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:

1. при определенных значениях фактора создаются условия наиболее благоприятные для жизнедеятельности организма. Их считают оптимальными, а соответствующая им область на шкале значений фактора – оптимумом;

2. с изменением этих значений от оптимальных в сторону уменьшения или увеличения происходит угнетение жизнедеятельности особей. Такие отклонения человек способен переносить благодаря наличию специфических адаптивных механизмов. В связи с этим выделяется зоны нормальной жизнедеятельности. Способность людей переносить подобные отклонения индивидуально обусловлена и зависит от пола, возраста, конституции и т. п.

3. диапазон значений фактора, за границами которого нормальная жизнедеятельность особей становится невозможной, вплоть до гибели организма или разрушения биоценоза. Условия, при которых жизнедеятельность максимально угнетена, но организм и биоценоз еще существуют, называются зонами пессимума или пределами выносливости. Так называемая экологическая толерантность охватывает диапазон от нижнего пессимума до верхнего пессимума. В зонах пессимума добавляются лабильные реакции, обеспечивающие гомеостаз благодаря включению дополнительных функциональных адаптивных реакций. Вне пессимальных зон адаптивные реакции, несмотря на полное напряжение всех механизмов, становятся малоэффективными и наступает гибель.

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:

ü Электронный уровень организации – изучает физика

ü Молекулярно-генетический уровень – составляет предмет молекулярной биологии, изучающей строение белков, их функции как ферментов или элементов цитоскелета, роль нуклеиновых кислот в хранении, репликации и реализации генетической информации, то есть процессы синтеза ДНК, РНК и белков.

 

ü Субклеточный. На уровне субклеточных, или надмолекулярных, структур изучают строение и функции хромосом, митохондрий, рибосом и других органелл, а также включений клетки.

ü Клеточный уровень. Клетка – первичная биологическая целостная система с жестко фиксированными внутри нее связями. Клетка может длительное время существовать автономно. Другие клеточные структуры, например, митохондрии долго без клетки существовать не могут. Вирусы могут проявлять свойства живых систем только в клетках. У простейших понятия «клетка» и «организм» совпадают. Наследственная информация может быть реализована только в пределах клетки.

ü Тканевый уровень. Ткань – совокупность клеток схожих по строению, происхождению, выполняемым функциям и межклеточного вещества. Развивается тканевый уровень в онтогенезе во время дифференцировки клеток и закладки органов на тканевом уровне. Различают 4 вида тканей: нервная, мышечная, эпителиальная и соединительная. Живых же организмов более 1 млн. видов.

ü Органный уровень – формируется в онто- и филогенезе в процессе дифференциации и интеграции клеток, тканей и органов. Например, кожа человека как орган включает эпителий и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций (защитная, рецепторная, терморегуляционная, секреторная, дыхательная, резорбционная (всасывающая), иммунная).

ü Организменный. На организменном уровне изучают особь и свойственные ей как целому черты строения, физиологические процессы, в том числе дифференцировку, механизмы адаптации и т.д. В некоторых случаях индивидуумы не могут жить отдельно. Например, лишайник образован водорослью и грибом, которые находятся между собой в симбиотических отношениях. Водоросль способна жить отдельно от гриба, а гриб отдельно от водоросли не может. Другой пример: кишечная палочка (E. сoli) заселяет кишечник человека, синтезирует витамин К. Человек может существовать без E. coli, а E. coli без человека – нет.

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.

ü Популяционно-видовой. Популяция – элементарная единица эволюционных процессов. На популяционно-видовом уровне изучают факторы, влияющие на численность популяций, проблемы сохранения исчезающих видов, динамики генетического состава популяций, действие факторов микроэволюции и т. д. Для хозяйственной деятельности человека важны такие проблемы популяционной биологии, как контроль численности видов, наносящих ущерб хозяйству, поддержание оптимальной численности эксплуатируемых и охраняемых популяций.

ü Биосферный. Обеспечивает взаимодействие абиотических и биотических компонентов (живой и неживой природы). Отражает системное единство всех проявлений жизни на Земле. На биосферном уровне современная биология решает глобальные проблемы, например, определение интенсивности образования свободного кислорода растительным покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанного с деятельностью человека.

