Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Адаптационные возможности биосистем
ВВЕДЕНИЕ
Технократическая направленность прогресса человеческой цивилизации с одной стороны привела к глобальному загрязнению природной среды, а с другой стимулировала развитие технических, инструментальных методов оценки состояния экосистем. Аналогичная ситуация происходит с литературным героем Мюнхгаузеном, когда он пытается вытащить себя из болота за волосы. Не отрицая ценности и необходимости разработки технических методов оценки компонентов окружающей среды, важно понять, что в конечном итоге поражается, страдает и гибнет живой организм: птица, рыба, жучок, растение. Естественно, что сохранение жизни как отдельного организма, так и биосферы является единственной и конечной целью любой системы мониторинга. В связи с этим все очевидней становится необходимость накопления биологических знаний об устойчивости к антропогенным воздействиям биосистем в зависимости от уровня их организации и экологизации всех разрабатываемых технических средств и выпускаемых нормативов. Биоиндикационные методы оценки состояния окружающей среды, довольно интенсивно разрабатываемые во всем мире в последние 20-30 лет, наиболее адекватно отражают проблемы живой природы и при достаточно широком распространении могут быть использованы как отдельными членами общества, так и заинтересованными в сохранении естественной природы социальными организациями. Явный недостаток доступной для широкого понимания информации в этом направлении стимулировал автора к подготовке предлагаемого издания, которое может быть интересно как для специалистов, работающих в этой области, так и всех тех, кто заинтересован в сохранении естественной среды обитания, обеспечивающей полноценную жизнь наших детей. Автор выражает благодарность за помощь и поддержку при написании и издании этой книги А.Л. Мерзлякову, Г.Ф. Плеханову, О.Г. Нехорошеву, Л.А. Ивановой, А.К. Баскурян, И.В. Мигалкину, А.Н. Галкину, В.К. Савицкому и всем тем, кто способствовал выходу настоящего издания “Биоиндикация экологического состояния окружающей среды”.
БИОИНДИКАЦИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Использование биологических изменений окружающей среды с целью оценки и прогноза ее состояния началось с первых шагов человека. Ведь именно совокупность биоиндикационных представлений о поведении животных лежала в основе успешной охоты. Только биологические знания экологии зерновых позволили нашим предкам отобрать и селекционировать будущие сельскохозяйственные культуры. Несколько утрируя, можно сказать, что выживаемость первобытной человеческой популяции всецело зависела от «биоиндикационных» познаний первобытного человека. Эти знания накапливались, передавались в устной, культовой — шаманство: поклонение духам растительности и животных — и письменной формах из поколения в поколение. Развитие городов, технический прогресс, создание искусственной среды обитания человека изменили взаимоотношения человека с природой, выдвинув на первое место технические средства контроля за окружающей средой. Необходимость соотношения измеряемых параметров физико-химического состояния среды с их биологическим значением стимулировала биоиндикационные исследования в русле научно-технических представлений. Наверное, первый достаточно широко известный биоиндикатор был описан Ч. Дарвином — эффект меланизма городских бабочек, т.е. изменение в результате естественного отбора более темной окраски бабочек, мимикрирующих под темную кору закопченных городских деревьев. В середине XIX века описаны повреждения растений дымом вокруг английских содовых фабрик. В ряде европейских стран изменения в морфологии растений при увеличении химически активных веществ используются в национальной системе мониторинга.
Устойчивость биосистем
Успешное использование биоиндикаторов для оценки состояния окружающей среды основывается на ряде эмпирических представлений. Первое — устойчивость биосистем к любому повреждающему фактору среды может быть представлена в виде убывающего ряда биологических форм. Второе — для всех биологических систем характерен принцип универсальности, следовательно, всегда возможен перенос наблюдаемых изменений от одного вида биосистем к другому. Третье — эмоциональная убедительность, когда вы видите в середине лета пожелтевшую траву, пустой без птичьих голосов сад, массовое размножение гусениц, отсутствие рыбы в пруду или речке, вы отчетливо осознаете, насколько вредно жить там, где вы живете. В современной биологии принятой считается концепция об уровнях организации биосистем: так начальный уровень организации биологических систем принято считать молекулярным, а завершающим является биосферный. Под устойчивостью биосистем мы будем понимать способность биосистемы противостоять внешним изменениям среды в целях самосохранения. Основываясь на таких самых общих представлениях, попытаемся графически представить устойчивость биосистем в зависимости от уровня их организации (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость устойчивости биосистем от уровня их организации.
Несомненно, что молекулярный уровень: вирусы, нуклеиновые кислоты, белки, аминокислоты — по степени своей устойчивости сравним с неживой материей. Следующий уровень — клеточный: микробы, одноклеточные, водоросли и т.д. — обладает также высокой степенью устойчивости вследствие своей способности образовывать споры. Последующие: органоидный (специализированные органы: сердце, печень, почки, легкие...) и физиологический (физиологические системы: кровеносная, нервная, иммунная) уровни выделены условно в подтверждение идеи о том, что устойчивость всех внутренних органов организма выше устойчивости всего организма. Начиная с организменного уровня, устойчивость сообщества биоценоза и биосферы определяется их способностью к созданию относительно постоянной биотической и абиотической среды, в которой возможны существование организмов и эволюция популяций. Следовательно, от молекулярного до популяционного уровня организации живой материи устойчивость биосистем определяется в большей степени их приспосабливаемостью, т.е. пассивной защитой. Начиная с уровня сообщества, характер биологических механизмов, обеспечивающих устойчивость, становится принципиально другим — активным, создаются системы круговоротов веществ, энергии и информации, обеспечивающих стабильность биосферы. Создаются природоохранные экраны: озоновый, углекислый; обеспечивается цикличность климатических условий планеты. И в этих условиях сформировавшейся биосферы «разменной монетой» стабильности экологической среды становится организм, т.к. это наиболее неустойчивая, а значит, и наиболее пластичная единица структурной организации биосферы.
Биоиндикационная чувствительность органов Организменный уровень биоиндикационной Чувствительности
Основной наблюдаемой единицей на уровне организмов является особь, семья или группа особей. Наиболее чувствительной реакцией — комплекс поведенческих изменений, позволяющих выжить особи при изменившихся внешних условиях. Хорошо выраженные реакции можно наблюдать у пресноводной амебы в зависимости от концентрации растворенных в воде химических веществ. При низкой концентрации токсических веществ амеба сокращает свои ложноножки, при увеличении концентрации она превращается в клубок и затем погибает. Под микроскопом можно наблюдать за увеличением частоты сокращений так называемой пульсирующей «вакуоли» амебы в зависимости от концентрации токсических веществ в окружающей организм среде. Основная функция сократительной вакуоли — регуляция осмотического давления внутри тела простейшего, поэтому при попадании токсических веществ в организм амебы сократительная активность пульсирующей вакуоли увеличивается. Большое разнообразие в поведении характерно для пауков. В настоящее время насчитывается около 50–60 тысяч видов пауков, заселивших практически все возможные экологические ниши, занятые насекомыми. Являясь хищниками, пауки концентрируют в своем организме токсические вещества, изменяющие их поведение. Особый интерес в биоиндикационном отношении представляет строительная деятельность пауков. Пауки строят свои ловчие сети на деревьях, траве, в норках. Паутиной обернуты и коконы с яйцами у бегающих пауков. Из паутины строятся семейные домики, в которых паучата проводят свои первые 2–3 личиночные стадии. Вся строительная деятельность пауков может быть промерена, сфотографирована, снята на видеокамеру в природных условиях с различной антропогенной нагрузкой и в модельных условиях при дозированных воздействиях физических, химических и биологических факторов. Особый интерес представляют структурированные сети, т.е. ловчие сети пауков, имеющих вполне определенную структуру, характерную для каждого вида крестовиков (Araneidae). Ловчую сеть пауки-крестовики начинают строить после выхода из семейного домика — третья личиночная стадия. Для каждой возрастной стадии пауков существует, как нам удалось установить, типично-характерная структура паутины. С наступлением половозрелости ловчие колесовидные сети плетут в основном только самки, самцы заняты поиском самок и выполнением своей репродуктивной функции. Восстановление ловчих сетей происходит при отсутствии дождя ежедневно. Нарушенные в течение предыдущего дня участки паутины съедаются, т.к. паутинные нити преимущественно состоят из аминокислот. Как правило, восстановление паутины происходит в утренние предрассветные часы: в 5–7 часов (рис. 5, 6).
Повсеместная распространенность пауков-крестовиков от тундры до пустыни, хорошая наглядность ловчих сеток, особенно утром, когда капельки росы как бы проявляют тонкую структуру паутины, небольшое количество времени, необходимое для набора статистического материала, — все это делает ловчую сеть пауков одним из привлекательных биоиндикационных экспресс-методов. В России обитает от 10 до 18 видов рода крестовиков (Araneus). Наиболее распространенным и, по нашему мнению (Карташев, Галкин, 1991), являются пауки: крестовик-обыкновенный и крестовик мраморный. Экологическая приспосабливаемость крестовика мраморного шире приспосабливаемости крестовика обыкновенного. Наличие специального убежища из свернутых листьев и сигнальной нити позволяет крестовику мраморному строить свои сети как в лесу, так и на открытых местах, не рискуя быть заметной добычей для птиц на ловчей сети, что характерно для крестовика обыкновенного. Строя свои сети на относительно открытых пространствах, пауки подвергаются влиянию тех антропогенных факторов, которые существуют в данной местности: радиации, электромагнитных полей, химических веществ, аэрозолей, которые вместе с конденсатом накапливаются на клейких ловчих сетках паука и поедаются вместе с нарушенными участками ловчей сети. Являясь хищниками, пауки способны концентрировать в своем теле тяжелые металлы и токсические вещества, нарушающие поведение животного. Необходимо отметить, что все алгоритмы пищевой деятельности животного фиксируются в структуре ловчей сетки. При необходимости можно легко узнать, чем и в каком количестве питается паук, т.к. жертвы удачной охоты также фиксируются с помощью паутины. Ежедневное возобновление строительства ловчих сеток позволяет проследить динамику влияния одного либо комплексного действия антропогенных факторов. Анализ структуры паутины необходимо проводить рано утром, когда она еще покрыта росой, хорошо заметна и не нарушена попавшими в нее насекомыми. В искусственных условиях пауки хорошо плетут паутины в садках размером 1 куб. м из марли или оконной сетки с выдвигаемыми стенками. В таких садках можно исследовать дифференциальную чувствительность, устойчивость пауков и форму структуры их ловчих сеток в зависимости от концентрации токсичных веществ или уровня физических воздействий. Экспериментальное построение аналогичных калибровочных кривых значительно повышает достоверность интерпретации биоиндикационных оценок в природных условиях. Схема типичной ловчей сети паука-крестовика представлена на рис. 7. Центральная зона заплетена неклейкими нитями, и количество витков в центральной зоне является видовым признаком рода пауков-крестовиков. Далее следует незаплетенный промежуток так называемой свободной зоны, после которой следуют клейкие витки ловчей зоны, натянутые на радиусы, исходящие из центральной зоны. Для количественной оценки структуры ловчей сети пауков-крестовиков нами использовались следующие показатели: высота центра над землей, число радиусов — верхних, нижних, длина радиусов, число витков центральной зоны, вертикальный и горизонтальный диаметры центральной зоны, вертикальный и горизонтальный размеры свободной зоны, вертикальный и горизонтальный размеры ловчей зоны, число ловчих нитей в секторах — по горизонтали и вертикали, расстояние между ловчими нитями, количество и тип отклонений или «аномалий» в структуре ловчей сетки паука. Анализ примерно 10 тысяч ловчих сетей пауков-крестовиков (A. mormoreus) позволил нам выделить достаточно типичные аномалии в структуре ловчих сетей (рис. 8, 9, 10, 11).
Полностью аномальная сеть, сектор которой представлен на рис. 9, А, характерна для патологически больного паука, на которого экологическая среда, токсические вещества или радиация повлияли в такой степени, что животное не способно плести нормальную сеть и скорее всего умрет. Изменения в структуре ловчих сетей, определенные нами как «аномалии», отражают нарушения в поведении паука.
Следовательно, вся картина дифференцированной адаптации, позволяющей различить тип воздействующего фактора, протекает в диапазоне структурных различий ловчей зоны пауков от К до А (рис. 9). В экспериментальных условиях при искусственном облучении пауков в дозе от 10 до 100 Р/час нами были получены аномалии типа F, проявляющие себя в незаплетении одного, двух или трех секторов ловчей зоны пауков-крестовиков. Необходимо отметить, что пауки очень устойчивы к действию радиации.
В наших экспериментах пауки на 100 % погибали только при дозе облучения, равной 1500 Р/час, в то время как нормальной фоновой дозой является 12 мкР/час. При искусственном облучении возрастает количество различного типа аномалий — чем выше доза, тем чаще встречаются аномалии типа F и А (рис. 9). При обследовании одного из районов Петропавловска-Камчат-ского нами было обнаружено увеличение частоты встречаемости «радиационных» аномалий. Последующее выяснение обстановки привело к локализации одной из баз атомных подводных лодок.
Т а б л и ц а 2 Животных
Рыбы. Наиболее чувствительной формой поведения рыб при изменении физико-химических свойств водоемов является нерестовая миграция промысловых рыб: лосося, сига, осетра, стерляди, муксуна, хариуса. Известно, что наиболее ценные породы рыб мечут икру в чистой воде при максимальной концентрации в воде кислорода. Ориентация к месту нерестилищ происходит у рыб с помощью органов боковой линии и химических рецепторов. Естественно, что всякое химическое и электромагнитное загрязнение рек и озер нарушает нерестовую миграцию рыб. Так, в Томской области в результате активной добычи нефти и загрязнения рек, по данным А.Н. Гундризера, нарушена сезонная миграция осетровых. Полупроходная рыба муксун поздней осенью проходила на нерест в реки Томь, Чулым и другие малые реки. Регулярные сбросы в Томь токсических веществ, включавших фенолы и другие органические соединения, промышленностью Кемеровской области привели к загрязнению реки Томи и отсутствию нерестовых косяков муксуна. Муксун стал нереститься в низовьях рек Томи и Оби. Перестроечная волна закрытия предприятий значительно снизила количество сбрасываемых токсических веществ в реку Томь. И в течение 1993–1997 гг. наблюдается увеличение численности нерестящихся косяков муксуна в Томи. Аналогичная ситуация наблюдается и в некоторых малых реках Кемеровской области, в которых за последние пять лет появились не встречавшийся там более 30 лет хариус, таймень и речная минога. Современное строительство нефтепроводов и газопроводов, пересекающих речные бассейны, и сопутствующая им антикоррозийная электрохимическая защита трубопроводов, подающая на поверхность трубы электростатический потенциал: 8–36 В, а в случае появления коррозии и ток, равный 2 А, также препятствуют нерестовой миграции рыб. По нашим данным, в области нефтепровода наблюдается задержка сезонной и нерестовой миграции: для стерляди — в 2–3 раза, для муксуна — в 3–6 раз. По данным А.В. Яблокова, электрические поля пересекающих Волгу высоковольтных линий электропередачи также нарушают миграцию осетровых рыб. Экспериментальные исследования показали, что незначительное количество ДДТ и хлорофоса вызывает угнетение дыхания и авитаминоз у беспозвоночных гаммарид и рыб. Сотрудниками МГУ разработана методика контроля качества воды при фенольном загрязнении, основанная на характерном изменении поведения рыб. При использовании в качестве индикатора рыб Мicropterus salmoiles регистрировались в воде концентрации ртути — 0, 05 мг/л, меди — 0, 05 мг/л, кадмия — 0, 2 мг/л, фенола — 0, 5 мг/л, аммония — 1 мг/л, цианидов — 0, 05 мг/л. Значительное повышение загрязненности водоемов органическими отходами тяжелых металлов и радионуклидами приводит к изменению морфологии организма рыб. Наиболее значительные изменения наблюдаются в плавниках рыб, особенно в спинном плавнике. По данным Т.В. Юраковой (1998), в спинном плавнике, как правило, происходит сокращение числа отростков — у гольяна в реке Казанке Томской области, но иногда наблюдается и увеличение. Интересную трансформацию, по данным тех же авторов, претерпел карась, обитающий в речке с повышенной радиоактивностью в г. Северске. Как известно, караси — гермафродиты, т.е. у них имеются и женские и мужские половые органы, однако, начиная с 1990 г., в речке регулярно отлавливают разнополых карасей. Земноводные и пресмыкающиеся. Предки всех сухопутных позвоночных — лягушки, жабы, тритоны, змеи, ящерицы, полозы, черепахи и крокодилы, наверное, в большей степени, чем остальные виды, подвергались отрицательному антропогенному влиянию. И почти повсеместно взяты под формальную или реальную охрану. Сокращение их мест обитания отрицательно сказывается на численности их популяций и видовом разнообразии. Поэтому само наличие этих представителей в природной среде можно рассматривать в качестве индикатора относительного экологического благополучия. По данным американских исследователей, полициклические ароматические углеводы (ПАУ), попадающие в водоемы с нефтью, у хвостатых амфибий (Ambistoma trigrinum) вызывают в коже новообразования и цисты. Так, по данным В.Н. Курановой (1992 г.), в рай-оне г. Северска Томской области морфологические уродства у сеголеток остромордой лягушки достигают 34–46%. Наиболее выраженные аномалии в развитии амфибии отмечаются в районе впадения водного сброса радиохимических отходов в р. Томь — Чернильщиково: необычная пигментация кожных покровов ~ 2%; врожденные уродства конечностей — отсутствие части или всей передней и задней конечности ~ 4%; повышенная васкуляризация кожи животных ~ 45%, выражающаяся в расширении капилляров и мелких сосудов, множественные кровоизлияния под эпидермисом амфибий и т.д. В качестве одного из эмбриотропных биотестов достаточно часто используется икра амфибий, позволяющая в зависимости от стадии ее созревания по количеству отклонений и уродств оценивать степень антропогенного воздействия на наблюдаемую популяцию. В большей степени поведение рептилий используется при прогнозировании стихийных бедствий: оползней, наводнений, землетрясений. В исследованиях китайских и казахстанских ученых собран обширный материал по миграциям рептилий, нарушению их зимней спячки и другим изменениям в поведении животных в период времени, предшествующий землетрясению. Птицы. Относятся к классу позвоночных животных, тело их покрыто перьями, передние конечности преобразовались в крылья. Для птиц характерен энергичный обмен веществ. Им свойственны сложные формы групповой организации, поведения и сигнализации, обеспечивающие эффективность размножения, кормодобывания и миграцию. По отношению к местообитанию птицы консервативны. Каждый вид и подвид занимает определенный район. Гнездование птиц ежегодно происходит на определенном участке — гнездовой территории. Перелетные птицы, как правило, возвращаются к месту своего гнездования. Естественно, что особенности гнездовой экологии птиц широко используются в качестве индикатора экологического состояния района. Наряду с изучением естественных кладок орнитологами используются искусственные гнездовья-скворечники со съемными верхними крышками, позволяющими регулярно проводить наблюдения за величиной кладки яиц, числом вылупившихся птенцов, их развитием, питанием и сроками вылета. В скворечниках, как правило, в зависимости от типа биотопа, поселяются скворцы, воробьи и другие птицы — дуплогнездники: синицы, горихвостки, поползни, мухоловки и т.д. Скворечники позволяют осуществлять контролируемый полевой эксперимент: их можно выставить в необходимом для статистической обработки количестве, ставить на территориях, которые интересуют эколога. Следовательно, данный метод может быть рекомендован в качестве одного из важных показателей экологического мониторинга. В наших многолетних исследованиях, проводимых О.Г. Нехорошевым под ЛЭП-500, было установлено отрицательное влияние переменного электрического поля ЛЭП на заселяемость скворечников, рост и развитие птенцов. Известны факты отрицательного воздействия ДДТ на истончение скорлупы у многих хищных птиц: орлана-белохвоста, бурого пеликана. В колонии бурого пеликана массовая гибель яиц была связана с раздавлением яиц с тонкой скорлупой птицами, сидящими в гнезде (Кулини, 1981). Для большинства птиц характерны весенне-осенние миграционные перелеты. Последние десятилетия миграциям птиц посвящены многочисленные исследования орнитологов всего мира. Разрушение мест гнездования птиц, изменения климатических условий, загрязнение среды обитания птиц — все это нарушает древние пути миграции птиц и используется в качестве биологических индикаторов глобального экологического нарушения биосферы. Загрязнений
О к о н ч а н и е
Рис. 17. Типы изменения численности популяции беспозвоночных в зависимости от расстояния от источника выбросов (Козлов, 1990): d — численность популяции, R — расстояние от источника выбросов ( интенсивно- сти техногенной нагрузки).
К общему количеству твердых частиц — пыли чувствительны уховертки, Rk = – 0.7. Пластинчатоусые чувствительны к содержанию в пыли цинка, Rk = – 0.43, свинца, Rk = – 0.52 и кадмия, Rk = – 0.58.
ВВЕДЕНИЕ
Технократическая направленность прогресса человеческой цивилизации с одной стороны привела к глобальному загрязнению природной среды, а с другой стимулировала развитие технических, инструментальных методов оценки состояния экосистем. Аналогичная ситуация происходит с литературным героем Мюнхгаузеном, когда он пытается вытащить себя из болота за волосы. Не отрицая ценности и необходимости разработки технических методов оценки компонентов окружающей среды, важно понять, что в конечном итоге поражается, страдает и гибнет живой организм: птица, рыба, жучок, растение. Естественно, что сохранение жизни как отдельного организма, так и биосферы является единственной и конечной целью любой системы мониторинга. В связи с этим все очевидней становится необходимость накопления биологических знаний об устойчивости к антропогенным воздействиям биосистем в зависимости от уровня их организации и экологизации всех разрабатываемых технических средств и выпускаемых нормативов. Биоиндикационные методы оценки состояния окружающей среды, довольно интенсивно разрабатываемые во всем мире в последние 20-30 лет, наиболее адекватно отражают проблемы живой природы и при достаточно широком распространении могут быть использованы как отдельными членами общества, так и заинтересованными в сохранении естественной природы социальными организациями. Явный недостаток доступной для широкого понимания информации в этом направлении стимулировал автора к подготовке предлагаемого издания, которое может быть интересно как для специалистов, работающих в этой области, так и всех тех, кто заинтересован в сохранении естественной среды обитания, обеспечивающей полноценную жизнь наших детей. Автор выражает благодарность за помощь и поддержку при написании и издании этой книги А.Л. Мерзлякову, Г.Ф. Плеханову, О.Г. Нехорошеву, Л.А. Ивановой, А.К. Баскурян, И.В. Мигалкину, А.Н. Галкину, В.К. Савицкому и всем тем, кто способствовал выходу настоящего издания “Биоиндикация экологического состояния окружающей среды”.
БИОИНДИКАЦИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Использование биологических изменений окружающей среды с целью оценки и прогноза ее состояния началось с первых шагов человека. Ведь именно совокупность биоиндикационных представлений о поведении животных лежала в основе успешной охоты. Только биологические знания экологии зерновых позволили нашим предкам отобрать и селекционировать будущие сельскохозяйственные культуры. Несколько утрируя, можно сказать, что выживаемость первобытной человеческой популяции всецело зависела от «биоиндикационных» познаний первобытного человека. Эти знания накапливались, передавались в устной, культовой — шаманство: поклонение духам растительности и животных — и письменной формах из поколения в поколение. Развитие городов, технический прогресс, создание искусственной среды обитания человека изменили взаимоотношения человека с природой, выдвинув на первое место технические средства контроля за окружающей средой. Необходимость соотношения измеряемых параметров физико-химического состояния среды с их биологическим значением стимулировала биоиндикационные исследования в русле научно-технических представлений. Наверное, первый достаточно широко известный биоиндикатор был описан Ч. Дарвином — эффект меланизма городских бабочек, т.е. изменение в результате естественного отбора более темной окраски бабочек, мимикрирующих под темную кору закопченных городских деревьев. В середине XIX века описаны повреждения растений дымом вокруг английских содовых фабрик. В ряде европейских стран изменения в морфологии растений при увеличении химически активных веществ используются в национальной системе мониторинга.
Устойчивость биосистем
Успешное использование биоиндикаторов для оценки состояния окружающей среды основывается на ряде эмпирических представлений. Первое — устойчивость биосистем к любому повреждающему фактору среды может быть представлена в виде убывающего ряда биологических форм. Второе — для всех биологических систем характерен принцип универсальности, следовательно, всегда возможен перенос наблюдаемых изменений от одного вида биосистем к другому. Третье — эмоциональная убедительность, когда вы видите в середине лета пожелтевшую траву, пустой без птичьих голосов сад, массовое размножение гусениц, отсутствие рыбы в пруду или речке, вы отчетливо осознаете, насколько вредно жить там, где вы живете. В современной биологии принятой считается концепция об уровнях организации биосистем: так начальный уровень организации биологических систем принято считать молекулярным, а завершающим является биосферный. Под устойчивостью биосистем мы будем понимать способность биосистемы противостоять внешним изменениям среды в целях самосохранения. Основываясь на таких самых общих представлениях, попытаемся графически представить устойчивость биосистем в зависимости от уровня их организации (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость устойчивости биосистем от уровня их организации.
Несомненно, что молекулярный уровень: вирусы, нуклеиновые кислоты, белки, аминокислоты — по степени своей устойчивости сравним с неживой материей. Следующий уровень — клеточный: микробы, одноклеточные, водоросли и т.д. — обладает также высокой степенью устойчивости вследствие своей способности образовывать споры. Последующие: органоидный (специализированные органы: сердце, печень, почки, легкие...) и физиологический (физиологические системы: кровеносная, нервная, иммунная) уровни выделены условно в подтверждение идеи о том, что устойчивость всех внутренних органов организма выше устойчивости всего организма. Начиная с организменного уровня, устойчивость сообщества биоценоза и биосферы определяется их способностью к созданию относительно постоянной биотической и абиотической среды, в которой возможны существование организмов и эволюция популяций. Следовательно, от молекулярного до популяционного уровня организации живой материи устойчивость биосистем определяется в большей степени их приспосабливаемостью, т.е. пассивной защитой. Начиная с уровня сообщества, характер биологических механизмов, обеспечивающих устойчивость, становится принципиально другим — активным, создаются системы круговоротов веществ, энергии и информации, обеспечивающих стабильность биосферы. Создаются природоохранные экраны: озоновый, углекислый; обеспечивается цикличность климатических условий планеты. И в этих условиях сформировавшейся биосферы «разменной монетой» стабильности экологической среды становится организм, т.к. это наиболее неустойчивая, а значит, и наиболее пластичная единица структурной организации биосферы.
