Лекция №5,6 Природные факторы отрицательно воздействующие на живые организмы.

План:

1.Природные факторы необходимые для существования живых организмов.

2.Химический состав среды обитания. Распространенность химических элементов.

3.Форма нахождения химических элементов в среде обитания организмов.

Ключевые слова: химические элементы, среда обитания,

1.Среда — это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. Из среды организмы получают все необходимое для жизни и в нее же выделяют продукты обмена веществ. Среда каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы и элементов, привносимых человеком и его производственной деятельностью. При этом одни элементы могут быть частично или полностью безразличны организму, другие необходимы, а третьи оказывают отрицательное воздействие. Например, заяц-беляк (Lepus timidus) в лесу вступает в определенные взаимоотношения с пищей, водой, химическими соединениями, кислородом, без которых он обойтись не может, в то время как ствол дерева, пень, кочка, валун на его жизнь не оказывают существенного влияния. Заяц вступает с ними во временные связи (укрытие от врага, непогоды), но не обязательные связи.

Условия жизни, или условия существования, — это совокупность необходимых для организма элементов среды, с которыми он находится в неразрывном единстве и без которых существовать не может.

Приспособления организмов к среде носят название адаптации. Способность к адаптациям — одно из основных свойств жизни вообще, обеспечивающее возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. Адаптации проявляются на разных уровнях — от биохимии клеток и поведения отдельных организмов до строения и функционирования сообществ и экологических систем. Все приспособления организмов к существованию в различных условиях выработались исторически. В результате сформировались специфические для каждой географической зоны группировки растений и животных.

Многообразие экологических факторов подразделяется на две большие группы: абиотические и биотические.

Абиотические факторы — это комплекс условий неорганической среды, влияющих на организм.

Биотические факторы — это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. В отдельных случаях антропогенные факторы выделяют в самостоятельную группу факторов наряду с абиотическими и биотическими, подчеркивая тем самым чрезвычайное действие антропогенного фактора. Соглашаясь с вышеуказанным, мы все же считаем более правильным классифицировать его как часть факторов биотического влияния, так как понятие «биотические факторы» охватывает действия всего органического мира, к которому принадлежит и человек.

2.Форма нахождения химических элементов в среде обитания организмов. Состав живого вещества и условия развития жизни на Земле во многом определяются и преобладанием определенных форм нахождения химических элементов в среде обитания организмов. Так, в составе земной коры преобладают химические элементы, для которых предпочтительной является минеральная форма, а организмы поглощают в основном химические элементы, находящиеся в водных растворах, газовых смесях и в биологической форме. Это сказалось и на особенностях химического состава организмов:

воздушные мигранты составляют в живом веществе свыше 98% его массы, а в земной коре – лишь около 50%; среди водных мигрантов (по А.И. Перельману) в организмах преобладают подвижные. На их долю приходится 0,7%, а на долю малоподвижных – около 0,5%. В земной же коре преобладают слабо- и малоподвижные, составляя свыше 44%. На долю подвижных приходится всего около 8%; обособленные в пространстве земной коры такие формы нахождения элементов, как минеральная, водные растворы, газовые смеси, коллоидная и сорбированная, в живом веществе часто пространственно совмещены, образуя единый организм.

Как уже указывалось, с учетом форм нахождения химических элементов в составе земной коры при различных экологических исследованиях отдельно выделяются гидросфера, атмосфера, почвы и живое вещество. Все они имеют огромное значение и свою специфику воздействия на безопасность жизнедеятельности людей.

Все воды гидросферы можно разделить на две большие группы: минерализованные воды Мирового океана и преимущественно пресные воды континентов. В обеих группах установлены средние содержания (кларки) большинства химических элементов.