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:

ü Изучение выживания организмов в условиях взаимодействия с окружающей средой.

ü Закономерности адаптации организма к внешней среде.

ü Саморегуляция экосистем и биосферы.

 

Прикладные задачи экологии:

ü Прогноз и оценка отрицательных процессов в окружающей среде под влиянием деятельности

ü Улучшение качества природной среды.

ü Сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов.

ü Обеспечение экологически безопасного устойчивого развития.

 

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:

ü рождаемость – измеряется числом рожденных детей за один год на 1000 человек населения;

ü смертность (в том числе младенческая – смертность детей первого года жизни) – измеряется числом смертей за 1 год на 1000 человек населения;

ü средняя ожидаемая продолжительность жизни различных возрастных групп – число лет, которое в среднем предстоит прожить представителю конкретного поколения при предположении, что смертность представителей данного поколения при переходе его из одной возрастной группы в другую будет равна современному уровню смертности в этих возрастных группах. В истории человечества этот показатель возрос с 21 – 23 до 80 и более лет.

ü средняя продолжительность жизни – время жизни определенной человеческой популяции;

ü прирост популяции – разница между величиной популяции в начале и конце какого-либо промежутка времени; может быть как положительным, так и отрицательным (убыль);

ü возрастно-половая структура населения – соотношение возрастно-половых групп; возрастная группа – совокупность людей одинакового возраста;

ü физическое развитие – совокупность морфологических и функциональных свойств организма, в процессе его индивидуального развития;

ü заболеваемость – показатель, характеризующий распространенность, структуру и динамику болезней среди населения в целом или в отдельных его группах (возрастных, половых, территориальных, профессиональных и др.);

ü инвалидность - стойкое длительное или постоянное нарушение трудоспособности либо ее значительное ограничение, вызванное хроническим заболеванием, травмой или патологическим состоянием (врожденные дефекты сердечнососудистой системы, костно-суставного аппарата, органов слуха, зрения, центральной нервной системы и др.).

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, при­водя к исчезновению видов и целых экосистем. В отличие от животных и растений человек, не встречая естественных врагов, создает искусственные меры защиты, транс­формирующие 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.

ü Нарушение печеночного барьера проявляется в первую очередь в изменении активности ферментов – монооксигеназ, которые обычно осуществляют детоксикацию всех экзо – и эндогенных токсических веществ. Ключевым ферментом системы является цитохром P-450. С помощью монооксигеназ происходит биологическое окисление веществ, превращение их в водорастворимую форму. Другая группа ферментов осуществляет реакции конъюгирования, т.е. соединяет образовавшиеся метаболиты с транспортными веществами (глютатионом, глюкуроновой кислотой, аминокислотами, сульфатами и др.). Третья группа ферментов – антиоксиданты (супероксиддисмутаза, каталаза, глютатион пероксидаза), совместно с другими неферментными антиоксидантами, например, витаминами (А, Е, С, Р, К) ликвидируют последствия реакций пероксидации (свободные и перекисные радикалы) путем их расщепления, связывания и выведения.

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.

ü Нарушение функций иммунного барьера, снижение его эффективности приводит к массовому распространению таких состояний, как иммунодефицит (отсюда более частая заболеваемость инфекционными, опухолевыми болезнями), массовая аллергизация, особенно детского населения, более частая встречаемость вяло текущих воспалительных процессов, более медленное и осложненное заживление ран и других.

ü Нарушение аэрогематического барьера проявляется:

– 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.

ü Нарушения гематоэнцефалического барьера облегчает проникновение в мозг тяжелых металлов, различных органических соединений, веществ табачного дыма, пестицидов. Энцефалопатия, вегетососудистая дистония, невроз, невростения, психоз, психосоматические и соматопсихические состояния – типичные экологически обусловленные нарушения деятельности нервной системы и психики.

ü Нарушения плацентарного барьера. В условиях экологического неблагополучия плацента снижает защитные функции:

– 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.

ü Возникла группа экологически обусловленных состояний, получившая название «техногенные эндемии»:

– 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.).

ü Увеличилось распространение аллергических болезней. Это обусловлено не только проникновением в организм человека ксенобиотиков промышленного происхождения, но и

– 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.