмена веществ, которые в организме идут постоянно. Например, кукурузе в вегетативный период нужно около 3,5 млн л воды на гектара корова в течение 5 лет жизни потребляет около 100 000 л воды. Однако на синтез фитомассы у растений ее расходуется всего 0,5–1%, а на образование биомассы у животных — около 1%. Остальное идет на выделение и испарение. Различные организмы по разному относятся к воде. Поэтому показателю они делятся наследующие категории: гидрофиты — постоянно живущие вводе (рыбы, водные растения и животные), гигрофиты — влаголюбивые (например, рис, осока, а из животных — амфибии, буйвол), ксерофиты — предпочитающие засушливый климат (ковыль, верблюжья колючка, длительно переносит засуху верблюд Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ 41 мезофиты — все остальные, кому требуется определенное среднее количество влаги (например, сельскохозяйственные культуры, домашние животные). У организмов существуют собственные пределы количества потребляемой воды. Недостаток у растений приводит к нарушению обмена веществ, снижению скорости фотосинтеза, торможению роста и развития. Особенно это сказывается в критический период — от выхода в трубку до цветения. В результате снижается урожайность, зерна становятся мелкими, отмечается пустоколосица, а в случае засухи — гибель. У животных нехватка 10% воды вызывает эксикоз. Он выражается в общей слабости, вялости, сухости слизистых и кожи. Потеря организмом 20% воды (в течение 4–8 суток) приводит к гибели, главным образом в результате ослабления деятельности органов дыхания на фоне сгущения крови, нарушения водно солевого баланса, расстройства пищеварения. Избыток влаги также ухудшает рост и развитие растений, главным образом в результате нарушения ферментативных процессов в клетках. В частности, вместо синтеза органических молекул (полипептидов, полинуклеотидов) происходит их гидролиза также гидролиз так называемых запасных веществ, например полисахаридов. В результате резко увеличивается процент сахара внутри клеток и возрастает осмотическое давление, что отражается на их структуре и функциях. Это может даже вызвать осмотический шок и гибель клеток. Увеличение влажности воздуха выше нормы у животных нарушает водообмен, что приводит к перегреву. При этом (после первичного повышения) резко снижается частота дыхания и скорость кровообращения. Это приводит к заболеваниям, в первую очередь кожным, а далее и к другим, вплоть до гибели. Таким образом, любому организму требуется нормальное количество воды, а нарушение водообмена ведет к негативным последствиям. Здесь также проявляется закон оптимума ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 2.2.5. ВОЗДУХ Современная атмосфера, свойства которой изменяются во времени (в течение суток, сезонов, лети пространстве, образована при участии фотосинтезирующих организмов. Она защищает нас от космических лучей и поддерживает температуру на Земле. Жизнь организмов, в том числе человека, невозможна без воздуха. Если без пищи мы можем прожить несколько недель, без воды — несколько дней, то без воздуха — 4– 5 мин. Воздух состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа. В нем содержатся и другие газы, в том числе пары воды. Его состав в атмосфере практически идентичен в разных областях земного шара вследствие интенсивных процессов диффузии и массопереноса. Однако зачастую наблюдаются локальные нарушения. В частности, содержание кислорода и углекислого газа в воздухе должно быть постоянным, однако промышленность и транспорт снижают количество первого и увеличивают количество второго. Результат — кислородное голодание (его ощущали те, кто подымался нагорные вершины, уменьшение озона в атмосфере (озоновые дыры), увеличение интенсивности ультрафиолетового облучения (в первую очередь т. н. жесткого коротковолнового ультрафиолета, являющегося мутагенным фактором) и повышение температуры (парниковый эффект. Следствием этого являются различные заболевания, в первую очередь дыхательных путей, отравления и другие. Закон оптимума в этом случае связан с реакцией организма на недостаток и избыток воздуха, в первую очередь кислорода. У животных недостаточное поступление воздуха в организм и затруднение дыхания наблюдается при отеке гортани, спазме бронхов и т. д. В результате кровь не насыщается кислородом (гипоксемия) при задержке углекислого