Основные абиотические факторы и их влияние на организмы

В природе основным источником диоксида углерода служит так называемое почвенное дыхание. Так, например, почва букового леса выделяет от 15 до 22 кг/га в час этого  газа. Другими источниками выступают  процессы горения, вулканы, промышленные предприятия и транспорт. Особенно мощным антропогенным загрязнителем  атмосферы диоксидом углерода является теплоэнергетика. 

Азот воздуха —  нейтральный газ для большинства  организмов, особенно животных. Однако для значительной группы микроорганизмов (клубеньковых бактерий, сине-зеленых  водорослей и др.) азот — это фактор жизнедеятельности. Названные микроорганизмы, усваивая молекулярный азот, после  отмирания и минерализации снабжают корни высших растений доступными формами  данного элемента. Тем самым азот включается в азотсодержащие вещества растений (аминокислоты, белки, пигменты и др.). В дальнейшем биомасса этих растений потребляется травоядными  животными и т.д. по пищевой цепи. 

Озон является одним  из важнейших компонентов воздуха. Он имеет существенное эколого-биологическое  значение, несмотря на крайне низкое количественное содержание в атмосфере (6-10~5 % по массе). Это связано с тем, что молекула озона 03 весьма активно поглощает  коротковолновое УФ-излучение Солнца и, таким образом, является защитным экраном от жесткого, короче 280 нм, УФ-излучения, крайне опасного для всего живого на Земле. 

Аргон, неон, гелий  и другие благородные газы атмосферы  в экологическом плане считаются  нейтральными (на данном уровне знания). 

Загрязнения антропогенного происхождения, поступающие в воздух, весьма существенно влияют на живые  организмы. Особенно это присуще  ядовитым газообразным веществам —  диоксиду серы, метану, оксиду углерода (И), диоксиду азота, сероводороду, соединениям  хлора, а также частицам пыли, свинца и т.п. Например, лишайники погибают даже при следах диоксида серы в  воздухе среды их обитания. 

Геомагнитное поле. Магнитное поле планеты удерживает электроны и ядра водорода, которые  образуют вокруг Земли радиационный пояс. 

Изменения в геомагнитном поле (ГМП) в основном связаны с  солнечной активностью. Циклические  возмущения ГМП достигают минимума одновременно с минимумом солнечной  деятельности или на год позже. Вспышки  на Солнце вызывают более мощные корпускулярные потоки, которые возмущают магнитное  поле Земли. При этом быстро и сильно меняются характеристики магнитного поля, возникает так называемая «магнитная буря». 

Аналогично гравитационному  полю, ГМП является всепроникающим и всеохватывающим физическим фактором, который неизбежно оказывает  влияние на процессы, происходящие на Земле и в окружающем ее пространстве, воздействует на все живое, в том  числе и на человека. Это влияние  носит весьма сложный характер, по-видимому, оно проявляется на клеточном  уровне и затрагивает генетический аппарат. Поэтому изучение характера  магнитного поля и воздействия на живые организмы представляет одно из новых и перспективных направлений  в биологии и медицине. Достоверно установлено, что в периоды магнитных  бурь возрастает количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией. Так, в годы спокойного Солнца (1963—1964 гг.) отмечено меньшее число инфарктов миокарда, мозговых инсультов, гипертонических кризов, а в годы активного Солнца (1967—1968 гг.) сосудистые катастрофы заметно учащались. Еще в 1930 г. основоположник гелиобиологии A.JI. Чижевский указывал, что больной организм следует рассматривать как систему, которая выведена из состояния устойчивого равновесия. Для таких биологических систем достаточно импульса извне, чтобы неустойчивость постепенно или сразу увеличилась и организм погиб. Согласно воззрениям ученого, подобным импульсом могут быть резкие изменения в ходе метеорологических и гелиогеографизических факторов. 

Ионизирующее излучение  — это любой вид излучения, прохождение которого через вещество, живую клетку, ткани, организм вызывает ионизацию и возбуждение составляющих их молекул и атомов. При этом различают квантовое (электромагнитное) ионизирующее излучение, к которому относят ультрафиолетовые лучи (длина волны 380...1 нм), рентгеновские лучи (от 10-7до 10-12 м) и гамма- лучи (менее 0,1 нм), а также корпускулярное ионизирующее излучение, к которому относятся альфа-лучи (ядра атомов гелия), бета-лучи (электроны или позитроны), потоки протонов и других частиц. 