Геохимическая обстановка развития жизни в Океане отличалась от обстановки на континентах прежде всего наличием водной среды, содержащей большинство химических элементов в наиболее доступной для организмов форме – в ионных растворах. Кроме ионов в океанической воде растворены газы, а также находятся минеральные и органические коллоиды и отдельные молекулы различных веществ. Первичная минерализация вод Океана неизвестна, но вполне можно считать, что они были менее солеными. Косвенно об этом свидетельствует миграция многих видов морских рыб на нерест в пресные воды рек и озер.

Эксперименты показывают, что океаническая вода представляет собой раствор, ненасыщенный химическими элементами. Специалисты считают, что определенная концентрация в водах большинства химических элементов

поддерживается в результате механического опускания частиц, сорбции и биогенной аккумуляции. Эти три основных механизма извлечения химических элементов (их соединений) из вод тесно переплетены между собой и неодинаково проявляются в разных частях Океана. По данным академика А. П. Лисицина и ряда других исследователей, биогенное осадконакопление резко преобладает в гумидных областях. А вообще зоопланктоном за 20 суток отфильтровываются воды Океана до глубины 500 м. (Теперь вспомним, что под пленкой нефти в водах пропадает жизнь, что зоопланктон гибнет от ядохимикатов, и представим иллюзорность самоочищения Океана при современном отношении к его загрязнению.)

Все три механизма извлечения химических элементов (их соединений) из вод не постоянны во времени и пространстве. В связи с этим в зависимости от времени, глубины водного слоя и местоположения в Мировом океане концентрация одного и того же элемента может изменяться в довольно широких пределах. Так, анализы вод показали содержание в них меди у Шотландского побережья и в Адриатическом море около 6 (в мкг/л), в Ла-Манше – 12, у восточного побережья США – 16, а в Ирландском море – 27. У ряда других элементов (особенно у поглощаемых животными организмами) пределы колебаний еще больше, а для С, N, О, Р, S и Si они достигают трех порядков (Е.D. Goldberg, 1957).

Возрастает объем взвесей, выносимых реками в Океан с освоенных людьми территорий, их значительную часть составляют коллоидные частицы. Таким образом, в результате антропогенной деятельности возможно изменение кларковых содержаний, определяющих состав вод в настоящее время. Вероятность этого увеличивается в связи с тем, что не только изменяется состав вод, поступающих с континентов, но под действием антропогенных процессов меняются природные процессы всех трех видов извлечения химических элементов из океанических вод.

Сейчас еще трудно сказать, начинаются ли в результате техногенной нагрузки на Океан процессы мутации водных организмов, однако миграция многих из них из загрязненных вод в более чистые хорошо видна на примере Черного моря. Пока наибольшие техногенные изменения элементного состава характерны для пресных вод континента. Но природные колебания содержаний отдельных элементов в поверхностных и подземных водах континентов очень велики (табл. 3.5). В связи с этим можно предполагать, что в настоящее время на жизнь организмов в этих водах большее влияние оказывают не изменения концентраций химических элементов, а появление техногенных соединений, не имеющих аналогов в этих условиях.

Отличия содержаний кларков химических элементов в водах Океана и пресных водах континентов (рек) для подавляющего большинства элементов не существенны. Если учесть еще и подземные минерализованные воды, то в водах Океана кларки элементов будут находиться между крайними значениями (минимальными и максимальными) средних концентраций этих же элементов в разных типах вод континентов.

Можно считать, что кларки, определенные для нынешнего состояния гидросферы, в наибольшей мере отвечают, во-первых, условиям жизни водных организмов, а во-вторых – миграции элементов, обеспечивающей нормальную жизнедеятельность современных организмов суши.

Атмосферные газы часто рассматривают совместно с почвенными, так как они вместе определяют процессы жизнедеятельности многих организмов суши.

В атмосфере находятся радиоактивные газы (радон и торон), которые иногда (особенно Rn) скапливаются в приземном воздухе, даже в помещениях. Обычно это происходит над залежами урана и тория и над разрывными нарушениями в земной коре. Скопления природных радиоактивных газов могут оказать отрицательное воздействие на жизнедеятельность человека. В последнее время такие образования чаще имеют техногенное происхождение и связаны с "мирным использованием атома".

В воздухе также всегда присутствуют аэрозоли. Их природная концентрация над континентами измеряется десятками микрограммов в 1м3 газа; над океанами она на порядок меньше. Максимальное содержание аэрозолей отмечается непосредственно над поверхностью Земли и резко уменьшается до высоты 5 км. Изучение состава аэрозолей показало, что в районах отсутствия промышленных предприятий они содержат микроэлементы в следующих концентрациях (в нг/м3*):

n·10: Zn > Сu > Мn > Сr > Рb > V > Ni > As;

n: Cd > Se > Со; Hg ∼ 1 - 2; Sb ≈ 1; Sc ∼ 0,1 - 1,0.

Такие концентрации рассматриваемых элементов обычны и считаются безвредными. Значительная часть живого вещества используется в качестве продукта питания для другой его части, включая человека. Основное количество химических элементов, обеспечивающих нормальные процессы жизнедеятельности, люди получают за счет потребления растительных и животных организмов. Содержание элементов в различных видах растений и животных изменяется в довольно широких пределах. Кларковое содержание рассчитано пока только для всей массы живого вещества. При этом за основу бралась фитомасса (масса растительных организмов), резко преобладающая над зоомассой. Данные о среднем содержании ряда химических элементов, наиболее распространенных в живом веществе, приведенные в табл. 3.3 (кларки живого вещества), можно рассматривать как оптимальные для всего блока живого вещества, хотя для отдельных видов (например, для человека) они могут отличаться от приведенных значений.

По мнению В.И. Вернадского, большая часть химических элементов, составляющих общую массу живого вещества, раз попав в него, практически в нем и остается все время, переходя из одних организмов в другие, включая человека. Однако следует отметить, что существует постоянный отток элементов из живого вещества в окружающую среду в виде газов, водных растворов и минеральных соединений. Например, при бактериальном разложении многих органических соединений образуются газы (преимущественно СО2) и вода. Часть отмерших организмов (в первую очередь скелетные образования, раковины, еще в теле живого организма состоявшие из минеральных соединений) переходит в значительной мере в косное минеральное вещество. свою очередь многие химические элементы, ранее входившие в состав косного вещества биосферы, постепенно переходят в живое вещество. К ним относятся не только О, N, Н, С, Са, Мg, но и те, которые составляют менее 0,001% их массы, в том числе металлы. Их количество в результате разнообразных процессов жизнедеятельности людей значительно возросло во всех частях биосферы. В отдельных случаях их концентрация достигла значений, нарушающих саму безопасность этой жизнедеятельности. Многие данные о поглощении металлов организмами (в первую очередь растительными) были получены в процессе поисков месторождений полезных ископаемых при помощи опробования растений (биогеохимическими методами).

Оказалось, что при аномально высокой концентрации отдельных элементов в среде, окружающей и питающей организмы, последние в своем подавляющем большинстве не могут противостоять вхождению в них этих элементов. При этом существенно повышенная концентрация в организмах одних элементов может вызвать повышение или же понижение концентраций в этих же организмах других элементов, независимо от концентрации последних в окружающей среде (В.А. Алексеенко, 1969). Иными словами, аномально высокое содержание в окружающей среде даже одного химического элемента может привести к дисбалансу многих элементов в организме. Аналогично действует на организмы и недостаточная концентрация каких-либо химических элементов в окружающей среде.

Таким образом, и избыток, и недостаток химических элементов в окружающей среде отрицательно сказываются на состоянии живых организмов, а при определенных дозах могут вызвать их смерть. Люди это знали очень давно и не просто использовали целый ряд химических элементов (и их соединений) в качестве ядов, а пытались обезопасить свою жизнь нормированием их концентраций в среде, из которой они могут попасть в организм. До нас дошли сведения о том, что еще в средние века в Германии были сделаны первые попытки государственного нормирования поступления свинца – тяжелого металла, расположенного много ниже "линии жизни", в человеческий организм. В 1548 и 1577 гг. в этой стране были приняты законы, по которым подмешивание свинца к вину (а это делалось для подслащения и улучшения вкусовых качеств) каралось смертной казнью. Позже там же был принят закон, по которому в оловянной посуде ограничивалось содержание свинца. Довольно давно люди стали и восполнять недостаток определенных химических элементов, поступающих в их организм, для лечения болезней, вызываемых этим недостатком. При расстройстве нервной системы врачи издавна "прописывали бром" (точнее небольшие дозы солей брома). Во избежание порчи зубов, вызванной недостатком фтора, фторируют зубную пасту и питьевую воду. Например, в Пуэрто-Рико эти мероприятия на 65% уменьшили развитие кариеса зубов у детей. (Однако избыток F приводит к разрушению зубной эмали.) Государственный масштаб принимает иодирование пищевой соли (NaCI). Это позволяет избежать ряда болезней, включая такую страшную, как кретинизм. Во всех перечисленных случаях используются только легкорастворимые, а следовательно, и хорошо доступные человеку соединения рассмотренных элементов.

Таким образом, чрезвычайно важно учитывать формы нахождения химических элементов как в среде обитания, так и непосредственно в продуктах питания организмов (включая человека). Формами нахождения химических элементов в среде обитания и в продуктах питания организмов во многом определяются:

состав живого вещества, соотношение в нем химических элементов;

доступность элементов живым организмам (включая человека) и скорость поступления элементов в организмы;

постепенное влияние на организмы изменения концентрации в окружающей среде элементов, даже находящихся в довольно устойчивой в условиях биосферы минеральной форме, о чем можно судить по смене растительных ассоциаций при изменении почвоподстилающих (почвообразую-щих) пород. Передаваясь по трофическим цепям, такие изменения могут воздействовать на здоровье человека. При этом в определенных случаях может уменьшаться безопасность жизнедеятельности.

Распределение химических элементов в среде обитания организмов. Проблема установления границ безвредных концентраций химических элементов в окружающей и питающей среде довольно давно стояла перед человечеством. Развитие и существование жизни на Земле, кроме двух рассмотренных факторов (содержание и форма нахождения химических элементов в среде обитания), обусловлены еще и распределением элементов в той крупной геохимической системе, которая является окружающей (питающей) средой для рассматриваемых организмов. Если говорить о жизни на Земле вообще (а сюда входит и жизнь людей), то геохимической системой, составляющей окружающую среду для всего блока живых организмов, будут верхние части земной коры. Рассмотрим распределение химических элементов в верхних частях земной коры и его изменение во времени. Для этого были введены такие понятия, как абсолютный и относительный разброс, характеризующие сложные неоднородные геохимические системы (В.А. Алексеенко, 1997).

Абсолютный разброс (АР) представляет собой отношение максимального фонового содержания элемента в одной части неоднородной геохимической системы к минимальному фоновому в другой части этой системы. В случае земной коры частями этой неоднородной геохимической системы являются участки, сложенные породами разных типов. Вместо фоновых содержаний при изучении рассматриваемой системы нужно использовать кларковые содержания пород различных типов.

Относительный разброс (ОР) представляет собой отношение значений абсолютных разбросов одного и того же элемента в рассматриваемой геохимической системе до и после изучаемых процессов. Можно считать, что в первый период существования планеты Земля ее поверхность была сложена магматическими породами. Следовательно в этот период АР каждого элемента характеризовался отношением его кларкового содержания в одном типе магматических пород к минимальному в другом типе магматических пород. Полагая, вслед за В.И. Вернадским, что жизнь на Земле возникла практически одновременно с ее формированием, можно считать, что в этот период значения АР в магматических породах определяли оптимальные колебания содержаний элементов в среде обитания всего блока живых организмов.

Значения АР для разных элементов рассматриваемого периода существования Земли колебались от 1,3 до 127. Чем меньше были значения АР отдельных элементов, тем к меньшим последующим изменениям содержаний этих элементов были "подготовлены" первые организмы.

В процессе своего развития и жизнедеятельности эти организмы способствовали выветриванию магматических и образованию за их счет осадочных пород. В результате в геохимической системе, представляющей поверхность Земли (в горных породах континентов), изменились значения АР. Мерой этих изменений стал ОР. В этот период элементы с большими значениями ОР должны были сильнее воздействовать на развитие жизни и появление мутантов. Такими элементами на континентах можно считать (с учетом их положения относительно линии жизни) Hg, S, Se, N, В (В.А. Алексеенко, 1997). Дальнейшие изменения АР, охватывающие значительные части поверхности Земли, были связаны с космическими катастрофами и с формированием региональных геохимических аномалий рудных районов и узлов. К настоящему времени значение АР<10 характерно лишь для Bi, W, Аu, Вr, Р, Zn, Ag, J, Be (табл. 3.2). Если за граничное значение принять 20, то к перечисленным элементам добавятся As, Cd, Ga, Mo, Pb, S, V, Yb, Sn, F, и ряд лантаноидов. Резкое увеличение их разброса в результате техногенных процессов может вызвать крайне нежелательное воздействие на развитие жизни вообще и на безопасность жизнедеятельности людей.

Антропогенные процессы, приводящие к загрязнению среды, окружающей человека, способствуют глобальному усилению неравномерности распределения химических элементов и возрастанию АР. В этом направлении наибольшие изменения могут в первую очередь произойти в распределении вышеперечисленных химических элементов с малыми значениями АР.

Анализируя сказанное о распределении во времени химических элементов на поверхности Земли, можно считать, что:

изменяющееся распределение элементов не могло не повлиять на развитие организмов;

основные изменения АР, связанные с появлением и площадным развитием донных океанических осадков и осадочных пород, происходили постепенно, эволюционно. Кроме них были и изменения АР, развивающиеся катастрофически быстро. Они оказывали наибольшее негативное воздействие на существовавшие в то время организмы, что и подтверждается имеющимися данными;

последствия современных антропогенных процессов по своей значимости и скорости развития приближаются к катастрофическим изменениям АР в истории Земли. Это необходимо учитывать при решении вопросов, связанных с проблемами безопасности жизнедеятельности.

Подводя итог рассмотрению влияния химического состава среды обитания организмов на развитие этих организмов, можно сделать следующие выводы:

-Наиболее опасными для развития живых организмов, а следовательно и для всех процессов жизнедеятельности людей являются последствия антропогенной деятельности, приводящие к увеличению неравномерности распределения химических элементов и к значительному возрастанию ОР по отношению к АР в породах и почвах континентов.

-Необходимо учитывать, что районы с повышенным содержанием элементов, расположенных в удалении и ниже линии жизни, менее благоприятны для жизнедеятельности людей.

-Среди районов с существенно пониженной концентрацией отдельных химических элементов менее благоприятны те, в которых понижены концентрации элементов, находящихся на линии жизни или вблизи нее.

-Среди рассмотренных химических элементов для человека наиболее опасны резко повышенные и резко пониженные концентрации тех из них, которые находятся в форме различных водных растворов, аэрозолей, хорошо растворимых соединений и биогенных соединений, представляющих собой продукты питания.

-Ориентировочно "безвредными" для жизнедеятельности человека, как и подавляющего большинства живых организмов, могут считаться кларковые содержания химических элементов в горных породах и почвах, в пресных и морских водах, в атмосферном воздухе и в живом веществе, представляющем собой продукты питания. Именно в районах с содержаниями элементов, близкими к кларковым, безопасность жизнедеятельности с точки зрения геохимических особенностей среды обитания людей может считаться наибольшей.

