Раздел 3

БІОГЕОЦЕНОТИЧНИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНЬ И МЕСТО ЧЕЛОВЕКА В НЕМ

3.1.2. Среда существования. Факторы среды

Окружающая среда - это совокупность факторов, которые способны прямо или косвенно влиять на жизнедеятельность организмов. Часто их называют экологическими факторами.

Жизнь невозможна без физического среды. Отдельные важные свойства почвы, атмосферы, воды, хоть это и факторы неживой природы, формировались на протяжении тысячелетий как интегральный результат совокупной деятельности живых организмов. Считается, что до появления жизни на Земле в атмосфере планеты преобладали метан, аммиак, водород. На протяжении двух миллиардов лет после появления живых организмов водород улетучился в космическое пространство, углерод и азот перешли в состав органических соединений, а кислород частично перешел в атмосферу. То же химический состав окружающей среды является результатом сложных и длительных динамических процессов, которые и по сей день протекают на нашей планете. Именно поэтому параметры каждого фактора окружающей среды постоянно изменяются во времени, что требует перманентной адаптации организмов. В свою очередь, среда определяет приспособительные признаки организмов.

Выделяют четыре основных типа среды: водную, воздушную, почву и внутреннюю среду организмов (последний тип среды актуален для симбиотических организмов, особенно эндопаразитов).

По степени воздействия на организмы внешние факторы подразделяются на жизненно необходимые (свет, вода, минеральные соли), факультативные активные (дым, радиационное излучение) и факультативные нейтральные (инертные газы).

По происхождению выделяют факторы абиотические, биотические и антропогенные.

По характеру влияния факторы делятся на прямые (непосредственно влияют на конкретные показатели состояния организма или популяции) и косвенные (влияют опосредованно).

Абиотические факторы делятся на элементарные (температура, вода, атмосферное давление, воздух, электромагнитное поле, гравитация) и комплексные (химический состав субстрата (раствора, газа), агрегатное состояние субстрата (раствора, газа), солнечный свет).

Биотические факторы представляют собой действие живых организмов друг на друга. Они делятся на фитогенные, зоогенные, мікробіогенні и мікогенні. Реализуются биотические факторы в форме симбиоза или антибіозу.

К категории интегральных факторов следует отнести климат и рельеф. На протяжении существования органического мира на планете продукты жизнедеятельности и механическое воздействие организмов на неживые объекты привели к существенным изменениям в их химическом составе и физическом состоянии. Указанные явления современной природы является результатом совокупного действия абиотических и биотических факторов. Так, на формирование типов климата и отдельных погодных явлений незаурядный влияние оказывает растительный покров. Голый грунт и грунт, покрытый растениями, имеют различные показатели альбедо (количество лучистой энергии, которая отражается от объекта) и теплоемкость, вследствие чего воздушные массы, находящиеся над ними, перемещаются в атмосфере по-разному. Собственно почва является результатом совместной действия абиотических факторов (температура, гравитация, химический состав материнской породы и атмосферы определяющих характер химических и механических преобразований материнской породы) и биотических факторов (подвижность и продукты метаболизма живых существ, населяющих почву, изменяют характер химических и механических преобразований материнской породы).

Антропогенными факторами нужно считать любые воздействия, которые вызывает деятельность человека в природных экосистемах. В соответствии с характером деятельности антропогенные факторы бывают: сельскохозяйственные, транспортные, военные, промышленные и природоохранные.

Каждый отдельно взятый фактор может быть охарактеризован определенными параметрами, значения которых можно зарегистрировать визуально или инструментально. Параметры каждого фактора могут меняться в пространстве и времени. Такие колебания параметров сказываются на жизнедеятельности организмов.