В природе ионизирующими  излучениями являются космические  лучи и излучения радиоактивных  веществ. Космические лучи — поток  атомных ядер (в основном протонов) высокой энергии, приходящих на Землю  из мирового пространства (первичное  излучение), а также образуемое ими  в атмосфере планеты вторичное  излучение, в котором встречаются  практически все известные элементарные час-типы. По современным представлениям, первичные космические лучи имеют в основном галактическое происхождение. Некоторая их часть приходит от Солнца. Предполагают, что частицы сверхвысоких энергий, возможно, зарождаются вне нашей Галактики. 

Искусственное ионизирующее излучение (электроны, позитроны, протоны, нейтроны, атомные ядра и элементарные частицы, а также электромагнитное излучение гамма-, рентгеновского и оптического диапазонов) создается главным образом на ускорителях заряженных частиц, в результате испытаний ядерного оружия, работы ядерных энергетических установок и т.д. 

Радиационный фон  Земли складывается из разных источников. Около 30% естественного фона ионизирующих излучений составляют космические  лучи, до 70% — излучения рассеянных в земной коре, почве, атмосфере, воде радиоактивных элементов — тория, урана, радия. Радиоактивные изотопы  К40, Н3, С14 входят в состав клеток и  тканей организма и вносят свою долю в естественный радиационный фон. 

В последнее время  выявлен вклад радона в радиационный фон окружающей среды. В воздух жилых  помещений радон проникает в  основном из земной коры (через трещины). Там он образуется при распаде Ra226. Любое строение, в том числе  жилой дом, препятствует рассеиванию  радиоактивного газа радона, поэтому  последний постепенно накапливается  в помещениях, подчас достигая опасных  концентраций. 

Природные лучевые  нагрузки организмов формируются за счет внешнего и внутреннего их облучения  от естественных источников ионизирующего  излучения. Внешнее облучение бионтов, т.е. живых организмов, формируется  тремя составляющими: 1) космическим  излучением; 2) излучением радионуклидов, рассеянных в биосфере; 3) излучением материалов и сооружений, созданных  человеком. 

Внутреннее облучение  бионтов формируется радионуклидами, накапливающимися в их тканях в процессе поглощения питательных веществ  из окружающей среды. Количество этих радионуклидов в организме, как правило, не превышает определенного уровня. У растений это достигается благодаря тому, что поступающие с питательными веществами радиоактивные изотопы в основном откладываются в растущих органах и частях, у животных — благодаря установлению подвижного равновесия между поступлением и выделением. 

Чувствительность  организмов к ионизирующим излучениям. В процессе исторического развития все живые существа приобрели  способность благополучно переносить естественный фон ионизирующего  излучения; превышение этого фона представляет опасность для каждого организма. Только ионосфера защищает жизнь  на Земле от губительного коротковолнового жесткого космического излучения. Важно  подчеркнуть, что в воздействиях последнего на организмы не существует низшей пороговой дозы. 

Чувствительность  организма к ионизирующим излучениям зависит от видовых особенностей. 

Ионизирующее излучение  значительно превосходит все  известные виды излучений по глубине  и силе воздействия на организм. Различные биологические объекты  обладают неодинаковой устойчивостью  к его действию. Даже одни и те же клетки в зависимости от стадии клеточного цикла имеют разную чувствительность. Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений микроорганизмы, наименее — млекопитающие. 

При поглощении энергии ионизирующего излучения в организме млекопитающих наблюдаются разнообразные морфологические и функциональные нарушения, приводящие к развитию острой или хронической форм лучевой болезни. 

Различают следующие  степени острой лучевой болезни  млекопитающих в зависимости  от поглощенной дозы: легкая (первая) степень — 1—12,5 Гр; средняя (вторая) — 2,5 — 4 Гр; тяжелая (третья) — 4—10 Гр; крайне тяжелая (четвертая) — от 10 Гр и выше. В развитии острой лучевой болезни отмечается три периода: формирование, восстановлений, исход и последствия. Кроме того, ее течение зависит от площади облученной поверхности и затронутых при этом органов. Наиболее чувствительны к облучению костный мозг, некоторые отделы кишечника, селезенка. 

В действительности серьезные последствия наступают  при значительно меньших дозах  и левые части на рис. 2.2 следовало  бы сдвинуть немного левее. Например, доза в 2 Гр убивает эмбрионы многих насекомых, доза в 50 Гр приводит к полному  бесплодию этих насекомых, тогда  как смертельная доза для взрослых особей составляет около 1000 Гр. 

В экосистемах удар ионизирующих излучений первым воспринимает растительное сообщество. Растения накапливают  радионуклиды, способствуя их вертикальному  и горизонтальному перераспределению. Так, выпавший с дождем стронций -90 попадает сначала в траву, далее в съевшую эту траву корову, а затем с молоком или сыром поступает в человеческий организм, где, в конце концов, будучи химическим аналогом кальция, накапливается в костном мозге. Это может привести к лейкозу или опухоли. Менее растворимый Cs137 попадает в организм животных и человека непосредственно с растительной пищей, концентрируется в мягких тканях (печень или половые железы). Если затронуты последние, то это нередко приводит к потере детородных функций. 

Огонь как экологический  фактор. В сочетании с определенными  климатическими условиями (сушь, ветер) он может привести к полному или  частичному выгоранию растительности в большинстве наземных местообитаний, гибели животных и микроорганизмов. Основной причиной возгораний в естественных условиях являются молнии, однако ныне все большее значение приобретают  пожары, вызванные человеком: по некоторым  данным, ежегодно в мире огонь уничтожает растительность на площадях в десятки  миллионов гектаров. Как следствие, в атмосферу поступают огромные количества диоксида углерода и других веществ, что приводит к заметным экологическим последствиям. Кроме  прямого воздействия огня на живые  организмы экологически значимым является его косвенное воздействие. Это  проявляется, например, прежде всего  в ликвидации конкурентов для  оставшихся в живых видов. 

После сгорания растительного  покрова резко изменяются условия  среды: почва сильнее прогревается днем, но сильнее охлаждается ночью, больше пересыхает и легче подвергается ветровой и дождевой эрозии; наконец, увеличивается доступ к ней света. Изменяется и минеральный режим  почвы на пожарищах, в частности, ускоряется минерализация гумуса, возрастает щелочность почвенного раствора и т.п. Выжигая в лесу подстилку, а в  степи ветошь, огонь уничтожает многих представителей фауны, обитающих в  этих слоях, но при этом, как правило, ликвидирует и многие патогенные факторы (например, разносчиков болезней). 

В местностях, для  которых характерны сухой климат и хорошо развитый растительный покров, многие растения в процессе эволюции приспособились к огневому воздействию  и постепенно сформировали пирофитную (дословно: огнелюбивую) флору. Растения-пиро-фиты (дуб, белый ракитник и др.) обладают уникальными особенностями: быстрый  рост и раннее плодоношение; твердая  и прочная кожура семян; высокая  огнестойкость коры стволов; высоко поднятая крона; высокая регенерационная  способность корневых систем и т.п. 

Выделяют несколько  типов природных пожаров, которые  различны по своему действию. Низовые  пожары обладают избирательным действием, они способствуют развитию организмов с высокой устойчивостью к  огню. Отметим, что относительно небольшие  низовые пожары ускоряют разлагающее  действие бактерий на отмершие растения и переводят минеральные питательные  вещества почвы в более доступную  для растений форму. Верховые пожары нередко уничтожают всю растительность и оказывают лимитирующее действие на большинство организмов. После  таких пожаров биотическому сообществу приходится начинать все сначала, и  должно пройти немало лет, пока участок  снова станет достаточно продуктивным. 

Военная деятельность может вызвать оба вида пожаров  с присущими для них особенностями. При применении же некоторых видов  оружия, в частности ядерного, возникают  огненные бури с крайне тяжелыми последствиями, вплоть до полного и необратимого разрушения природных экосистем. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Место человека  в биосфере. Антропогенные факторы  в биосфере 

Та часть литосферы, гидросферы и атмосферы Земли, в  которой существуют и развиваются  растительные и живые организмы, называется биосферой.