Більшість процесів, що відбуваються в живих організмах і регулюють їх життєдіяльність, відносяться до класу електрохімічних чи електрофізичних. З огляду на це при оцінці екологічного ефекту впливу геофізичних полів основний інтерес викликають електричні, електромагнітні і магнітні поля, хоча роль геофізичних полів інших видів також не може вважатися другорядною і несуттєвою.
Експериментально установлений вплив слабких фізичних полів на живі організми. Так, наприклад, тривалий вплив малих доз іонізуючого випромінювання може приводити до помітних соматичних (тобто тілесним), а також генетичним (спадкоємним) ефектам у живих організмах. Також відомо, що вплив, наприклад, електромагнітних полів і поля іонізуючого випромінювання на людину практично не має нижньої обмежуючої межі і починається з моменту появи такого джерела. Аномальні прояви геофізичних полів, обумовлені геологічними причинами, також можуть впливати на біоту в цілому і на людський організм зокрема. Варто підкреслити генетичний зв'язок полів, називаних геофізичними, саме з літосферою чи з глибинними "сферами" земної кулі і лише дуже опосередкований зв'язок із процесами, що відбуваються в ближньому і далекому космосі. У табл. 3.2 приведені характеристики спостережених геофізичних полів, їх фонові, аномальні значення і варіації.
Геофізичні поля є подразнюючим чинником, що не приводить, як правило, до серйозних екологічних наслідків. Однак при досягненні визначеного рівня інтенсивності (наприклад, у випадку техногенних фізичних полів) вони можуть ставати також і вражаючим фактором. Сприйняття організмом енергетичного впливу, починає позначатися при рівні інтенсивності сигналу будь-якого генезису в межах від 10-12 до 10-2 Вт/м2. Такий широкий розкид величини граничного значення (до 10 порядків) пояснюється неоднаковою чутливістю людського організму до фізичних полів різної природи. Так, наприклад, шкірні рецептори вже реагують на дотик, енергія якого складає всього 10-10 Дж.
Енергетичний вплив геофізичних полів на живі організми можна представити у вигляді суперпозиції двох складових — квазіпостійної, обумовленої дією змінних у відносно невеликих межах і з великими (навіть у геологічному численні часі) періодами циклічності геофізичних полів природної природи, і змінної, залежної від ритміки Всесвіту і зв'язаною з обертанням Землі навколо своєї осі і обертанням навколо Сонця, із взаємодією Землі зі своїм супутником — Місяцем і іншими планетами Сонячної системи.
Особливості впливу геофізичних полів на живі організми обумовлені просторово-часовою структурою цих полів і особливостями будови організмів.
Таблиця 3.2
Характеристика геофізичних полів
| Вид поля і його характеристики | Величина характеризуючого параметру |
| Магнітне (мЕ) Фонові значення Т Варіації Спостережені я аномалії DТ, DZ | 500—618 до 10 200-1300 |
| Гравітаційне (м/Гал) Фонові значення Dg Вікові варіації за рік Приливна аномалія Dg Спостережені аномалії Dg Зміна Dg при перельоті в широтному напрямку на 18о | (978-983)×103 до 0,1 0,345 30-300 |
| Електромагнітне (мв/км) Фонові значення Варіації Спостережені аномалії Поле грозових розрядів | 0,1-10 100-200 до 30-40 200-300 |
| Атмосферна електрика (іон/см3) Нормальний фон Повітря у великих містах Повітря "електрокурортів" Повітря поблизу водоспадів і прибою | 1000-1400 1100-1500 1800-3700 (100-200)×103 |
| Природні електричні поля (мв) Фонові значення Дифузійно-адсорбційні Фільтраційні Мінливі в часі Електрохімічні (рудні) | 5-100 45-100 40-200 40-400 20-1800 |
Закінчення таблиці 3.2
| Вид поля і його характеристики | Величина характеризуючого параметру |
| Іонізуюче випромінювання (мЗв/рік) Фонові значення Спостережені значення Гранично припустимі значення | 0,3-2,2 20-90 |