В зависимости от диапазона, в котором организм или популяция способны воспринимать колебания параметров отдельных факторов, выделяют еврибіонтні и стенобіонтні системы. Еврибіонтами называют организмы (системы), способные существовать и воспроизводиться в широких пределах действия фактора. Например, рыжий таракан (прусак) может существовать и размножаться в условиях экстремальных температур, освещенности, химического состава атмосферы и т.д. Стенобіонтами есть организмы (системы), которые могут обеспечивать полноценное существование только в условиях узкого диапазона действия отдельных факторов. Так, все ендопаразити человека есть стенобіонтами относительно температуры (личинка аскариды человеческой), химического состава жидкости, окружающей паразита (печеночный сосальщиков), или других факторов.

Каждый экологический фактор, необходимый для поддержания метаболизма определенной живой системы, представляет собой ресурс. Ресурсами называют вещества, энергию и пространство, необходимые для удовлетворения потребностей организмов, популяций или экосистем.

Абиотические факторы

Свет является важнейшим абіотичним фактором на планете. Только солнечное излучение обеспечивает трофические потребности всех живых существ па планете. Вместе с гравитацией и радиационным облучением этот фактор является тем, к которому живая природа адаптируется на протяжении всего своего существования.

Солнце излучает в широком диапазоне волн (от ультрафиолетовых до инфракрасных). Видимая человеческим глазом доля солнечных лучей составляет 40-50 % всего количества, достигающего поверхности Земли. Волны частотой менее 290 нм является в той или иной степени губительными для большинства живых организмов; значительное количество этих волн отражается озоновым слоем Земли. Более длинные волны проходят сквозь этот слой. Потребителями лучистой энергии Солнца является прежде всего автотрофні организмы, а именно - зеленые растения. Если на пути потока лучей находится зеленый листок, то частично этот поток им отражается, частично проходит сквозь листок, а частично поглощается последним.

Поглощенная энергия в значительной степени включается в ход фотосинтеза, но часть ее расходуется на нагрев листка. Во время фотосинтеза соответствующая часть энергии аккумулируется в виде энергии связей органических соединений. Способность зеленых растений к фотосинтетической ассимиляции углерода определяет хлорофилл. Диапазон волн, которые хлорофилл может привлечь, составляет 380-710 нм. В этом диапазоне находится только 44 % всей лучистой энергии, которая достигает поверхности планеты. Следует добавить, что для автотрофных прокариот, способных к фотосинтезу, максимум поглощения света достигает значения 890 нм. Объясняется это тем, что в состав таких организмов входит бактериохлорофилл с несколько другими, чем у растений, свойствами. Животные тоже требуют солнечного света. В частности, человеку оно необходимо для синтеза витамина D (лучи в диапазоне 250-300 нм).

По требованиям к свету организмы делятся на гелиофильни (светолюбивые), сциофільні (тиневитривала) и геліофобні (ночные). К первым относятся все фотосинтезуючі растения и некоторые виды животных, например, дневные насекомые. Ко вторым - отдельные виды растений (например, мхи) и животных. В определенной степени к таким организмам можно отнести и человека. Геліофобними есть некоторые виды животных, которые ведут ночной образ жизни (летучие мыши) или живут в пещерах, почве (кроты).

На человеческий организм значительное влияние производят ультрафиолетовые промені. их интенсивность сильно колеблется в зависимости от сезона, времени суток, высоты над уровнем моря, погодных условий и т.д. Например, если лучи Солнца направляются под углом 30°, то интенсивность ультрафиолетового облучения становится вдвое меньше, чем днем.

Загар, которая возникает у людей со светлым цветом кожи после длительного облучения ультрафиолетовыми лучами, можно рассматривать как фенокопію генетически определенного темного цвета кожи. В то же время это явление относится к адаптивных реакций организма. Роль такой адаптации заключается в повышении пороговой еритемної дозы облучения (эритема-физиологическое покраснение кожи). При этом утолщается роговой слой облученных участков кожи и накапливается в ней меланин вследствие усиления его выработки и миграции из базальных клеток к поверхности. Существует прямая корреляция между продолжительностью и интенсивностью ультрафиолетового облучения кожи человека и частотой заболеваний раком кожи. Этот показатель зависит от географической широты, на которой живут люди, потому что она влияет на дозу ультрафиолетового облучения.