газа (гиперкапния. При прекращении дыхания наступает асфиксия с летальным исходом (через 5–10 мин). По поводу верхнего предела по концентрации кислорода в литературе нет отчетливых данных. Вместе стем имеются основания предполагать негативные последствия перенасы Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ 43 щения им воздуха. Даже кислородная маска может быть использована только в течение определенного времени. Нельзя не отметить отрицательной роли загрязненного воздуха. У растений поллютанты атмосферы отражаются на фотосинтезе, подавляя его. Это вызывает торможение роста, цветения, плодоношения растений. Опадают листья и плоды, не достигнув спелости. У животных загрязнения воздуха приводят к раздражению слизистых оболочек, губ, дыхательных путей (воспаления. Это отражается на обмене веществ, подавляет его и приводит к интоксикации. В этом случае особенно опасны химические препараты, особенно пестициды. Движение воздуха, те. ветер — это тоже фактор экологии. Умеренный ветер нужен всем. У растений он активирует водообмен и фотосинтез, что вызывает ускорение их роста и развития. Немаловажные следствия — воздушное опыление и перенос семян. Однако сильный ветер приводит к полеганию посевов, избыточному испарению влаги сих поверхности. В результате снижается урожайность, в первую очередь зерновых, у которых уменьшается число и качество зерен в колосе. Очень сильный ветер вызывает эрозию почвы. Животные на умеренном ветру чувствуют себя комфортно, а для многих он является жизненно необходимым. Так, паукам он помогает расселяться. С ветром переносятся запахи, что способствует ориентации животных. То есть воздушные потоки несут информацию. Носильный ветер травмирует животных, загрязняет корма. Это приводит к нарушению работы пищеварительных систем, снижает упитанность и воспроизводство. Часто вызывает болезни легких. Следует заметить, что влияние ветра во многом зависит от температуры и влажности воздуха, те. экологические факторы работают одновременно. И обезвоживание, и переохлаждение — все небезопасно для организма. В частности, как уже отмечалось, простуда снижает аппетита значит, и упитанность животного. Таким образом, любой закон, в том числе закон оптимума поданному фактору воздуху — справедлив в любых условиях, но применять его надо грамотно, учитывая и другие воздействия ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 2.2.6. ПОЧВА Почва (эдафический фактор) — это биокосное природное тело (по Вернадскому. Она сформировалась в результате взаимодействия живой и неживой природы в течение длительного времени и состоит из них. Из почвы растения берут азот, фосфор, калий, кальций, магний, а также большинство микроэлементов, необходимых для нормальной жизнедеятельности. Азот в водорастворимой форме — основной из потребляемых элементов. Его содержание, например, в растительных белках около 16%. Дефицит азота в почве (азотное голодание) отражается на растениях. Это видно по мелким листьям, тонким стеблями т. д. Избыток азота также вызывает негативные последствия — увеличение сроков созревания, снижение морозостойкости, а внесение в почву избытка нитратов и нитритов приводит к отравлению животных содержащими эти вещества растениями. Что касается других элементов, то их содержание в почве также должно быть в пределах нормы. Выход за нее ив туи в другую сторону приводит к нарушениям в растениях, изменению химического состава растительной пищи. Это отражается на обмене веществ растительноядных животных, их продуктивности и воспроизводстве. Например, недостаток кальция приводит к пожелтению листьев растений, их загниванию и отмиранию, ау животных — к нарушению обмена веществ, заболеванию желудочно кишечного тракта, увеличению ломкости костей. Увеличение кальция выше нормы вызывает у первых хлорозы и некрозы, ау вторых — поражение костей. Еще несколько примеров по микроэлементам. Снижение содержания меди приводит к сухости растений (цветоносов) и нарушениям структуры костей, малокровию, снижению мозговой активности у животных. Недостаток никеля вызывает болезни и у растений и у животных, в частности у последних нарушения в эпителии и слизистой оболочке. Увеличение содержания никеля вызывает появление некротических пятен на листьях растений и кожные болезни у животных Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ |