Kitabı oxu: «Основы экологии и энергосбережения», səhifə 3

2.3.5. Взаимодействие факторов

Невзирая на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на животных и растения и в ответных реакциях можно выявить ряд общих закономерностей. Любой экологический фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния на организмы. Характерно, что как недостаточное, так и избыточное его воздействие отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Действие экологического фактора в зависимости от его интенсивности

Чем сильнее отклонение от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организм (зона угнетения пессимума, или стресса). Максимально (max) и минимально (min) переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью, или пределом толерантности живых существ к конкретному фактору среды. Представители разных видов существенно отличаются друг от друга как по положению оптимума, так и по экологической валентности.

При абиотических факторах среды к названию фактора среды добавляют приставку «эври». Например, эврибионты:

• эвритермные виды – выдерживающие значительные колебания температуры;

• эврибатные – выдерживающие широкий диапазон давления;

• эвригалинные – выдерживающие разную степень засоления среды.

Неспособность переносить значительные колебания фактора, или узкая экологическая валентность, характеризуется приставкой «стено», например:

• стенотермные виды – выносящие незначительные колебания температуры;

• стенобатные – выдерживающие только узкий диапазон давления;

• стеногалинные – выдерживающие узкую степень засоления среды.

2.3.6. Лимитирующие факторы. Закон минимума Либиха и закон толерантности Шелфорда

Под лимитирующими факторами понимается любой из действующих в природе экологических факторов: свет, вода, тепло, ветер, содержание химических элементов в почве и др. Лимитирующий (от лат. limitis – межа, граница), ограничивающий фактор – любой фактор, который ограничивает процесс развития или существования организма, вида или сообщества. В различных участках биосферы развитие жизни лимитируется разными веществами.

Немецкий ученый-агрохимик Ю. Либих в 1840 г. в своем труде «Химия в приложении к земледелию и физиологии» описал процессы питания растений и влияние разнообразных факторов и элементов питания на их рост. Он установил, что урожай культур ограничивается не теми элементами питания, которые требуются в больших количествах (например, водой, углекислым газом), а теми, которые необходимы в минимальных количествах, но которых в почве очень мало (например, бором или цинком). Ю. Либих писал: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени».

В 1855 г. Ю. Либих обобщил результаты своих исследований и сделал вывод: «Отсутствие или недостаток одного из необходимых элементов при наличии в почве всех прочих делает последнюю бесплодной для всех растений, для жизни которых этот элемент необходим (закон минимума Либиха). В настоящее время данный закон минимума звучит так: «Выносливость организмов определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей». Отсюда следует вывод, что дальнейшее снижение действия необходимого фактора ведет к гибели организма.

Практически закон минимума Либиха можно пояснить на примере. Допустим, что в почве содержатся все элементы минерального питания для данного вида растений, кроме одного из них – цинка или бора. Рост растений на такой почве будет сильно угнетен или невозможен. Если добавить в почву нужное количество бора или цинка, то это приведет к увеличению урожая.

Американский зоолог В. Э. Шелфорд пришел к выводу, что лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток таких факторов, как тепло, свет, вода. В 1913 г. он сформулировал это положение как закон, который в экологии носит название закона толерантности Шелфорда: «Любой организм имеет верхние (max) и нижние (min) границы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору». Диапазон между максимумом и минимумом указывает на выносливость организма, в пределах которого он только и может существовать.

Закон Либиха и закон Шелфорда являются основополагающими законами экологии.

2.4. Значение солнечной радиации для биосферы

Источником энергии, тепла и света на земном шаре является Солнце. Солнечная энергия нагревает воду и почву, от которых нагревается воздух. Это тепло является движущей силой:

• большого круговорота воды на поверхности земного шара;

• циркуляции и перемещения вод Мирового океана;

• фазы круговорота воды в пределах экосистемы;

• общей циркуляции атмосферы, совокупности основных воздушных течений, приводящих к вертикальному и горизонтальному обмену масс воздуха;

• протекания фотосинтеза и образования продуцентами органических веществ и кислорода, которые необходимы консументам для питания и дыхания.

Следовательно, вся органическая жизнь на Земле обязана своим существованием солнечной радиации. Лучистая энергия Солнца представляет собой электромагнитные излучения и поток квантов. Чем меньше длина волны, тем большой запас энергии несет квант излучения. Лучистая энергия распространяется прямолинейно со скоростью 300 000 км/с.

2.4.1. Спектральный состав солнечной радиации

Преодолев огромное расстояние, часть солнечных лучей достигает поверхности Земли, освещает и обогревает ее. Примерно половина лучистой энергии приходится на видимые лучи, около половины – на тепловые инфракрасные и около 10 % – на ультрафиолетовые.

Видимые лучи с длиной волны 760–390 нм проходят атмосферу и проникают через кожу на глубину 1–10 мм. Они обладают глубоким тепловым и слабым фотохимическим действием. Видимый свет в зависимости от длины волны подразделяется на семь цветов радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Солнечный свет – важный раздражитель, который через зрительный анализатор влияет на состояние центральной нервной системы. Свет действует положительно на эмоциональное состояние человека:

• улучшает его самочувствие;

• повышает жизненный тонус;

• воздействует на фотохимические процессы в организме;

• влияет на ритм жизненного уклада (сон и бодрствование);

• на обмен веществ;

• на сердечно-сосудистую систему.

Инфракрасные лучи с длиной волны 1500–670 нм проходят через атмосферу и оказывают поверхностное тепловое действие. Они вызывают нагревание, расслабление кожных сосудов и гиперемию кожи, повышают температуру ткани. Эти лучи несколько улучшают обмен веществ и усиливают биологическое действие ультрафиолетовых лучей.

Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 400–200 нм. Физическая характеристика и биологический эффект ультрафиолетовых лучей представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Физическая характеристика и биологический эффект ультрафиолетового излучения (УФИ)

2.4.2. Влияние света на важнейшие процессы, протекающие в растениях и у животных

Свет необходим для жизни, так как это источник энергии для фотосинтеза (фотосинтез – превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ). Однако интенсивность света, длина его волны, цвет и продолжительность освещения (фотопериод) могут оказывать различное влияние.

Интенсивность света зависит от угола падения солнечных лучей на земную поверхность, а также от широты, сезона, времени дня и экспозиции склона.

Длина дня, т. е. соотношение между светлой и темной фазами суток, на экваторе более или менее постоянна (около 12 ч), но в более высоких широтах она изменяется в зависимости от времени года. Для растений и животных такой фотопериодизм обеспечивает синхронность их активности и времен года. Примерами могут служить цветение и прорастание семян у растений, миграция, зимняя спячка и размножение животных.

Структура растительных сообществ зависит от количества света. Распространение водных растений ограничено поверхностными слоями воды. В наземных экосистемах в процессе конкуренции за свет у растений выработались определенные стратегии (например, быстрый рост в высоту, использование других растений в качестве опоры (у лиан), увеличение поверхности листьев). В лесах это приводит к ярусной структуре сообщества.

Некоторые важные процессы, протекающие в зависимости от света, перечислены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Важнейшие процессы, протекающие в растениях и у животных в зависимости света

2.4.3. Световое голодание и заболевания, вызванные УФЛ

Недостаток естественного света, особенно ультрафиолетовой радиации, приводит к световому голоданию. Это может происходить:

• в населенных пунктах, где много туманов. Например, в Англии действовал неписаный закон: если выглянет солнце, то общественный транспорт останавливается, т. е. пассажирам предоставляется возможность выйти, чтобы принять солнечные и воздушные ванны;

• северных широтах, в Заполярье;

• местах с большой запыленностью и задымленностью воздуха (лесные пожары, горение торфяников, извержение вулканов).

Световое голодание проявляется снижением жизненного тонуса, понижением сопротивляемости организма к заболеваниям, недостатком синтеза витамина D₃, что ведет к нарушению фосфоро-кальциевого обмена, вызывающему у детей рахит, а у взрослых – остеопороз, а также к развитию малокровия, простудных заболеваний.

Однако еще К. А. Тимирязев отмечал, что Солнце – не только великий созидатель, но и великий разрушитель. Интенсивное солнечное облучение может привести к отрицательным последствиям и проявляться:

• обширной солнечной эритемой. Отмечаются общие симптомы плохого самочувствия: головные боли, тревожный сон, повышение температуры облученных поверхностей;

• дерматитами. Интенсивное воздействие ультрафиолетовых лучей приводит к образованию на коже красноты, отечности и пузырей.

Длительное пребывание под солнечными лучами может привести к перегреву организма, солнечному удару, ухудшению самочувствия, обострению хронических заболеваний.

Последствия воздействия ультрафиолетовых лучей на человека разделяются на две группы – детерминированные и стохастические. Детерминированные эффекты ограничены кожей, глазами ввиду неглубокого проникновения ультрафиолетового излучения через кожу. Это ожоги кожи, временное подавление иммунитета, фотокератит, конъюнктивит, фототоксическое и фотоаллергическое поражения, которые появляются спустя 2–14 ч после облучения.

Стохастические эффекты (т. е. более поздние) после облучения УФИ – это:

1) катаракта. Она возникает, если солнечный свет, особенно УФВ, «активен в отношении индукции катаракт». Лица с удаленным хрусталиком обладают повышенным риском повреждения сетчатки;

2) обострение светочувствительного заболевания (например, красной волчанки), патологическая пигментация – старческий кератоз (предрак).

3) злокачественные новообразования кожи (базально-клеточная карцинома – характеризуется инфильтрирующим ростом на лице, обычно не дает метастазов; сквамозно-клеточная карцинома – характеризуется инфильтрирующим ростом на губах, прогноз неутешительный; меланома – наиболее злокачественная опухоль).

2.4.4. Физико-химические свойства солнечной радиации

Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли. Солнце имеет слоистое строение. В каждом из слоев происходят свои физические процессы, приводящие к испусканию в околопланетное пространство электромагнитного излучения, потоков заряженных частиц, которые участвуют в формировании первичного космического излучения.

В солнечной атмосфере возможно внезапное увеличение активности, что выражается в появлении на Солнце темных пятен. Вокруг пятен возникают вспышки, где температура достигает 15 000 К¹. При солнечной вспышке средней интенсивности, а это сопровождается появлением «дыр», пятен на Солнце, выделяется огромное количество энергии – примерно 40²⁵Дж. Вспышка состоит из рентгеновских, ультрафиолетовых, видимых, космических лучей, радиоволн, корпускул. Вспышки на Солнце ведут к интенсивному выбрасыванию в межпланетное пространство потоков заряженных частиц, энергия и скорость которых больше, чем энергия солнечного ветра. Из-за сильного сжатия магнитосферы Земли увеличивается напряженность магнитного поля, что проявляется магнитной бурей.

Факторы, воздействующие на человека во время геомагнитной бури, могут проявляться:

• увеличением количества автокатастроф;

• повышением производственного и бытового травматизма;

• обострением хронических заболеваний;

• увеличением количества суицидов.

2.5. Понятие о геомагнитном поле

Геомагнитное поле (магнитное поле Земли) учитывается в воздушной, водной, подводной и космической навигации. Оно оказывает влияние на геофизические, биофизические и экологические процессы на Земле.

Геомагнитное поле Земли пронизывает:

• все ее оболочки – литосферу, гидросферу и атмосферу, воздействуя на животный и растительный мир, а также на минеральные вещества;

• оказывает существенное влияние на формирование климата и погоды;

• влияет на колебания температуры, атмосферного давления, выпадение осадков, возникновение бурь, ураганов и других стихийных бедствий.

Влияние магнитного поля Земли на человека обусловлено солнечной активностью. Мы будем рассматривать единый гелиогеофизический фактор, который начинается на Солнце и заканчивается на Земле. Как мы уже отмечали, Солнце имеет огромные размеры и слоистое строение. В каждом из слоев происходят свои физические процессы, приводящие к испусканию в межпланетное пространство волновых излучений широкого спектра (от инфракрасного до рентгеновского); потока ускоренных корпускулярных заряженных частиц (протонов, электронов, атомов гелия и кислорода, составляющих солнечный ветер) (рис. 2.2).

Скорость данных частиц примерно равна 400 км/с, а плотность – десятки частиц на 1 см². Они достигают поверхности Земли за 4–5 сут. Металлическое ядро Земли, а также осевое вращение и движение по орбите превращают ее в огромный двигатель. В ядре протекают токи с силой в триллионы ампер, порождающие магнитное поле Земли, которое и служит защитой от солнечного ветра. Характерно, что солнечный ветер весьма сложным образом взаимодействует с магнитосферой Земли (рис. 2.3.).

Рис. 2.2. Схематическое изображение магнитосферы Земли

Магнитное поле Земли небольшое, притом дипольное. Магнитная ось земного магнита расположена не вдоль географической оси, а составляет с ней угол 11° (см. рис. 2.2.). Как видно, магнитные и географические полюсы не совпадают. Солнечная активность отличается 11-летней периодичностью. Существует несколько солнечных циклов. Короткий цикл составляет 11 лет, средний – 110 и 300 лет, длинный цикл – предположительно около 11 тыс. лет.

Силовые линии магнитного поля характеризуются определенной ориентацией. От Северного магнитного полюса (он расположен в Южном полушарии) линии направлены вертикально вверх, а на Южном полюсе (в Арктике) – вниз. На экваторе они параллельны земной поверхности.

Рис. 2.3. Схематическое изображение магнитного поля Земли

Магнитосфера Земли взаимодействует с магнитным полем Солнца. Магнитное поле Земли из-за наличия солнечного ветра не симметрично. С дневной стороны, которая напрямую обдувается солнечным ветром, оно поджимается ближе к земной поверхности. С ночной стороны солнечный ветер давит на магнитное поле только с боков. В связи с этим силовые линии магнитного поля вытягиваются на очень большие расстояния.

Проникнуть в атмосферу Земли заряженные частицы могут через области воронок, которые имеются в Южном и Северном полушариях. Кроме того, есть второй путь проникновения в атмосферу – через шлейф, или хвост магнитосферы. Чем дальше от Земли будет солнечный ветер, тем напряженность магнитного поля меньше.

Возможно также внезапное увеличение солнечной активности. Это появление на Солнце темных пятен, образование волокон, корональных дыр, что сопровождается выделением огромного количества энергии – в среднем 10²⁵ Дж. Энергия, выброшенная в межпланетное пространство, больше энергии частиц солнечного ветра. При этом поток электромагнитной энергии достигает поверхности за 8 мин, а поток высокоскоростных частиц – за 12–24 ч. Под таким давлением магнитосфера Земли на дневной стороне сжимается примерно вдвое, что увеличивает напряженность ее магнитного поля. Начинается мировая магнитная буря.

Начальная фаза магнитной бури длится 4–6 ч. Понижение напряженности магнитного поля называют главной фазой, которая длится 10–15 ч. Восстановительная фаза продолжается несколько часов. В это время магнитосфера восстанавливает свои первоначальные размеры.

Во время магнитной бури на человека воздействуют следующие факторы:

• инфразвуковые электромагнитные колебания, которые распространяются из области высоких широт;

• микропульсации магнитного поля Земли, оказывающие наибольшее влияние на центральную нервную систему человека, с частотой 0,1 Гц;

• изменение интенсивности ультрафиолетовой радиации, метеорологических условий, атмосферного электричества;

• повышение радиоактивности за счет выхода радона (Rn²²², Rn²²⁰, Rn²¹⁹) в атмосферу.

2.5.1. Поражающие факторы геомагнитных бурь

При геомагнитных бурях в организме человека происходит образование свободных радикалов (О₂, ОН, Н₂О₂), которые приводят к стимуляции перекисного окисления липидов на фоне развивающегося дефицита антиоксидантов. Свободные радикалы образуются несколькими способами – например, при гидролизе воды:

Н₂О → Н^* + ОН^*

или при взаимодействии пероксида водорода с железом:

Fe² + Н₂О₂ → Fe³ + OH^- + OH^*.

Они могут образовываться также при воздействии ионизирующего излучения или в результате окисления соединений типа глютатиона. При образовании свободных радикалов, как уже упоминалось, происходит перекисное окисление липидов, появляются дисульфидные мостики в белках, протекает активация липаз, фосфолипаз и повреждается ДНК. Все это приводит к нарушению обменных процессов:

• в микросомах печени снижается интенсивность обезвреживания ксенобиотиков;

• повышается тонус сосудов из-за появления в крови необезвреженных ксенобиотиков и свободных радикалов;

• развивается холестаз, ухудшается работа кишечника в результате снижения тонуса желчевыводящих путей;

• повышается вязкость крови из-за увеличения агрегации тромбоцитов;

• магнитное поле способствует снижению синтеза мелатонина, синтезируемого в эпифизарных клетках мозга, а через него может воздействовать на весь организм;

• увеличивается частота заболеваний сердечно-сосудистой системы (артериальная гипертензия, аритмия, стенокардия, инфаркт миокарда, который характеризуется тяжелым течением, а смертность повышается на 10–20 %);

• повышается заболеваемость органов дыхания (хронические бронхиты, приступы бронхиальной астмы, хроническая обструктивная болезнь легких);

• проявляется в большей степени синдром хронической усталости и психоэмоционального напряжения.

Ведущим фактором воздействия на человека изменений солнечной активности, которая тесно связана с геомагнитной активностью, являются, как доказано исследователями, инфра-низкие электромагнитные колебания.

Немецкий физик В. О. Шуман (1888–1974) в своих исследованиях доказал, что частота волны первого порядка равна 7,5 Гц (скорость света составляет 300 000 км/с, диаметр Земли равен 6371 км, ее окружность – 40 000 км). Таким образом, длина волны первого порядка должна составлять 300 000: 40 000 = 7,5 Гц. Экспериментально доказано, что в действительности частота основной волны равна 7,8 Гц. Волны являются незатухающими, распространяются на огромные расстояния без уменьшения интенсивности, но их частота зависит от времени суток. Ночью частота их снижается, так как уменьшается толщина слоя ионосферы.

Среди волн Шумана доминирует одна, которая близка к частоте 8 Гц. Этим и объясняется их непосредственное воздействие на организм человека, а именно на нервную систему, так как частота 8 Гц совпадает с частотой альфа-ритма головного мозга. Таким образом, альфа-ритм – ритм биоэлектрической активности коры головного мозга человека. Он находится в состоянии резонанса с доминирующей частотой волн Шумана.

Повышение амплитуды волн Шумана способно воздействовать на нервную систему человека. Это проявляется:

• изменением реакции на действие внешних раздражителей;

• появлением чувства тревоги, безотчетного страха, беспокойства;

• воздействием на эндокринные железы и весь организм в целом.

У людей встречаются разные уровни магниточувствительности: низкий (14 %), средний (70 %) и высокий (16 %). Следовательно, при изменении геомагнитного поля у 16 % людей наблюдается кратковременная перестройка вегетативно-гуморальной, эндокринной и сердечно-сосудистой систем и всего организма в целом.

Необходимо отметить, что жизнедеятельность любого организма сопровождается протеканием внутри него слабых электрических токов, т. е. биотоков. Сам организм представляет собой автоколебательную систему с выделительным набором биогенных биоритмов. Наиболее характерными короткопериодическими ритмами центральной нервной системы у здорового человека в состоянии покоя следует считать колебательную активность электрических и магнитных полей (головной мозг – 2–30 Гц; частота сердечных сокращений – 1–1,2 Гц; частота дыхательных движений – 0,3 Гц; периодичность колебаний артериального давления – 0,1 Гц; температура тела – 0,05 Гц).

В последнее время выяснилось, что магнитное поле человеческого организма состоит из двух составляющих: собственного магнитного поля, возбужденного биотоками отдельных органов (сердца, мозга, печени и др.), и наведенного магнитного поля, возбужденного движением токопроводящей жидкости – крови (электролит). Следовательно, колебания магнитного поля Земли, т. е. внешний фактор, синхронизируют эндогенные ритмы. Индуцированные внешним полем биотоки порождают вторичное магнитное поле, характеризующее конкретного человека.

Резонансные реакции отражаются на общем состоянии человека. При близости частот сокращения мышцы сердца и магнитных возмущений возникают резонансное возрастания вихревых движений, что фактически может привести к нарушению кровообращения в период магнитных бурь. Характерно, что первый подъем сердечных аритмий у человека в 24 % случаев наблюдается за два дня до начала магнитной бури (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Влияние магнитных бурь на подъем сердечных аритмий у человека

Практически это время совпадает с приходом к Земле электромагнитного излучения из Солнечной короны. Второй подъем (25 %) начинается в день бури и достигает максимума через 1 сут. Следующий подъем (28 %) приходится на пятый день, когда начинает действовать метеофактор. На седьмой день отмечается снижение уровня аритмии на 5 % ниже контрольного, что обусловлено максимальной адаптацией. Болезни могут проявляться обратимым десинхрозом, а при сильных отклонениях часто происходят необратимые изменения – инфаркт миокарда, инсульт.