Здатність організмів реагувати на магнітне поле Землі може бути зумовлена наявністю в їхніх клітках скупчень магнетиту органічного походження. Такі скупчення виявлені в голубів, бджіл, молюсків і в людини. Крім того, організм сам є джерелом магнітного поля, що може взаємодіяти з зовнішнім полем. Магнітні поля живого організму викликаються іонними біострумами, дрібними феромагнітними частками, що потрапили в організм випадковим чином, і неоднорідністю магнітної сприйнятливості різних органів і тканин, що виявляються в умовах накладення зовнішнього магнітного поля. Магнітні поля живих організмів, як правило, украй малі в порівнянні з геомагнітним полем і в силу цього можуть підпадати під вплив навіть дуже слабких його змін. Встановлено, що зменшення діючого магнітного поля на чотири-п'ять порядків приводить до загибелі клітинок. Як ілюстрацію залежності функціонування живих організмів від геомагнітного поля на рис. 3.9 приведені дані, опубліковані в роботі А.Л. Чижевского (1976). Зіставлення добового ходу варіацій геомагнітного поля з числом припадків у людей, що страждають епілепсією (важка хвороба головного мозку), показує, що загострення хвороби (припадочний стан) настає в періоди найбільш сильних змін поля (найбільшої величини градієнта поля).
Наявність сильного гравітаційного поля не тільки дозволяє Землі утримувати навколо себе могутній газовий шар (атмосферу) і водяну оболонку (гідросферу), забезпечувати круговорот води і рух льодових мас по поверхні планети, але і є одночасно одним з основних факторів, що визначають активність геологічних і біологічних процесів, що забезпечують існування життя.
Гравітаційна залежність живих організмів оцінюється характером їхньої реакції на зміну величини і напрямку вектора поля тяжіння. Гравітаційний вплив стає потенційно значним вже для тканинних клітинок і мікроорганізмів, розміри яких перевищують 10 мкм. Однак для комах і інших дрібних біологічних об'єктів фізіологічне значення зміни гравітації несуттєво, оскільки вони без видимих наслідків здатні переносити сторазові перевантаження. Для великих представників тваринного світу, у тому числі і для людини, зміни величини і напрямку дії поля тяжіння є дестабілізуючими факторами. Так, при значному збільшенні поля сили тяжіння зменшується рухова активність, знижується кількість виведеної з організму рідини, вміст азоту і калію. У той же час спостерігається збільшення кількості споживаної їжі і енергії, зростає вміст в організмі води, натрію, кальцію і фосфору. Зворотна за знаком зміна гравітаційного поля призводить до зменшення потреби в їжі й енергії, зниженню кількості води в організмі, вмісту натрію, кальцію і фосфору. Звичайно, такого роду зміни повною мірою виявляються при значних варіаціях сили притягання, що можуть мати місце, наприклад, при здійсненні космічних польотів чи при спеціальних іспитах на центрифузі. Однак не виключено, що подібні ефекти, хоча й у меншій мірі, можуть виявлятися в умовах "земних" варіацій гравітації, що супроводжують переміщенням уздовж лінії меридіана із середніх широт у високі і навпаки, а також зміні висоти над рівнем моря.
Температурне поле є одним з факторів, що визначає границі виживання біоти. "Дозволені" варіації глобального температурного поля не так великі. Зокрема, зниження середньої температури на поверхні планети на 3—4° чи підвищення її на 3—3,5° погрожує наслідками, з якими сучасна цивілізація може і не справитися. У першому випадку такими наслідками може бути утворення на Землі суцільного крижаного панцира і повне зникнення вільної води, у другому, навпаки, вода може покрити весь простір і не залишити місця для тих представників тваринного і рослинного світу, що пристосовані до "сухопутного" життя. У той же час господарська діяльність людини найчастіше впливає саме на температурний режим приповерхневих частин земної кори. Будівництво міст і зв'язане з цим освоєння підземного простору, прокладка трубопроводів, колекторів, будівництво шахт і т.п. веде до порушення природного температурного поля поблизу земної поверхні. На рис. 3.10 показано, як приклад, як змінюються температура води і рівень хімічного забруднення в малих ріках, що протікають по території міст.
