Механизмы стабилизации живых систем

В клетке в течение всей ее жизни поддерживаются специфические физико-химические условия, отличные от условий окружающей среды. Способность биологических систем относительно противостоять изменениям и сохранять динамически относительное постоянство состава и свойств называется гомеостазом . Явление гомеостаза наблюдается на всех уровнях биологической организации. Способность биологических систем автоматически устанавливать и поддерживать на постоянном уровне те или иные биологические показатели называется саморегуляцией. При саморегуляции управляющие факторы не воздействуют на систему извне, а формируются в ней самостоятельно. Отклонение какого-либо жизненного фактора от гомеостаза служит толчком к мобилизации механизмов, восстанавливающих его. Например, повышение температуры тела в жару усиливает потоотделение, и температура тела снижается до нормы. Разнообразны проявления и механизмы саморегуляции надорганизменных систем – популяций и биоценозов. На этом уровне поддерживается стабильность структуры популяций, их численность, регулируется динамика всех компонентов экосистем в изменяющихся условиях среды. Сама биосфера является примером поддержания гомеостатического состояния и проявления саморегуляции живых систем. Всем организмам присуще свойство воспроизведения себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни.

Размножение у живых существ можно свести к двум формам: бесполому и половому. Древнейшая форма размножения – бесполое . Оно распространено у одноклеточных организмов, но может быть свойственно и многоклеточным грибам, растениям и животным (у высокоорганизованных животных встречается редко). Наиболее простая форма бесполого размножения характерна для вирусов. Их репродуктивный процесс связан со способностью к самоудвоению молекул нуклеиновых кислот. Применительно к другим организмам, размножающимся бесполым путём, различают размножение спорообразованием и вегетативное размножение . Размножение спорообразованием связано с образованием специализированных клеток – спор, которые содержат ядро и цитоплазму, покрыты плотной оболочкой и способны к длительному существованию в неблагоприятных условиях, дающих начало дочерним особям. Такое размножение характерно для бактерий, водорослей, грибов, мхов, папоротников. Вегетативное размножение – образование новой особи из части родительской. Происходит путем отделения от материнского организма части и превращения ее в дочерний организм. Свойственен многоклеточным организмам. Наиболее разнообразны формы вегетативного размножения у растений – черенки, луковицы, почки и т. д. У животных вегетативное размножение происходит либо путем деления, либо почкованием, когда на материнском организме образуется вырост – почка, из которой развивается новая особь. Почки могут отделяться от родительской особи или остаются соединенными с ней, в результате чего возникает колония (как у коралловых полипов). Может происходить фрагментация тела многоклеточного животного на части, после чего каждая часть развивается в новое животное. Такое размножение характерно для губок, гидр, морских звёзд и некоторых других организмов.

В половом размножении участвуют две родительские особи, внося по одной половой клетке – гамете. Каждая гамета несет половинный набор хромосом. В результате слияния двух гамет образуется зигота, из которой развивается новый организм. Зигота получает наследственные признаки обоих родителей. Наряду с раздельно полыми формами существуют группы животных и растений, имеющие и мужские, и женские половые органы в одном организме – гермафродиты (самоопыляющиеся растения: пшеница, ячмень и др.).

Задача размножения – передача последующим поколениям наследственной информации. Организм проходит все стадии индивидуального развития – онтогенез: растет, развивается, размножается, стареет, умирает. Изменение внешних условий может ускорить или затормозить развитие организма. Ограниченность индивидуальной жизни организмов – одно из необходимых условий для эволюции жизни на планете.

Надорганизменные системы (популяции, биоценозы, биосфера в целом) также способны воспроизводить самих себя, развиваться и изменяться с течением времени.

Действие принципа Ле Шателье в биосфере

Принцип Ле Шателье эмпирически был выведен для химического равновесия: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. Рассмотрим обратимую химическую реакцию, когда прямой процесс стимулирует обратный процесс.

2H 2 + O 2 2H 2 O + Q

Данная реакция протекает с выделением тепла. Можно оценить влияние разных факторов на состояние динамического равновесия (когда скорости протекания прямой и обратной реакций одинаковы). Если в предложенной системе понижать температуру, то согласно принципу Ле Шателье равновесие будет сдвинуто в сторону продуктов реакции, поскольку реакция экзотермическая. Если увеличивать температуру – то в сторону исходных веществ. При увеличении давления равновесие будет сдвинуто в направлении уменьшения давления в системе, т.е. в сторону продуктов реакции.

Этот закон в обобщённом виде заимствовала экология: внешнее воздействие, выводящее систему из равновесия, стимулирует в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого взаимодействия.

В биосфере этот закон реализуется в виде способности к авторегуляции и поддержанию относительного постоянства важных параметров организма или сообщества организмов (гомеостаза). Осуществление этого принципа основано на глобальной биотической регуляции окружающей среды. В течение всего времени существования биосфера подвергалась внезапным внешним возмущениям: падению метеоритов, вулканическим извержениям и прочим природным катаклизмам. Однако за счёт деятельности живого вещества после таких возмущений обеспечивался возврат к первоначальному равновесному состоянию.

Ещё В.И. Вернадский отмечал огромную роль биоты в стабилизации состояния окружающей среды, поскольку концентрация всех важных для живых организмов элементов регулируется биологическими процессами. Биота сформировала гигантские отложения горных пород, кислородную атмосферу Земли, почву. Наиболее полный контроль биота осуществляет за биогенными элементами, контролируя их круговорот. Благодаря этому регулируется состояние окружающей среды и с высочайшей точностью обеспечиваются оптимальные условия для жизни. За миллиарды лет существования жизни не происходило таких нарушений окружающей среды, которые привели бы к разрушению биосферы в целом. Биота не может повлиять на поток солнечной радиации или интенсивность приливов и отливов. Однако путём направленного изменения концентрации биогенных элементов в окружающей среде в соответствии с принципом Ле Шателье она может компенсировать последствия катастрофических процессов. Избыток углекислого газа во внешней среде, например, может быть переведён биотой в малоактивные органические формы, а недостаток – пополнен за счёт разложения органических веществ, содержащихся в гумусе и торфе.

Нарушение структуры биоты в ходе хозяйственной деятельности может нарушить скоррелированное взаимодействие биологических видов в природе по поддержанию круговоротов веществ и привести к разрушению биосферы.

Расходование воды предприятиями различных групп характеризуется значительной неравномерностью. Для оценки объёмов промышленного водопотребления используют понятие «водоёмкость производства», под которой понимают объём воды (м 3), необходимый для производства 1 т продукции. В табл. 4 приведена водоёмкость различных видов производств.

Наибольшим водопотреблением в промышленности отличается энергетика, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная отрасли, чёрная и цветная металлургия. ТЭС мощностью 300 МВт потребляет 120 м 3 воды в секунду или это 300 млн м 3 /год. Особенно быстро водопотребление в промышленности выросло в XX столетии, так как начали развиваться чрезвычайно водоёмкие отрасли производства, такие как органический синтез и нефтехимия. В сельском хозяйстве высокое водопотребление связано в основном с орошаемым земледелием. Чтобы вырастить 1 т пшеницы за вегетативный период требуется 1500 м 3 , 1 т риса – 8000 м 3 , 1 т хлопка – 5000 м 3 . В условиях быстрых темпов роста населения планеты орошению отводится всё большая роль в повышении эффективности земледелия как основного источника обеспечения людей продуктами питания.

Особое место в использовании водных ресурсов занимает коммунальное хозяйство: для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых целей. Для питья человек расходует в сутки 2,0–2,5 л. По СНиП в России норматив расхода воды в сутки на одного человека составляет 250 л, для сравнения в других развитых странах – 150 –200 л. В разных странах и разных городах расход воды разный, л/(сут · чел):

Чрезмерное выкачивание воды в связи с увеличением её потребления привело к понижению уровня грунтовых вод на всех континентах . В Китае и Индии, двух крупных по численности населения странах мира, запасы продовольствия зависят от орошаемого земледелия. В Индии отбор воды из водоносных горизонтов в 2 с лишним раза превышает её накопление, поэтому в Индии почти повсеместно уровни водоносных грунтов с пресной водой снижаются на 1–3 м ежегодно. На острове Майорка (у побережья Испании) в настоящее время вообще нет пресных вод, потребности жителей острова обеспечивают три опреснителя. Остров состоит из скальных пород, считается, что раньше он был частью континента. Запасы пресной воды на Майорке после отделения её от Пиренейского полуострова были очень велики. Для того чтобы обрабатывать болотистую местность жители острова в прошлые столетия выкачивали воду с помощью ветряных установок. Оказалось, что этой водой были всего лишь заполнены пустоты в скальных породах.

Потребление воды ежегодно увеличивается, человек использует намного больше её запасов, поэтому в недалёком “будущем” во многих странах может появиться проблема нехватки воды. Дефицит пресной воды уже ощущается в Нидерландах, Бельгии, Люксембурге, Венгрии. Дистиллированную воду используют в Кувейте, Алжире, Ливии, мощные опреснители стоят в Калифорнии и Аклахоме. По данным Всемирной организации здравоохранения от нехватки воды страдает 1,2 млрд человек. Водообеспеченность населения у нас в стране одна из самых высоких в мире, поэтому пресная вода расходуется крайне неэкономно. А трудности с обеспечением населения качественной питьевой водой уже есть. Возможно когда-то мы будем получать пресную воду из морской, но нужно сказать, что методы опреснения дороги и сложны.

Учёные считают, что на Земле нет кристально чистой воды, и вся пресная вода уже прошла техносферу , поэтому она меняет свой качественный состав. Основной причиной современной деградации природных вод земли является антропогенное загрязнение. Главные источники его:

Сточные воды промышленных предприятий;

Сточные воды коммунального хозяйства городов и других населённых пунктов;

Стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов;

Атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоёмов и водосборных бассейнов.

Антропогенное загрязнение гидросферы в настоящее время приобрело глобальный характер и существенно уменьшило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на планете. Общий объём промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых стоков составляет ≈ 1300 км 3 . Общая масса загрязнителей гидросферы ≈ 15 млрд т в год.

Лекция 1. Общая характеристика ФЦНС как науки

Общая характеристика физиологии ЦНС как отрасли биологии: предмет, цели, задачи, связь с другими науками.

Функции нервной системы.

История развития физиологии мозга. Значение исследований М. Холла, И.М. Сеченова, И.П. Павлова, Н.Е. Введенского, Ч. Шеррингтона и др.

Вклад нейрофизиологии в понимание психической деятельности.

Краткая характеристика основных методов изучения функций мозга: электроэнцефалография, метод вызванных потенциалов, функциональная компьютерная томография, метод раздражения и выключения участков ЦНС и др.

Введение

ФЦНС относится к наукам, изучающим человека. «Проблема, с которой сталкивается наука при изучении человека, заключается в том, что человек должен сам изучать себя. А согласно теореме К. Гёделя «О неполноте»: при определенных условиях (замкнутость системы) «в языке её описания существует истинное недоказуемое утверждение». Это означает, например, что, находясь в аудитории, можно угадать температуру воздуха в ней, но доказать точно, каково её значение, невозможно без выхода из системы «аудитория» в систему более высокого порядка «пространство», где можно найти термометр. В этом плане «аудитория» обладает информационной неполнотой, преодолеть которую можно, только выйдя из неё в более сложную систему.

Поэтому теоретически непреодолимая неполнота всегда присутствует в закрытой или условно ограниченной системе. Т.е. в языке описания человеком человека могут быть истинные утверждения, но они будут недоказуемы. Человека полностью может понять только метасистемная сущность, находящаяся в процессе своего развития на уровне, существенно превышающем человеческий. Поэтому целью эзотерических аспектов всех религий и соответствующих мистических школ всегда было проявление в человеке божественного, ибо только с уровня Создателя и можно понять «кто я?», «откуда?» и «зачем?».

С уровня, на котором находится «человеческая» наука можно только выдвигать теоретические гипотезы и искать им подтверждения или опровержения.

Разумеется, наука успешно изучает строение тела человека в тех пределах, которые доступны её инструментам. С совершенствованием инструментов наука познаёт всё больше и больше, но этот процесс не может быть когда-либо завершён окончательно, потому что конечными средствами нельзя познать бесконечное.

Понятно, что констатация этого факта отнюдь не означает призыва прекратить научные исследования человека. Это занятие очень необходимо человеку для развития его рациональной части ума – разума. Речь идёт только о возможностях научного метода, а не о том, стоит ли его использовать».

Общая характеристика физиологии ЦНС как отрасли биологии: предмет, цели, задачи, связь с другими науками

Физиология (от греч. – «физис» – природа, «логос» – слово) – наука о функциях и механизмах жизнедеятельности целостного организма, его систем, органов, тканей, клеток.

Физиология изучает как видимую (феноменологическую) сторону жизнедеятельности организма, так и невидимые внешне физиологические механизмы.

Физиология может дать целостную картину функционирования организма, если будет исследовать ее жизнедеятельность на всех уровнях организации живого: молекулярном, органно-тканевом, систем органов и организменном уровнях.

ФЦНС изучает функции и механизмы жизнедеятельности центральной нервной системы и ее отдельных структур, как основной регулирующей системы организма.

Предмет: функционирование ЦНС.

Цели ФЦНС:

– познание основных закономерностей, принципов и механизмов функционирования центральной нервной системы и ее отдельных структур как основного регулирующего звена в обеспечении жизнедеятельности организма человека;

Изучение общих закономерностей, принципов и механизмов функционирования центральной нервной системы на микро- и макроуровнях; частные функции структур ЦНС и их взаимосвязь.

Развитие представлений о естественнонаучных основах функционирования психики человека.

Способствование формированию умения анализировать проявления функционального состояния человека с физиологической точки зрения; различению неврологических и психических дисфункций.

Задачи ФЦНС в том, чтобы раскрыть механизмы нервной регуляции, природу и механизмы взаимодействия нервных структур и использовать данные для практического назначения.

Связь с другими науками : тесно связана с нейробиологией, психологией, неврологией, клинической нейрофизиологией, электрофизиологией, этологией, нейроанатомией и другими науками, занимающимися изучением мозга.

Функции нервной системы

Одним из важнейших свойств организма является постоянство внутренней среды. Это понятие ввел французский ученый Клод Бернар.

Внутренняя среда определяется составом и свойствами крови, лимфы и межклеточной жидкости в организме.

В 1929 году американский физиолог В. Кэннон для обозначения состояний и процессов, обеспечивающих устойчивость организма, ввел понятие гомеостаз.

Гомеостаз – способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое относительное постоянство состава и свойств.

Пример: после приема пищи уровень глюкозы в крови повышается, стимулируется выброс инсулина поджелудочной железой, что приводит к снижению уровня глюкозы в крови. Если же уровень ее опускается ниже нормы, усиливается выделение гормона глюкагона, вновь повышающего уровень глюкозы в крови до оптимального. Другим примером может быть потребление излишне соленой пищи. Как выводится лишняя соль? Мы испытываем жажду и потребляем больше воды, через почки лишняя соль выводится с этой водой.

Любой организм от примитивного до самого сложного для своего существования в любых условиях и при разных уровнях активности должен поддерживать на одном уровне гомеостаз – устойчивое неравенство внутренней среды организма с окружающей средой.

Это возможно только при упорядоченных потоках веществ, энергии и информации внутрь организма и из него. Для этого организм должен получать и оценивать информацию о состоянии внешней и внутренней среды и, учитывая насущные потребности, строить программы поведения.

Эту функцию выполняет нервная система, являющаяся, по словам И.П.Павлова, «невыразимо сложнейшим и тончайшим инструментом сношений, связи многочисленных частей организма между собой и организма как сложнейшей системы с бесконечным числом внешних влияний».

Таким образом, к важнейшим функциям нервной системы относятся:

1). Интегративно-координационная функция – управление работой всех органов и систем и обеспечение функционального единства организма. На любое воздействие организм отвечает как единое целое, соизмеряя и соподчиняя потребности и возможности разных органов и систем.

2). Адаптационно-трофическая функция - функция симпатической нервной системы, обеспечивающая приспособление организма позвоночных животных и человека к меняющимся условиям среды путем изменения уровня обмена веществ всех органов и тканей. А.-т. ф. осуществляется путем физическо-химических, биохимических сдвигов, происходящих под влиянием импульсов, идущих по симпатическим нервам прямо к органам.

3). Сенсорная функция – получение информации о состоянии внешней и внутренней среды от специальных воспринимающих клеток или окончаний нейронов – рецепторов.

4). Функция отражения , в том числе психического, и функция памяти – переработка, оценка, хранение, воспроизведение и забывание полученной информации.

5). Программирование поведения . На основе поступающей и уже хранящейся информации нервная система либо строит новые программы взаимодействия с окружающей средой, либо выбирает наиболее подходящую из уже имеющихся программ. В последнем случае могут использоваться видоспецифические программы, заложенные генетически или программы, выработанные в процессе индивидуального научения (условные рефлексы, двигательные и мыслительные стереотипы и т.п., не передающиеся по наследству). В реализации любой программы участвуют рабочие органы (мышцы и железы), изменяющие свою функциональную активность в зависимости от поступающих к ним из ЦНС сигналов.

6) . Текущий контроль правильности выполнения программы : результаты поведения постоянно оцениваются, и на основе этой оценки могут вноситься поправки в программу поведения.

Клеточный уровень

В настоящее время выделяют несколько основных уровней организации живой материи: кле­точный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.

Хотя проявления некоторых свойств живого обусловлены уже взаимодействием биологических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и др.), все же единицей строения, функций и развития живого является клетка, способная осуществлять и сопрягать процессы реа­лизации и передачи наследственной информации с обменом веществ и превращения энергии, обеспечивая тем самым функционирование более высоких уровней организации. Элементарной единицей клеточного уровня организации является клетка, а элементарным явлением - реакции клеточного метаболизма.

Организменный уровень

Организм - это целостная система, способная к самостоятельному существованию. По количеству клеток, входящих в состав организмов, их делят на одноклеточные и много­клеточные. Клеточный уровень организации у одноклеточных организмов (амебы обыкновенной, эвглены зеленой и др.) совпадает с организменным. В истории Земли был период, когда все организмы были представлены только одноклеточными формами, но они обеспечивали функци­онирование как биогеоценозов, так и биосферы в целом. Большинство многоклеточных организ­мов представлено совокупностью тканей и органов, в свою очередь также имеющих клеточное строение. Органы и ткани приспособлены для выполнения определенных функций. Элементарной единицей данного уровня является особь в ее индивидуальном развитии, или онтогенезе, поэтому организменный уровень также называют онтогенетическим. Элементарным явлением данного уровня являются изменения организма в его индивидуальном развитии.

Популяционно-видовой уровень

Популяция - это совокупность особей одного вида, свободно скрещивающихся между собой и проживающих обособленно от других таких же групп особей.

В популяциях происходит свободный обмен наследственной информацией и ее передача по­томкам. Популяция является элементарной единицей популяционно-видового уровня, а элемен­тарным явлением в данном случае являются эволюционные преобразования, например мутации и естественный отбор.

Биогеоценотический уровень

Биогеоценоз представляет собой исторически сложившееся сообщество популяций разных ви­дов, взаимосвязанных между собой и окружающей средой обменом веществ и энергии.

Биогеоценозы являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно- энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов. Сами биогеоцено­зы - это элементарные единицы данного уровня, тогда как элементарные явления - это потоки энергии и круговороты веществ в них. Биогеоценозы составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней.

Биосферный уровень

Биосфера - оболочка Земли, населенная живыми организмами и преобразуемая ими.

Биосфера является самым высоким уровнем организации жизни на планете. Эта оболочка ох­ватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхний слой литосферы. Биосфера, как и все другие биологические системы, динамична и активно преобразуется живыми существами. Она сама является элементарной единицей биосферного уровня, а в качестве элементарного явления рассматривают процессы круговорота веществ и энергии, происходящие при участии живых ор­ганизмов.

Как уже было сказано выше, каждый из уровней организации живой материи вносит свою лепту в единый эволюционный процесс: в клетке не только воспроизводится заложенная наслед­ственная информация, но и происходит ее изменение, что приводит к возникновению новых со­четаний признаков и свойств организма, в свою очередь подвергающихся действию естественного отбора на популяционно-видовом уровне и т. д.

Биологические системы

Биологические объекты различной степени сложности (клетки, организмы, популяции и ви­ды, биогеоценозы и саму биосферу) рассматривают в настоящее время в качестве биологических систем.

Система - это единство структурных компонентов, взаимодействие которых порождает новые свойства по сравнению с их механической совокупностью. Так, организмы состоят из органов, органы образованы тканями, а ткани формируют клетки.

Характерными чертами биологических систем являются их целостность, уровневый принцип организации, о чем говорилось выше, и открытость. Целостность биологических систем в значи­тельной степени достигается за счет саморегуляции, функционирующей по принципу обратной связи.

К открытым системам относят системы, между которыми и окружающей средой происходит обмен веществ, энергии и информации, например, растения в процессе фотосинтеза улавливают солнечный свет и поглощают воду и углекислый газ, выделяя кислород.

Общие признаки биологических систем: клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, движение, рост и развитие, воспроизведение, эволюция

Биологические системы отличаются от тел неживой природы совокупностью признаков и свойств, среди которых основными являются клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, движение, рост и раз­витие, воспроизведение и эволюция.

Элементарной структурно-функциональной единицей живого является клетка. Даже вирусы, относящиеся к неклеточным формам жизни, неспособны к самовоспроизведению вне клеток.

Различают два типа строения клеток: прокариотические и эукариотические. Прокариотические клетки не имеют сформированного ядра, их генетическая информация сосредоточена в ци­топлазме. К прокариотам относят прежде всего бактерии. Генетическая информация в эукариоти- ческих клетках хранится в особой структуре - ядре. Эукариотами являются растения, животные и грибы. Если в одноклеточных организмах клетке присущи все проявления живого, то у много­клеточных происходит специализация клеток.

В живых организмах не встречается ни одного химического элемента, которого бы не было в неживой природе, однако их концентрации существенно различаются в первом и во втором слу­чаях. Преобладают в живой природе такие элементы, как углерод, водород и кислород, которые входят в состав органических соединений, тогда как для неживой природы в основном характер­ны неорганические вещества. Важнейшими органическими соединениями являются нуклеиновые кислоты и белки, которые обеспечивают функции самовоспроизведения и самоподдержания, но ни одно из этих веществ не является носителем жизни, поскольку ни по отдельности, ни в группе они не способны к самовоспроизведению - для этого необходим целостный комплекс молекул и структур, которым и является клетка.

Все живые системы, в том числе клетки и организмы, являются открытыми системами. Од­нако, в отличие от неживой природы, где в основном происходит перенос веществ с одного места в другое или изменение их агрегатного состояния, живые существа способны к химическому превращению потребляемых веществ и использованию энергии. Обмен веществ и превращения энергии связаны с такими процессами, как питание, дыхание и выделение.

Под питанием обычно понимают поступление в организм, переваривание и усвоение им ве­ществ, необходимых для пополнения энергетических запасов и построения тела организма. По способу питания все организмы делят на автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофы - это организмы, которые способны сами синтезировать органические вещества из неорганических.

Гетеротрофы - это организмы, которые потребляют в пищу готовые органические вещества.

Автотрофы делятся на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Фотоавтотрофы используют для синтеза органических веществ энергию солнечного света. Процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений называется фотосинтезом. К фотоавтотрофам относится подавляющее большинство растений и некоторые бактерии (например, циано- бактерии). В целом фотосинтез не слишком продуктивный процесс, вследствие чего большинство растений вынуждено вести прикрепленный образ жизни. Хемоавтотрофы извлекают энергию для синтеза органических соединений из неорганических соединений. Этот процесс называется хемосинтезом. Типичными хемоавтотрофами являются некоторые бактерии, в том числе серобак­терии и железобактерии.

Остальные организмы - животные, грибы и подавляющее большинство бактерий - относятся к гетеротрофам.

Дыханием называют процесс расщепления органических веществ до более простых, при кото­ром выделяется энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности организмов.

Различают аэробное дыхание, требующее кислорода, и анаэробное, протекающее без участия кислорода. Большинство организмов является аэробами, хотя среди бактерий, грибов и животных встречаются и анаэробы. При кислородном дыхании сложные органические вещества могут рас­щепляться до воды и углекислого газа.

Под выделением обычно понимают выведение из организма конечных продуктов метаболизма и избытка различных веществ (воды, солей и др.), поступивших с пищей или образовавшихся в нем. Особенно интенсивно процессы выделения протекают у животных, тогда как растения чрезвычайно экономны.

Благодаря обмену веществ и энергии обеспечивается взаимосвязь организма с окружающей средой и поддерживается гомеостаз.

Гомеостаз - это способность биологических систем противостоять изменениям и поддержи­вать относительное постоянство химического состава, строения и свойств, а также обеспечивать постоянство функционирования в изменяющихся условиях окружающей среды. Приспособление же к изменяющимся условиям среды называется адаптацией.

Раздражимость - это универсальное свойство живого реагировать на внешние и внутренние воздействия, которое лежит в основе приспособления организма к условиям окружающей среды и их выживания. Реакция растений на изменения внешних условий заключается, например, в по­вороте листовых пластинок к свету, а у большинства животных она имеет более сложные формы, имеющие рефлекторный характер.

Движение - неотъемлемое свойство биологических систем. Оно проявляется не только в виде перемещения тел и их частей в пространстве, например, в ответ на раздражение, но и в процессе роста и развития.

Новые организмы, появляющиеся в результате репродукции, получают от родителей не го­товые признаки, а определенные генетические программы, возможность развития тех или иных признаков. Эта наследственная информация реализуется во время индивидуального развития. Индивидуальное развитие выражается, как правило, в количественных и качественных измене­ниях организма. Количественные изменения организма называются ростом. Они проявляются, например, в виде увеличения массы и линейных размеров организма, что основано на воспроиз­ведении молекул, клеток и других биологических структур.

Развитие организма - это появление качественных различий в структуре, усложнение функ­ций и т. д., что базируется на дифференцировании клеток.

Рост организмов может продолжаться всю жизнь или заканчиваться на каком-то определен­ном ее этапе. В первом случае говорят о неограниченном, или открытом росте. Он характерен для растений и грибов. Во втором случае мы имеем дело с ограниченным, или закрытым ростом, присущим животным и бактериям.

Продолжительность существования отдельной клетки, организма, вида и других биологи­ческих систем ограничена во времени в основном из-за воздействия факторов окружающей среды, поэтому требуется постоянное воспроизведение этих систем. В основе воспроизведения клеток и организмов лежит процесс самоудвоения молекул ДНК. Размножение организмов обеспечивает существование вида, а размножение всех видов, населяющих Землю, обеспечивает существование биосферы.

Наследственностью называют передачу признаков родительских форм в ряду поколений.

Однако, если бы при воспроизведении признаки сохранялись, приспособление к меняющимся условиям окружающей среды было бы невозможным. В связи с этим появилось противоположное наследственности свойство - изменчивость.

Изменчивость - это возможность приобретения в течение жизни новых признаков и свойств, которое обеспечивает эволюцию и выживание наиболее приспособленных видов.

Эволюция - это необратимый процесс исторического развития живого.

Она базируется на прогрессивном размножении, наследственной изменчивости, борьбе за существование и естественном отборе. Действие этих факторов привело к огромному разно­образию форм жизни, приспособленных к различным условиям среды обитания. Прогрессивная эволюция прошла ряд ступеней: доклеточных форм, одноклеточных организмов, все усложняю­щихся многоклеточных вплоть до человека.

Вопрос 1. Системы восприятия человеком состояния внешней среды

Возникновение жизни на Земле было связано с формированием и поддержанием в клетке в течение всей жизни специфических физико-химических условий, отличающихся от условий окружающей среды. Благодаря гомеостазу млекопитающие обеспечивают постоянство объема крови (изоволемия) и других внеклеточных жидкостей, концентрации в них ионов, осмотически активных веществ, постоянство pH крови, состава в ней белков, липидов и углеводов, в узких пределах поддерживается температура тела. Гомеостаз – это способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять относительное постоянство состава и свойств. Термин предложил Кенон в 1929 году для характеристики состояний и процессов, обеспечивающих устойчивость организма. Различают физиологический и генетический гомеостаз.

Физиологический гомеостаз достигается системой физиологических регуляторных механизмов, интегрирующую роль играет центральная нервная система (ЦНС), симпатическая нервная система, состояние надпочечников, гипофиза и др. эндокринных желез, степень развития эффекторных органов. Этот вид гомеостаза осуществляется за счет работы здоровой нервной системы и эффективной работы эффекторной системы (мышц и желез).

Сокращение мышц после иннервации происходит за счет сокращения актиновых нитей, состоящих из сократительного белка. Для процессов сокращения и расслабления необходима энергия в виде АТФ и ионы кальция, концентрация которых возрастает при сокращении и снижается при расслаблении. Непрерывность потоков нервных импульсов и постоянное образование АТФ позволяют выполнять различные виды работ. Но при длительной стимуляции с большой частотой мышца может израсходовать свой запас АТФ и утомиться («состояние до изнеможения»), но это характерно только для скелетных мышц - гладкая и сердечная мышцы такого состояния не знают. При раздражении чувствительных структур опорно-двигательного аппарата возникает ощущение, которое принято называть мышечное чувство – ощущение движения, которое складывается на основе информации от рецепторов кожи, сухожилий, суставов и мышечных веретен.

Гормональная регуляция различных процессов в организме служит дополнением к нервной. Нервные импульсы вызывают ответы значительно быстрее, чем гормоны, но эндокринные влияния более длительны и всеобъемлющи. Гормональная регуляция различных процессов в организме служит дополнением к нервной. Нервные импульсы вызывают ответы значительно быстрее, чем гормоны, но эндокринные влияния более длительны и всеобъемлющи. Как правило, гормоны работают по принципу отрицательной обратной связи: происходит автоматическое регулирование собственного развития. Гормоны обладают высокой биологической активностью, действуют только на живые клетки, участвуют в обмене веществ, влияют на рост, дифференцировку, размножение, обеспечивают ответную реакцию организма на изменение окружающей среды. Регулирует эндокринные функции организма комплекс гипоталамуса (регулирует) и гипофиза (реализует).

Генетический гомеостаз обеспечивает относительную стабильность популяции при поддержании генотипической структуры. К биологическому сходству между родителями и потомками приводит способность организмов передавать по наследству признаки и свойства. Это же обеспечивает возможность индивидуального развития в соответствии с условиями среды. Изменчивость этой информации обеспечивает многообразие видов и форм жизни. Однако, изменчивость может приводить к качественному изменению наследственного субстрата, что приводит к появлению у потомков принципиально новых признаков, отсутствующих у родителей, т.е. к возникновению мутаций.Мутации - это естественные или искусственные, внезапные изменения генетического материала. Их основные характеристики:

Возникают внезапно, без промежуточных стадий;

Новые формы устойчивы и передаются по наследству;

Это качественные изменения;

Они бывают полезными и вредными;

Одинаковые мутации могут возникать неоднократно.

Считается, что спонтанные мутации редки и возникают в естественных условиях. Индуцированные же возникают под действием внешних факторов, которые называют мутагенными. В зависимости от природы их делят на: физические, химические и биологические.

· Физические мутагены составляют высокоэнергетичные частицы крайне малой величины, из-за чего обладают высокой способностью глубоко проникать в ткани и вызывать молекулярные нарушения

· Химические мутагены – химические вещества, обладающие способностью оказывать токсическое или канцерогенное влияния на биологические структуры.

· Биологические мутагены – вирусы, микроорганизмы, выделяющие токсины действуют не прямо, а опосредовано через выделение химических веществ.

Безопасная деятельность человека основывается на постоянном приёме и анализе информации о характеристиках внешней среды и внутренних системах организма. Этот процесс осуществляется с помощью анализаторов – подсистем ЦНС, обеспечивающих приём и первичный анализ информационных сигналов. В зависимости от специфики принимаемых сигналов различают следующие анализаторы:

Внешние (зрение, слух и др)

Внутренние (давление, кинестетический, вестибулярный, специальные).

Основные параметры анализаторов :

1. абсолютная чувствительность к интенсивности сигнала – характеризуется минимальным значением воздействующего раздражителя, при котором возникает ощущение (нижний порог чувствительности)

2 . предельно допустимая интенсивность сигнала (близка к болевому порогу) – верхний предел чувствительности

3. диапазон чувствительности к интенсивности

4. различительная чувствительность к изменению интенсивности сигнала, ощущаемая человеком

5. различительная чувствительность к изменению частоты сигнала

6. диапазон спектральной чувствительности (зрительный, слуховой, вибрационный), отдельно верхний и нижний пороги восприятия

7. пространственные характеристики чувствительности

8. минимальная длительность сигнала (сенсомоторная реакция)

9. адаптация и сенсибилизация

Каждый анализатор состоит из трех частей (рис. 2.1.1):

· Рецепторная клетка, которая воспринимает энергию внешнего раздражения и перерабатывает её в нервный импульс. Чем больше число рецепторов, тем больше диапазон воспринимаемого раздражения.

· Проводящие пути

· Корковый анализатор (сенсорный центр), находящийся в головном мозге.

Совокупность анализаторов, выполняющие единообразную функцию объединяются в органы чувств. У человека выделяют следующие органы чувств: органы зрения, слуха, равновесия, вкуса, обоняния и осязания.

Любое ощущение имеет четыре параметра: пространственный, временной, интенсивность, качество.

Рисунок 2.1.1 – Функциональная схема анализатора

Орган зрения состоит из глазного яблока со зрительным нервом и вспомогательных органов Объем глаза у взрослого человека 7.5 см 3 . Глазное яблоко состоит из ядра, образованного тремя оболочками: фиброзной, сосудистой и десятислойной сетчаткой. Строение сетчатки: Фоторецепторные клетки соприкасаются с ассоциативными клетками палочками и колбочками. Зрительный пигмент поглощает часть падающего на него света и отражает остальную часть. Каждая палочка или колбочка содержит пигмент, который поглощает лучи с определенной длиной световой волны. Поглощая фотон света, зрительный пигмент меняет свою конфигурацию, освобождающаяся при этом энергия используется для химических реакций и возникновения нервных импульсов. В сетчатке глаза человека содержится один тип палочек (60-120 млн.)- воспринимают информацию об освещенности и форме предметов, необходимы в темнотеи три типа колбочек (6-7 млн.) -цветовое зрение . Четкость зрения связана с состоянием функционированием хрусталика.

Вспомогательными органами являются: мышцы, веки, коньюктива, 2-3 ряда ресниц, которые обновляются в течение 100 дней и слезный аппарат. Слезы увлажняют конъюктиву и обеззараживают микроорганизмы. Ежедневно вырабатывается около 100 мл слез, имеющих слабощелочную реакцию. Слезы состоят из: воды, 1.5% соли, 0.5% альбумина и слизи, а также веществ, образующихся в организме при нервном напряжении и стрессе. Выработка слез контролируется пролактином.

Прием и анализ информации глазом происходит в диапазоне 380-760 нм. Глаз различает 7основных цветов и более сотни оттенков. Характеристикой чувствительности являетсяотносительная видность (канделы на м 2). Различие предмета на фоне других определяется контрастом его с фоном. Величина контраста оценивается количественно, как отношение разности яркости предмета и фона к большей яркости.

Временные характеристики восприятия сигнала глазом:

· Латентный период -0.15-0.22 с;

· Порог обнаружения сигнала при большей яркости 0.001с;

· Привыкание к темноте (несколько секунд – несколько минут);

· Критическая частота слияния мельканий – 14-70Гц

Органы слуха и равновесия (статического чувства) у человека обледенены в сложную систему: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее. Наружное ухо - ушная раковина и наружный слуховой проход, длиной 35 мм закрытый барабанной перепонкой, которая отделяет наружное ухо от среднего. Среднее ухо – это барабанная полость объемом около 1 см 3 . В ней находятся три слуховые косточки, передающие звуковые колебания и сухожилия мышц. Барабанная полость продолжается в слуховую трубу (евстахиеву), которая открывается в носовой части глотки. Труба выполняет функцию выравнивания внутреннего давления воздуха. Внутреннее ухо состоит из перепончатого лабиринта. В нём две части: вестибулярная и улитковая. Человек способен воспринимать звуковые колебания от 16 до 21 000 Гц. С возрастом эта величина снижается в 2-3 раза. Сильный шум травмирует орган слуха и вызывает психоэмоциональный стресс.

Особенности слухового анализатора:

Способность быть готовым к приему информации в любой момент времени;

Широкий диапазон восприятия и способность выделять отдельные звуки;

Способность устанавливать местоположение источника звука.

Орган обоняния. Обонятельная область слизистой оболочки носа взрослого человека занимает 250-300 мм 2 . Обонятельные клетки (40 млн.) имеют центральные и периферические отростки: дендриты образуют обонятельную булаву, а аксоны собираются в обонятельные нити. Молекулы пахучих веществ взаимодействуют с белками булавы, генерируют нервный импульс, который, в конце концов, достигает коркового центра обонятельного анализатора в коре головного мозга. Несмотря на то, что существует девять четко различимых групп запахов, человек способен различить около трех тысяч.

Орган вкуса у человека образован примерно 2000 вкусовых почек, расположенных в толще многослойного эпителия боковых поверхностей желобоватых, листовидных, грибовидных сосочков языка, а также в слизистой оболочке нёба, зева и надгортанника. Для возникновения сладкого вкуса достаточно содержание в продукте 0.5% сахара, 0.25% соли, 0.002% горького и 0.001% кислоты.

Кожа выполняет многообразные функции: защитную, терморегуляционную, дыхательную, обменную, является депо крови и органом осязания. Железы кожи вырабатывают пот и кожное сало. С потом выделяется около 500 мл воды, солей, конечных продуктов азотистого обмена. Кожа активно участвует в обмене витаминов, особенно важен синтез витамина D. Площадь кожного покрова взрослого человека составляет 1.5-2.м 2 и эта поверхность является рецепторным полем осязания, болевой, температурной чувствительности и важнейшей эрогенной зоной. Кожа состоит из эпидермиса и дермы. Эпидермис – многослойный ороговевающий эпителий (на участках, подвергающихся постоянному давлению толщина его 2.3 мм). В эпидермисе находятся пигментные клетки. Дерма – 1-2.5 мм соединительной ткани. Подкожная клетчатка играет важную роль в терморегуляции. Кожа иннервируется чувствительными нервами, отходящими от спинно-мозговых и черепных нервов, а также волокнами вегетативных нервов, подходящих к сосудам, гладким мышечным волокнам и железам. Рецепторы чувствительности расположены по всему телу и не образуют обособленных органов. Основными рецепторами кожи являются: механические, болевые, температурные.

Механорецепция включает восприятие ощущений давления, прикосновения, вибрации, щекотки, которые воспринимаются лишь в определенных точках кожи. В среднем, на 1 см 2 кожи приходится до 170 чувствительных нервных окончаний. Наибольшая плотность осязательных клеток в коже губ и подушечках пальцев, наименьшая на спине, плечах, бедрах. Характерная особенность – быстрое развитие адаптации, которая зависит от силы раздражителя (2-20с). Вызывает рефлекс сближения с раздражителем. Ноциорецепторы вызывают оборонительные рефлексы. Терморецепторы имеют латентный период 0.2с. Порог различительной чувствительности около 1˚. Часть рецепторов реагирует только на тепло, другие только на холод.

В коже человека преобладают рецепторы прикосновения и точки, воспринимающие холод. Количество болевых точек кожи значительно больше (в 9 раз), чем тактильных и температурных (в 10 раз). Время реагирования кожи для боли – 0.9с, для осязания 0.12с, для температуры 0.16с. Особенно развита чувствительность кисти и пальцев; так, кожа пальцев способна воспринять вибрацию с амплитудой 0.02 мкм.

Текущая страница: 4 (всего у книги 44 страниц) [доступный отрывок для чтения: 29 страниц]

2.4. Гомеостаз

Гомеостаз (от греч. homoios – тот же, statos – состояние) – способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять относительное динамическое постоянство своей структуры и свойств. Поддержание гомеостаза – непременное условие существования как отдельных клеток и организмов, так целых биологических сообществ и экосистем.

В гомеостазе (устойчивости) живых систем выделяют:

выносливость (живучесть, толерантность (см. разд. 3.2.2) – способность переносить изменения среды без нарушения основных свойств системы;

упругость (резистентность, сопротивляемость) – способность быстро самостоятельно возвращаться в нормальное состояние из неустойчивого, которое возникло в результате внешнего неблагоприятного воздействия на систему.

Понятие «гомеостаз» широко используется в экологии для характеристики устойчивости различных систем. Гомеостаз клетки определяется специфическими физико-химическими условиями, отличными от условий внешней среды; гомеостаз многоклеточного организма – поддержанием постоянства внутренней среды. Константами гомеостаза животных являются объем, состав крови и других жидкостей организма.

Гомеостаз популяции определяется поддержанием пространственной структуры, плотности и генетического разнообразия. Вследствие гомеостатической регуляции поддерживается постоянство состава и численности популяций в сообществах.

На уровне экосистем гомеостаз проявляется в наиболее устойчивых формах взаимодействия между видами, что выражается в приспособленности к особенностям среды и поддержании циклов круговорота биогенов. Можно рассматривать даже гомеостаз биосферы, в которой взаимодействие разнообразных организмов поддерживает постоянство газового состава атмосферы, состава почв, состава и концентрации солей мирового океана и др.

Гомеостаз обеспечивается работой механизмов регулирования, действующих по принципу отрицательной обратной связи. Тогда, используя кибернетические термины, нарушения в функционировании живой системы следует констатировать как появление в канале обратной связи «помех» или «шумов».

Роль помех могут играть различные факторы, например погодные условия, деятельность человека и т. п. Резкие изменения характеристик окружающей среды, при которых они (или одна из них) выходят за границы допустимого, называют экологическим стрессом.

Безусловно, конкретные механизмы регулирования различны для клетки организма, популяции и экосистемы, но всегда результатом саморегуляции и поддержания гомеостаза является сбалансированность и четкая согласованность функционирования всех элементов биологической системы.

2.5. Биологический вид

Разделение всего многообразия животных и растений на виды является способом упорядоченного описания живой природы, основанным на выявлении иерархической структуры ее элементов.

В большинстве случаев особи разных видов различают по внешнему виду, поведению, физиологии. Однако одних внешних различий, даже значительных, для выделения вида недостаточно. Если особи двух разных групп организмов при самом значительном различии внешнего вида способны, скрещиваясь, давать потомство (т. е. возможен обмен генами), то они являются одним видом. Напротив, особей, которые не способны дать потомство при скрещивании, относят к различным видам.

Вид – совокупность особей, способных к скрещиванию и образованию плодовитого потомства, населяющих определенный ареал (область географического распространения), обладающих рядом общих морфо-физиологических признаков и типов взаимоотношений с абиотической и биотической средой, отделенных от других таких же групп особей практически полным отсутствием гибридных форм. Вид – качественный этап процесса эволюции (см. разд. 3.33).

Приведенное правило определения видов (как и все прочие научные схемы, описывающие безгранично многообразные проявления жизни) имеет исключения.

Контрольные вопросы и задания

2.1. Что такое гомеостаз?

2.2. Приведите примеры выносливости и упругости организмов.

2.3. Какие изменения происходят с веществом и энергией в ходе фотосинтеза и роста растений?

2.4. Назовите сходства и различия процессов фотосинтеза и хемосинтеза.

2.5. Перечислите основные типы дыхания.

2.6. Назовите единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.

2.7. Какие организмы являются продуцентами и какова их роль в экосистеме?

2.8. Объясните взаимоотношения между организмами-производителями, организмами-потребителями и организмами-разрушителями.

2.9. Какая роль отводится воде в жизни клетки?

2.10. Дайте определение биологическому виду. Имеют ли место исключения из данного правила определения вида?

ФАКТОРЫ СРЕДЫ

Живое неотрывно от среды. Каждый отдельный организм, являясь самостоятельной биологической системой, постоянно находится в прямых или косвенных отношениях с разнообразными компонентами и явлениями окружающей его среды или, иначе, с р е д ы о б и т а н и я, влияющими на состояние и свойства организма.

Среда – одно из основных экологических понятий, которое означает весь спектр окружающих организм элементов и условий в той части пространства, где обитает организм, все то, среди чего он живет и с чем непосредственно взаимодействует. При этом организмы, приспособившись к определенному комплексу конкретных условий, в процессе жизнедеятельности сами постепенно изменяют эти условия, т. е. среду своего существования.

3.1. Экологические факторы и их действие

Экологический фактор – любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, называют экологическим фактором.

Экологические факторы многообразны, при этом каждый фактор является совокупностью соответствующего условия среды и его ресурса (запаса в среде).

Экологические факторы среды (рис. 3.1) принято делить на две группы:

Факторы косной (неживой) природы – абиотические или абиогенные;

Факторы живой природы – биотические или биогенные.

С другой стороны, по происхождению и те и другие бывают как природными, так и антропогенными, т. е. прямо или косвенно связанными с деятельностью человека, который не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, синтезируя ядохимикаты, удобрения, строительные материалы, лекарства и т. п.

Рис. 3.1. Классификация экологических факторов

Известно, что в основу построения системы терминов должна быть положена достаточно емкая классификация, охватывающая все понятия в их взаимосвязи и развитии. Исключительная сложность, взаимосвязанность и взаимозависимость явлений в природе затрудняет классификацию в экологии. Наряду с приведенной классификацией экологических факторов существует много других (менее распространенных), в которых используют иные отличительные признаки. Так, выделяют факторы, зависящие и не зависящие от численности и плотности организмов. Например, на действие макроклиматических факторов не сказывается количество животных или растений, а эпидемии (массовые заболевания), вызываемые патогенными микроорганизмами, зависят от их количества на данной территории. Известны классификации, в которых все антропогенные факторы относят к биотическим.

3.1.1. Абиотические факторы

В абиотической части среды обитания (в неживой природе) все факторы прежде всего можно разделить на физические и химические. Однако для понимания сути рассматриваемых явлений и процессов абиотические факторы удобно представить совокупностью климатических, топографических, космических факторов, а также характеристик состава среды (водной, наземной или почвенной) и др.

3.1.1.1. Основные климатические факторы

Энергия Солнца. Она распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия.

Около 99 % всей энергии солнечной радиации составляют лучи с длиной волны λ = 170 … 4000 нм, в том числе 48 % приходится на видимую часть спектра (λ = 390 … 760 нм), 45 % – на близкую инфракрасную (λ = 760 … 4000 нм) и около 7 % – на ультрафиолетовую (λ < 400 нм).

Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с λ = 380 … 710 нм. Длинноволновая (дальняя инфракрасная) солнечная радиация (λ > 4000 нм) незначительно влияет на процессы жизнедеятельности организмов.

Ультрафиолетовые лучи с λ > 320 нм в малых дозах необходимы животным и человеку, так как под их действием в организме образуется витамин D. Излучение с λ < 290 нм губительно для живого, но до поверхности Земли оно не доходит, поглощаясь озоновым слоем атмосферы.

При прохождении через атмосферный воздух солнечный свет (рис. 3.2) отражается, рассеивается и поглощается. Чистый снег отражает примерно 80–95 % солнечного света, загрязненный – 40–50 %, черноземная почва – до 5 %, сухая светлая почва – 35–45 %, хвойные леса – 10–15 %. Однако освещенность земной поверхности существенно колеблется в зависимости от времени года и суток, географической широты, экспозиции склона, состояния атмосферы и т. п.

Вследствие вращения Земли периодически чередуются светлое и темное время суток. Цветение, прорастание семян у растений, миграция, зимняя спячка, размножение животных и многое другое в природе связаны с длительностью фотопериода (длиной дня). Необходимость в свете для растений обусловливает быстрый их рост в высоту, ярусную структуру леса. Водные растения распространяются преимущественно в поверхностных слоях водоемов.

Рис. 3.2. Баланс солнечной радиации на поверхности Земли в дневное время

Температура. Температура главным образом связана с солнечным излучением, но в ряде случаев определяется энергией геотермальных источников.

При температуре ниже точки замерзания живая клетка физически повреждается образующимися кристаллами льда и гибнет, а при высоких температурах происходит денатурация ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. Верхний температурный предел жизни редко поднимается выше 40–45 °C.

В диапазоне между крайними границами скорость ферментативных реакций (следовательно, и интенсивность обмена веществ) удваивается с повышением температуры на каждые 10 °C. Значительная часть организмов способна контролировать (поддерживать) температуру тела, причем в первую очередь наиболее жизненно важных органов. Такие организмы называют гомойотермными – теплокровными (от греч. homoios – подобный, therme – теплота), в отличие от пойкилотермных – холоднокровных (от греч. poikilos – различный, переменчивый, разнообразный), имеющих непостоянную температуру, зависящую от температуры окружающей среды.

В водной среде благодаря высокой теплоемкости воды изменения температуры менее резкие и условия более стабильные, чем на суше. Известно, что в регионах, где температура в течение суток, а также в разные сезоны сильно меняется, разнообразие видов меньше, чем в регионах с более постоянными суточными и годовыми температурами.

Температура, как и интенсивность света, зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона. Действие экстремальных температур (низких и высоких) усиливается сильными ветрами.

Изменение температуры по мере подъема в воздушной среде или погружения в водную среду называют температурной стратификацией. Обычно и в том и в другом случае наблюдается непрерывное снижение температуры с определенным градиентом. Тем не менее существуют и иные варианты. Так, в летний период поверхностные воды нагреваются сильнее глубинных. В связи со значительным уменьшением плотности воды по мере нагрева начинается ее циркуляция в поверхностном нагретом слое без смешения с более плотной, холодной водой нижерасположенных слоев. В результате между теплым и холодным слоями образуется промежуточная зона с резким градиентом температуры. Все это влияет на размещение в воде живых организмов, а также на перенос и рассеивание поступающих примесей.

Подобное явление встречается и в атмосфере, когда охлажденные слои воздуха смещаются вниз и располагаются под теплыми слоями, т. е. имеет место температурная инверсия , способствующая накоплению загрязняющих веществ в приземном слое воздуха.

Инверсии способствуют некоторые особенности рельефа, например, котлованы и долины. Она возникает при наличии на определенной высоте веществ, например аэрозолей, нагреваемых непосредственно за счет прямого солнечного излучения, что вызывает более интенсивное прогревание верхних воздушных слоев.

В почвенной среде суточная и сезонная стабильность (колебания) температуры зависят от глубины (рис. 3.3). Значительный градиент температур (а также влажности) позволяет обитателям почвы обеспечивать себе благоприятную среду путем незначительных перемещений.

Рис. 3.3. Уменьшение годового колебания температуры почвы с глубиной

Наличие и численность живых организмов могут влиять на температуру. Например, под пологом леса или под листьями отдельного растения имеет место иная температура.

Осадки, влажность. Вода обязательна для жизни на Земле, в экологическом плане она уникальна (см. разд. 2.1, 2.2). При практически одинаковых географических условиях на Земле существуют и жаркая пустыня, и тропический лес (рис. 3.4). Различие состоит только в годовом количестве осадков: в первом случае 0,2-200 мм, а во втором 900-2000 мм.

Осадки, тесно связанные с влажностью воздуха, представляют собой результат конденсации и кристаллизации водяных паров в высоких слоях атмосферы. В приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги – выпадает иней или снег.

Одна из основных физиологических функций любого организма – поддержание на достаточном уровне количества воды в теле. В процессе эволюции у организмов сформировались разнообразные приспособления к добыванию и экономному расходованию воды, а также к переживанию засушливого периода. Одни животные пустыни получают воду из пищи, другие за счет окисления своевременно запасенных жиров (например, верблюд, способный путем биологического окисления из 100 г жира получить 107 г метаболической воды); при этом у них минимальна водопроницаемость наружных покровов тела, преимущественно ночной образ жизни и т. д. При периодической засушливости характерно впадание в состояние покоя с минимальной интенсивностью обмена веществ.

Рис. 3.4. Зависимость типа растительности от климатических условий

Наземные растения получают воду главным образом из почвы. Малое количество осадков, быстрый дренаж, интенсивное испарение либо сочетания этих факторов ведут к иссушению, а избыток влаги – к переувлажнению и заболачиванию почв.

Баланс влаги зависит от разницы между количеством выпавших осадков и количеством воды, испарившейся с поверхностей почвы и растений (путем транспирации ). В свою очередь процессы испарения непосредственно зависят от относительной влажности атмосферного воздуха. При влажности, близкой к 100 %, испарение практически прекращается, и если дополнительно понижается температура, то начинается обратный процесс – конденсация (образуется туман, выпадают роса, иней).

Помимо отмеченного, влажность воздуха как экологический фактор при своих крайних значениях (повышенной и пониженной влажности), усиливает воздействие (усугубляет действие) температуры на организм.

Насыщение воздуха парами воды редко достигает максимального значения. Дефицит влажности – разность между максимально возможным и фактически существующим насыщением при данной температуре. Это один из важнейших экологических параметров, поскольку характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот.

Режим осадков – важнейший фактор, определяющий миграцию загрязняющих веществ в природной среде и вымывание их из атмосферы.

Подвижность среды. Причинами возникновения движения воздушных масс (ветра) являются в первую очередь неодинаковый нагрев земной поверхности, вызывающий перепады давления, а также вращение Земли. Ветер направлен в сторону более прогретого воздуха.

Ветер – важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор, химических примесей и т. п. Он способствует как снижению околоземной концентрации пыле-и газообразных веществ вблизи места их поступления в атмосферу, так и повышению фоновых концентраций в воздушной среде вследствие выбросов далеких источников, включая трансграничный перенос.

Ветер ускоряет транспирацию (испарение влаги наземными частями растений), что особенно ухудшает условия существования при низкой влажности. Кроме того, он косвенно влияет на все живые организмы суши, участвуя в процессах выветривания и эрозии.

Подвижность в пространстве и перемешивание водных масс способствуют поддержанию относительной гомогенности (однородности) физических и химических характеристик водных объектов. Средняя скорость поверхностных течений лежит в пределах 0,1–0,2 м/с, достигая местами 1 м/с, у Гольфстрима – 3 м/с.

Давление. Нормальным атмосферным давлением считается абсолютное давление на уровне поверхности Мирового океана 101,3 кПа, соответствующее 760 мм рт. ст. или 1атм. В пределах земного шара существуют постоянные области высокого и низкого атмосферного давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные его колебания. По мере увеличения высоты относительно уровня океана давление уменьшается, снижается парциальное давление кислорода, усиливается транспирация у растений.

Периодически в атмосфере образуются области пониженного давления с мощными воздушными потоками, перемещающимися по спирали к центру, которые называют циклонами. Для них характерно большое количество осадков и неустойчивая погода. Противоположные природные явления называют антициклонами. Они характеризуются устойчивой погодой, слабыми ветрами и в ряде случаев температурной инверсией. При антициклонах порой возникают неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению в приземном слое атмосферы загрязняющих веществ.

Различают также морское и континентальное атмосферное давление.

Давление в водной среде возрастает по мере погружения. Благодаря значительно (в 800 раз) большей, чем у воздуха, плотности воды на каждые 10 м глубины в пресноводном водоеме давление увеличивается на 0,1 МПа (1атм). Абсолютное давление на дне Марианской впадины превышает 110 МПа (1100 атм).

Ионизирующие излучения. Ионизирующим называют излучение, образующее пары ионов при прохождении через вещество; фоновым – излучение, создаваемое природными источниками. Оно имеет два основных источника: космическое излучение и радиоактивные изотопы и элементы в минералах земной коры, возникшие некогда в процессе образования вещества Земли. Из-за большого периода полураспада ядра многих первозданных радиоактивных элементов сохранились в недрах Земли до настоящего времени. Главнейшие из них – калий-40, торий-232, уран-235 и уран-238. Под воздействием космического излучения в атмосфере постоянно образуются все новые ядра радиоактивных атомов, главные из которых – углерод-14 и тритий.

Радиационный фон ландшафта – одна из непременных составляющих его климата. В формировании фона принимают участие все известные источники ионизирующего излучения (рис. 3.5), однако вклад каждого из них в общую дозу облучения зависит от конкретной географической точки. Человек как обитатель природной среды получает основную часть облучения от естественных источников радиации, и избежать этого невозможно. Все живое на Земле подвергается излучению из Космоса на протяжении всей истории существования и адаптировалось к этому.

Рис. 3.5. Дозы получаемого радиоактивного облучения, мрад/г. (по Н. Ф. Реймерсу): 1 – космические лучи; 2 – внутренние α-лучи и излучение 40K, содержащегося в живых организмах; 3 – излучение местных внешних источников

Горные ландшафты благодаря значительной высоте над уровнем моря характеризуются повышенным вкладом космического излучения. Ледники, выполняя функцию поглощающего экрана, задерживают в своей массе излучение подстилающих коренных пород. Обнаружены различия в содержании радиоактивных аэрозолей над морем и сушей. Суммарная радиоактивность морского воздуха в сотни и тысячи раз меньше, чем континентального.

На Земле есть районы, где интенсивность излучения в десятки раз превышает средние значения, например, районы месторождений урана и тория. Такие места называют урановыми и ториевыми провинциями. Стабильный и относительно более высокий уровень излучения наблюдается в местах выхода гранитных пород.

Биологические процессы, сопровождающие образование почв, существенно влияют на накопление в последних радиоактивных веществ. При малом содержании гумусовых веществ их активность слабая, тогда как черноземы всегда отличались более высокой удельной активностью. Особенно она высока у черноземных и луговых почв, расположенных близко к гранитным массивам. По степени возрастания удельной активности почвы ориентировочно можно расположить в следующем порядке: торфяные; почвы степной зоны и лесостепи; черноземные; почвы, развивающиеся на гранитах.

Влияние периодических колебаний интенсивности космического излучения у земной поверхности на дозу облучения живых организмов практически не существенно.

Во многих районах земного шара мощность экспозиционной дозы, обусловленная излучением урана и тория, достигает уровня облучения, существовавшего на Земле в геологически обозримое время, при котором шла естественная эволюция живых организмов. В целом ионизирующее излучение более губительно воздействует на высокоразвитые и сложные организмы, причем человек отличается особой чувствительностью. Некоторые вещества распределяются в организме равномерно, например углерод-14 или тритий, а другие накапливаются в определенных органах. Так, радий-224, – 226, свинец-210, полоний-210 аккумулируются в костных тканях. Сильное воздействие на легкие оказывает инертный газ радон-220, порой выделяющийся не только из залежей в литосфере, но и из минералов, добытых человеком и применяемых в качестве строительных материалов.

Радиоактивные вещества могут накапливаться в воде, почве, осадках или в воздухе, если скорость их поступления превышает скорость радиоактивного распада. В живых организмах накопление радиоактивных веществ происходит при их попадании с пищей («правило биотического усиления», см. разд. 5.1.3).