Тепло является существенным фактором, который определяет возможность протекания биохимических процессов, ведь белки-ферменты, контролируют ход этих процессов, функционируют только в определенных температурных пределах. Растения в большой степени зависят от тепловых ресурсов, поскольку они имеют очень незначительные возможности корректировать температуру. У растений тропических широт есть достаточно много приспособлений для того, чтобы предотвращать перенагріванню, а у растений умеренных широт это происходит преимущественно путем транспирации. Снижение температуры до критических пределов заставляет растения сбрасывать листья. Растения относятся к ектотермних организмов (тех, чья температура зависит от температуры окружающей среды). В отличие от них, ендотермні организмы имеют более мощные механизмы контроля за собственной температурой. Животных разделяют на холоднокровных (пойкілотермних) и теплокровных (гомойотермних).

Механизмы регулирования температуры в растений, грибов, дроб'янок и животных принципиально отличные. У растений при высоких температурах процессы дыхания начинают протекать значительно быстрее, чем реакции фотосинтеза, и они погибают от голода". У животных высокие температуры вызывают "тепловой шок", из которого они могут выйти при снижении температуры. Человек не имеет механизмов, которые помогли бы ей приспособиться к жизни в условиях постоянно высоких температур без применения вспомогательных средств и мероприятий. Популяции, которые веками живут в пустынных регионах планеты с жарким климатом, научились определенным образом использовать одежду, жилье, менять поведение в течение суток, но биологическая адаптация здесь невозможна.

Температуры, при которых замерзает вода, губительны прежде всего для ектотермних организмов за то, что цитоплазматическая вода кристаллизуется и грани кристаллов могут повредить мембраны органелл или клеточные оболочки. Но кристаллизация воды приводит еще и к повышению концентрации растворенных в ней веществ. Последнее существенно нарушает нормальный баланс метаболитов и ферментов, вследствие чего могут прекратиться жизненно важные биохимические процессы.

Чем больше отклонение температуры в ту или другую сторону от оптимальных значений, тем большую долю энергии ендотермні организмы тратят на поддержание постоянной температуры тела. При незначительном охлаждении сердечная деятельность меняется путем увеличения силы и количества сокращений, а при значительном охлаждении нарушается возбудимость и проводимость миокардиоцитов. В почках млекопитающих тормозится реабсорбция при снижении температуры тела до 23-20 °С, а фильтрация - при 19 °С. Условные рефлексы у собак угасают при температуре 30-27 °С. При температуре головного мозга 22-21 °С еще регистрируются биотоки. Ендотермні организмы способны эффективно корректировать температуру своего тела в пределах выносливости, но это требует больших затрат энергии.

У человека есть совершенные способы терморегуляции, например, формирование жировых прослоек, коррекция обмена жиров и углеводов, усиленная работа мышц и т.д. Современный человек адаптируется к меняющихся температурных условиях прежде всего за счет культурных и социальных приспособлений - одежды, жилья, обогрева и т.д. При многократном воздействии повышенных температур организм человека улучшает функционирование системы кровообращения, более эффективной становится терморегуляция. Такая быстрая адаптация к высоких температур отражает эволюционный путь человека как вида, который зародился в экваториальных условиях.

По отношению к действию температурного фактора живые организмы разделяют на теплолюбивые и холодостойкие. Первые живут преимущественно в тропических широтах, вторые - в условиях умеренного и холодного климата. Человека с точки зрения его биологических свойств следует отнести к холодостойкой видов, несмотря на наличие у нее соответствующих адаптационных механизмов. Устойчивость к холоду некоторых групп людей является приобретенной чертой, в основе которой лежат физиологические приспособительные механизмы.

Еще одна закономерность, связанная с влиянием температуры, проявляется в географическом распространении животных. Так, абсолютное большинство видов хладнокровных обитает в тропических условиях, а в направлениях к полюсам число видов хладнокровных резко уменьшается.

Ионизирующее излучение.

В природе существует много веществ, содержащих радиоактивные элементы (радий, торий) или радиоактивные изотопы углерода, водорода, калия и других химических элементов. Эволюция органического мира и человека происходила на фоне определенных доз облучения, которое получает каждое живое существо. Эти дозы составляют естественный радиоактивный фон. К их влиянию организмы в той или иной степени адаптированы. Уровень восприятия организмом воздействия излучения определяет его радиочувствительность. Этот показатель может значительно варьировать как в пределах вида, так и внутри организма. Например, мышечная ткань человека имеет наименьшую радиочувствительность.

Радиоактивные изотопы могут попадать в пищеварительную систему человека вместе с пищей. Отдельные изотопы (стронций-90) быстро всасываются и оседают в соединительной ткани. Радиоактивное излучение является сильнейшим мутагенним фактором. У человека определенная доля мутаций возникает под влиянием естественных источников радиации. Особенно опасным является воздействие радиоактивного излучения на половые клетки. Антропогенное распространение в экосистемах радиоактивных изотопов может вызвать локальное усиление мутагенеза. Проблемы влияния излучения на состояние окружающей среды и здоровье человека стали чрезвычайно актуальными в XX в. Сначала изобретение рентгеновского излучения, а затем ядерного оружия, внедрение атомной энергетики привели к резкому повышение радиоактивного облучения отдельных категорий людей. Это персонал, который имеет дело с оборудованием или технологиями, в которых применяют радиоактивные изотопы, а также военнослужащие или гражданское население, которое подверглось облучению в ходе учебных взрывов ядерных бомб, техногенных аварий и т.п.

Во время исследования хромосом соматических клеток у людей, переживших атомную бомбардировку в Хиросиме и Нагасаки, было установлено, что среди лимфоцитов клетки с радиационно зависимыми хромосомными аберрациями сохранялись на протяжении 30 лет. Количество клеток с измененной структурой хромосом была пропорциональна полученной дозе облучение.

Авария на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г. привела к проникновению в атмосферу (впоследствии - в воду, почву) значительного количества радиоактивных элементов. Конечно, метаболические процессы в живых организмах, способность атмосферы и гидросферы разбавлять концентрацию изотопов не могут' нейтрализовать негативных последствий этого бедствия. Определенная часть радиоактивных изотопов, которые через трофические цепи попали в живые организмы, будут продолжать циркулировать в экосистемах еще длительное время. Человек прежде всего становится объектом накопления радиогенных мутаций, которые являются причиной многих заболеваний. Отдельно следует упомянуть и о том, что некоторые методы медицинских обследований пациентов также являются источником их дополнительного облучения.

Вода является средой, в котором протекает большинство метаболических процессов живых организмов. Наземные организмы живут в воздушной среде, где содержание воды намного ниже, чем в самих организмах, поэтому все они теряют воду путем испарения и выделения. Для них важным параметром является влажность воздуха. Растения способны компенсировать випаровувану воду путем поглощения ее с помощью корневой системы, а животные вынуждены употреблять пищу, богатую на воду, или пить.

Влияние воды как экологического фактора часто невозможно отделить от влияния температуры. Так, высокая влажность при низкой температуре или, наоборот, низкая влажность при высокой температуре одинаково ограничивают функционирование организмов.

По требованиям к влаге выделяют гидрофильные организмы (наземные моллюски, комары), мезофильные (все млекопитающие, в том числе и человек) и ксерофільні (рептилии, некоторые грызуны). Недостаток воды в организме животных и человека может быть отрегулирована благодаря следующим механизмам. Поведенческая компенсация основана на рефлекторно определенном поисковые источников воды. Морфологическая компенсация основана на задерживании в организме максимально возможного количества воды (в тканях или органах). Биохимическая компенсация основана на образовании метаболической воды путем биохимических реакций (например, горб у верблюда, где накапливаются липиды, служит источником метаболической воды). Совокупный эффект действия этих механизмов проявляется на уровне отдельных приспособительных реакций. Например, у некоторых животных имеет место летняя спячка. Рыбы, обитающие в пересыхающих водоемах, после откладывания икры погибают, а засушливый период выдерживают икринки, что позволяет сохраниться вида. За способностью организмов выдерживать колебания увлажненности они делятся на гідростабільні и гідролабільні виды. Гідростабільні виды имеют более совершенны, а гідролабільні - менее совершенные механизмы компенсации недостатка и избытка влаги.