Адаптационные возможности биосистем
Все биологические системы, независимо от их уровня организации, существуют в изменяющейся окружающей среде. Чтобы выжить и успешно преобразовывать косную среду, необходимо развить механизмы, позволяющие сохранять функциональную и структурную целостность живого в пределах изменчивости окружающей среды. В принципе это основная задача живого — выжить, что и осуществляется путем приспособления биосистем к среде или адаптацией. Адаптации как по каждому фактору, так и по совокупности факторов имеют определенные биохимические, физиологические, генетические и экологические пределы, предопределенные на генетическом уровне. Совокупность всех адаптационных характеристик организма, популяции, экосистемы и определяет их экологическую нишу, т.е. ту среду обитания, в которой возможно оптимальное развитие живых организмов. Если уровень воздействующих на организм факторов превышает адаптационные возможности биосистемы, происходит деградация, разрушение части или всей биосистемы. В последнее время в научной литературе достаточно широко используется термин «стресс». Под стрессом в широком биологическом смысле подразумевается реакция биосистемы на экстремальные (предельные значения адаптационных возможностей) воздействия факторов среды. С биоиндикационной точки зрения наибольший интерес представляет выявление таких экстремальных стрессовых воздействий, а также прогноз возможного уровня деградации биосистем. По мнению современных исследователей, существует по крайней мере шесть типов биоиндикационных реакций в зависимости от времени действия фактора (Stotker, 1980), изображенных на рис. 2, где: А — биоиндикатор через определенное время отвечает одноразовой сильной реакцией и затем теряет чувствительность; Б — после определенного времени воздействия — сильная одноразовая реакция, которая продолжается определенное время и исчезает; В — биоиндикатор реагирует с момента появления воздействия с одинаковой интенсивностью в течение длительного времени; Г — после немедленной сильной реакции наблюдается ее затухание; Д — реакция на воздействие медленно нарастает, достигает своего максимума и затухает; Ж — колебательный характер ответных реакций. В связи с тем, что все адаптивные реакции используют большое количество энергии при компенсации воздействующих факторов, можно установить несколько эмпирических правил компенсаторной адаптации. Чем большая интенсивность воздействующего фактора, тем больше энергетических ресурсов должна затратить биосистема на его компенсацию. Если фактор неизвестен биосистеме, то он не вызывает сигнальной — стимулирующей энергетику биосистемы — реакции, поэтому встраивается и ведет к разрушению биосистемы — мимикрирующий эффект: антропогенные факторы и синтезированные человеком новые химические вещества и радиоизотопы. Адаптация биосистемы к экстремальным воздействиям вследствие больших ресурсных затрат приводит к деградации биосистемы — ее упрощению. Что касается эволюционных адаптаций, т.е. приспособлений, обусловленных отбором, то для осуществления их требуется много времени. Так, по мнению Ч. Дарвина, эволюционная адаптация вьюрков на Галапагосских островах проходила в течение 1, 5 миллиона лет. Если принять за среднюю продолжительность жизни вьюрка 5 лет, то ясно, что потребовалось минимум 20–30 тысяч поколений птиц для успешной эволюционной адаптации. Как известно, современная биосфера формировалась в течение 3, 5 млрд. лет; относительно устойчивого состояния она достигла, по мнению В.Н. Вернадского, около 600 тыс. лет назад. Современные саванны в Африке и прерии в Америке возникли 30–40 тыс. лет назад в результате выжигания девственных лесов первобытным человеком, которые не восстановились до сих пор. Для восстановления кедровых лесов Сибири требуется 500–1000 лет. Средняя продолжительность жизни человека равняется 70–80 годам. В то же время техногенные воздействия стали экологическим фактором в последние 70–50 годам. Понятно, что за такой короткий срок эволюционно адаптироваться к антропогенным воздействиям реально могут только микроорганизмы и насекомые. Вероятно, они и останутся на Земле в случае развития глобальной антропологической экологической катастрофы.
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-31; Просмотров: 937; Нарушение авторского права страницы