З рисунку видно, як при впаданні припливу, що тече по території мікрорайону, стрибкоподібно підвищується температура води і знижується її питомий електричний опір.
Температура поблизу поверхні Землі коливається в межах від —88 до +58°С. Це говорить про те, що середня температура, при якій протікають життєві процеси і яка складає від 0 до +40°С, практично завжди підтримувалася на більшій частині земної поверхні протягом тривалого часу. Сучасні дослідження показують, що температурні границі життя простягаються від -200 до +100°С.
Рис. 3.10. Техногенне забруднення, встановлене по збільшенню температури і зменшенню питомого електричного опору води в р. Чертанівка (м. Москва) (Жигалін, 1997)
Велику роль у життєзабезпеченні відіграє температурний режим поверхневих і підземних вод. З підвищенням температури води можуть зв'язуватися порушення природної рівноваги екологічних систем водойм і водотоків. Так, летальні (граничні) значення температури для деяких промислових риб у ріках і водоймах складають 37,0—37,8°С, а для більшості водяних організмів це 25—35°С. Для синьо-зелених водоростей верхньою температурною межею служить температура 80°С. Для мікроорганізмів що лімітують виявляються значення температури 80—100°С. Верхні граничні значення температури є більш критичними, чим нижні, хоча багато організмів поблизу верхньої межі толерантності (здатності до існування) функціонують з підвищеною інтенсивністю. Те саме перевищення природної температури води може в залежності від місцевих умов впливати як негативно так і позитивно на біологічні процеси. Підвищення температури води до певних меж може навіть стимулювати життєдіяльність флори і фауни відкритих водойм, оскільки у відповідь на зміну зовнішніх умов через якийсь час екологічна рівновага встановлюється на новому рівні. Як приклад впливу техногенного температурного поля на живі організми в табл. 3.3 приведені дані, отримані при вивченні реакції гідробіонтів (живих організмів, що населяють водойми) на зміну температурного режиму водойм, що використовуються для охолодження.
Таблиця 3.3
Вплив нагрівання води у водоймах на живі організми
| Рівень нагрівання води | Питоме теплове навантаження в літній період, МДж/(м2×сут) | Перевищення середньої природної температури, К | Зміни, які викликані нагріванням води |
| Мінімальний (слабкий) | 4,2-8,4 | 0,5-1,5 (у межах санітарної норми) | Незначна зміна гідро-хімічного і гідробіоло-гічного режимів. Подовження вегетатив-ного періоду й інтен-сифікація розвитку планктону |
| Помірний | 13-17 | 5-6 | Зростання в кілька разів біомаси |
| Значний | 21-25 | >б (перевищення санітарної норми в 2—3 рази) | Помітне зниження біологічної продуктив-ності, що усугубляється при спуску у водоймище недостатньо очищених вод |
Електромагнітний вплив на біосферу розглядається звичайно як фактор прямої екологічної дії. Тривалий систематичний вплив інтенсивних електромагнітних полів стандартної промислової частоти (50 і 400 Гц) і радіочастот у широкому діапазоні на людський організм може викликати серйозні ускладнення у функціонуванні практично всіх життезабезпечуючих систем, оскільки електромагнітні поля впливають на біологічні процеси в живих організмах починаючи з клітинного рівня. З природних джерел електромагнітного випромінювання найбільш потужним є Сонце. електромагнітне випромінювання, що приходить від Сонця на домінуючій частоті 200 МГц характеризується при "спокійному" Сонці щільністю потоку 10-20 Вт/м2, при спалахах збільшується до 10-16 Вт/м2 на кілька секунд чи хвилин і до 10-18 Вт/м2 на кілька годин. У той же час у гірських породах і у воді відкритих водойм і морів електромагнітні поля швидко загасають до безпечного з погляду екології людини рівня.