Особого внимания заслуживает уровень кислотности воды и почвенного раствора. Повышенная кислотность влияет на организмы прямо или косвенно. В первом случае ухудшаются механизмы регуляции осмотического давления, работа отдельных ферментов. Во втором случае низкие значения рН воды могут вызвать накопление в клетках токсичных ионов (алюминия, свинца и т.д.). Для водных и почвенных животных кислая среда может означать уменьшение доступных пищевых ресурсов через угнетение развития в почве источников питания. Колебания кислотности и солевого состава почвы может сказываться также и на состоянии здоровья людей, проживающих в соответствующей местности. Так, растительная продукция, выращенная на щелочных почвах, содержит меньше железа, марганца и фосфора вследствие того, что эти элементы находятся в таких почвах в связанной форме, недоступной корням растений. Рыба, выращенная в водоемах с повышенной кислотностью, накапливает избыток алюминия.

Через трофические цепи определенные химические элементы попадают в организм человека, накапливаются в нем в значительной количестве, и это может стать причиной развития заболеваний. Поэтому при решении медицинских задач разного уровня (от постановки диагноза больному в выбора мер общественной профилактики в регионе) следует учитывать эти обстоятельства.

Ряд проблем для организмов создают присутствующие в почвенном растворе или в воде минеральные соли, если концентрация их существенно превышает таковую в тканях. При этом вследствие осмоса ткани могут обезвоживаться. Предотвратить обезвоживание помогает энергозатратная работа мембранных структур.

Воздух - это среда обитания многих видов организмов и в то же время источник кислорода, углекислого газа, иногда - азота. Кислород является ресурсом и для растений, и для животных, а углекислый газ - только для фотосинтезирующих растений. По требованиям к наличию в окружающей среде свободного молекулярного кислорода все организмы разделяют на аэробные и анаэробные. Особый статус имеют аэробные организмы, живущие в водной среде, ведь усвоение кислорода происходит у них не из газового, а из водной среды. Чем выше температура воды, тем хуже в ней растворяется кислород, а следовательно и водные животные чувствуют себя в ней хуже. В стоячих водоемах с большим содержанием органических остатков растворенного кислорода вообще очень мало. Вследствие дыхания микроорганизмов в жаркий период в реках с медленным течением и в стоячих водоемах часто наблюдается массовая гибель рыбы. Это обстоятельство следует учитывать при оценке роли паразитологічної таких водоемов или рек.

Животные и человек постоянно тратят кислород в ходе дыхательного обмена, поэтому уровень кислорода в организме всегда ниже, чем в атмосфере. Проникновение кислорода путем диффузии возможно лишь на расстояние не более 1 мм, поэтому макроорганізми имеют циркуляторні системы, которые обеспечивают перенос кислорода, связанного с молекулами-носителями, от поверхностных слоев тканей в глубоких.

В атмосфере кислород распределен равномерно, но с увеличением высоты над уровнем моря его концентрация и парциальное давление закономерно уменьшается, что отражается на физиологических параметрах человеческого организма. Кислородная емкость крови у людей, живущих на уровне моря, составляет около 21 %, а на высоте, превышающей 5000 м над уровнем моря, 30 %. Если человек, привыкший к жизнь на уровне моря, попадает в горы, то постепенно ее гемоглобин начинает интенсивнее связывать кислород, а емкость крови несколько увеличивается. Одновременно адаптивные процессы касаются объема легких, размера сердца, развития капиллярной сетки и некоторых других физиологических и биохимических показателей человеческого организма. У взрослого неадаптованої (например, если она ведет малоподвижный образ жизни) человека, который постоянно живет на уровне моря, когда она попадает на высоту около 1500 м, начинается одышка. У людей, адаптированных к условиям высокогорья, начиная с высоты 3500 м происходят определенные изменения в организме (формируется адаптивный экотип).