У нижніх приземних шарах атмосфери істотну екологічну роль відіграє електростатичне поле (атмосферна електрика). Аероіони (іони повітря) впливають на живі організми на всіх стадіях їхнього розвитку. Під дією потоків негативних аеріонів при "сприятливих" дозах виникають добре помітні позитивні ефекти: збільшується проростання насінь рослин, швидкість росту рослин і кількість сирої маси. Разом з тим передозування впливу тих же негативних іонів на рослинні організми викликає помітне загасання фізико-хімічних процесів, що відбуваються в них. Загальне самопочуття, увага, працездатність людини, функціональний стан його основних життєзабезпечуючих систем знаходяться практично в прямої залежності від концентрації і полярності аеріонів. Експериментально встановлено, що негативні аеріони (в основному це іони кисню повітря) сприяють посиленню життєдіяльності організму, тоді як позитивні аеріони в більшості випадків впливають на організм, а при значній концентрації здатні нанести йому значний збиток. Повітря, позбавлене аеріонів обох полярностей, при тривалому терміну дихання в умовах такої атмосфери може сприяти виникненню серйозних захворювань. Подібні результати були отримані при проведенні дослідів над тваринами в лабораторних умовах, що свідчить про універсальність висновків щодо екологічної ролі природного електростатичного поля (атмосферної електрики).
Радіоактивність, чи іонізуюче випромінювання, є як подразнюючим, так і вражаючим фактором. Іонізуюче випромінювання відноситься до розряду істотних мутагенних факторів, а також факторів, що викликають важкі онкологічні захворювання. До категорії "дратівного" дії варто відносити і ті сприятливі ефекти, що встановлені при аналізі впливу малих доз опромінення на живі організми. Як відзначалося раніш, основна частина природного радіаційного фону (приблизно 40%), що спостерігається на поверхні планети й у приповерхніх шарах літосфери, зобов'язана своїм походженням радіоактивним газам 222Rn і 220Rn (торону). Варто відзначити, що інтенсивність іонізуючого випромінювання глобально й істотно підвищилася в результаті спроб людини використовувати атомну енергію. Досить сказати, що наприкінці XX в. частка штучної радіоактивності за рахунок розробки, складування, використання і поховання радіоактивної сировини склала приблизно 20%, а природної радіоактивності — приблизно 80%.
У різних частинах поверхні Землі і біосфери природний радіаційний фон може розрізнятися в 3—4 рази і більш. Найменшою інтенсивністю (10-3-10-2 мГр/рік) характеризується фон над поверхнею моря, найбільшою (до 0,9 мГр/рік) — на великих висотах у горах, складених гранітними породами. У районах, де поширені руди з великим вмістом природних радіонуклідів, радіаційний фон, як правило, у 100—1000 разів вище, ніж на прилеглих і віддалених територіях. Річна ефективна еквівалентна доза, яка фіксується на поверхні планети, варіює від 2 до 20 мЗв (1 мЗв = 1 мГр). Ці величини характеризують границі діапазону природного радіаційного фону, при якому існувало і розвивалося все живе на планеті.
Перевищення рівня випромінювання над фоновим чи навіть підвищений природний радіаційний фон може розглядатися як мутагенний фактор. У зоні дії потужних джерел опромінення (як правило, рукотворного походження) не в змозі вижити жодна тварина чи рослина. При потужності дози опромінення 0,8—2,1 мГр/год відбувається уповільнення росту рослин і зменшення видової розмаїтості тварин. При збільшенні потужності дози до 4,2—16,70 мгр/год рослинність пригнічується і стає сприйнятливою до поразки шкідниками і хворобами. Більш високорозвинені й у силу цього більш складні організми гостріше реагують на радіаційний вплив, чим їх "слаборозвинені" побратими. Людина й інші ссавці характеризуються високою чутливістю до радіаційного впливу, а мікроорганізми, навпаки, — найбільшою стійкістю. Насінні рослини і нижчі хребетні займають у цьому ряді деяке проміжне положення. Для ілюстрації цього в табл. 3.4 приведені деякі дані, що характеризують чутливість до іонізуючого гамма-випромінювання бактерій, комах і ссавців.
Таблиця 3 4