3.Различные химические элементы распространены крайне неравномерно. Элемент может быть в сотни и тысячи раз более или менее распространенным, чем его непосредственный сосед по периодической системе. Атомов одних элементов (кислород, кремний, алюминий, железо и др.) на нашей планете значительно больше, чем атомов других элементов (медь, золото, германий и др.). А откуда вообще взялось такое разнообразие химических элементов? Давайте, прежде чем перейти к рассмотрению вопроса об относительной распространенности химических элементов, кратко познакомимся с существующей точкой зрения по вопросу их происхождения.

По принятой сейчас модели развития Вселенной, формирование слагающего ее вещества является результатом «Большого взрыва». В первые мгновения после него произошло формирование элементарных частиц. Вначале – фотонов, нейтрино, электронов, позитронов. Затем – протонов и нейтронов. После снижения температур ниже уровня 1011о К начинается соединение протонов с нейтронами. Образуются ядра тяжёлых изотопов водорода, возможно также ядер гелия, и небольших количеств Li, Be.

Синтез более тяжёлых атомных ядер начинается после формирования крупных и плотных горячих газовых скоплений – звёзд. Вначале – продолжается образование 4Не. Далее же происходит т.н. «выгорание» гелия:

34Не Þ12С

и далее, с присоединением новых ядер гелия: 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S и т.д., вплоть до 56Fe и 58Ni. Обратите внимание, что всё это – именно синтез ядер (нуклеосинтез), а не атомов в целом, так как электроны при столь высоких температурах остаются в свободном состоянии.

Образование ядер промежуточных элементов – результат реакций захвата либо потери протона или нейтрона.

Атомы тяжелее Fe и Ni в обычных процессах внутризвёздного нуклеосинтеза не формируются (не хватает энергии). Эти процессы реализуются только при взрывах «сверхновых» звезд. При наблюдении за сверхновыми в их спектре обнаружены яркие линии, характерные для 254Cf. Интересно, что скорость падения яркости сверхновых (56 суток) очень точно совпадает с периодом полураспада калифорния. Таким образом, формирование ядер атомов от никеля до урана – результат ядерного синтеза в процессе взрыва сверхновых, а также распада калифорния и, возможно, других трансурановых элементов (может, и более тяжёлых, которые нам неизвестны).

Существуют звёзды первого и второго поколения. Только вторые могут содержать в составе элементы тяжелее никеля и иметь планетные системы типа Солнечной.

Итак, в химическом отношении звезды являются довольно простыми системами. Доступная для изучения часть Вселенной имеет в основном водородно-гелиевый состав. Сбылось предсказание английского астрофизика А. Эддингтона, который в начале ХХ века писал, что легче будет разобраться в составе звезд, чем в процессах, окружающих нас на Земле.

Закономерности распространения химических элементов в космосе и на Земле вначале были установлены чисто эмпирически. Было подмечено, что:

Распространенность быстро падает от элементов с низкими атомными номерами (примерно до номера 30), а затем, для более тяжелых элементов остается приблизительно постоянной.

Только десять элементов – H, He, C, N, O, Ne, Mg, Si, S, Fe, атомные номера которых меньше 27, характеризуются высокой распространенностью; из них водород резко преобладает над остальными.

Элементы с четными порядковыми номерами более распространены, чем нечетные (закон Оддо - Гаркинса).

Уточнения к закону Оддо-Гаркинса впоследствии сформулировали А.Е. Ферсман и другие геохимики, но основная суть его остаётся неизменной. Истоки закономерностей – в строении атомных ядер. Первоначально геохимики предполагали, что это может быть как-то связано с различной степенью устойчивости атомных ядер различных элементов. Сейчас признаётся, что это отражает механизм термоядерного синтеза в космических условиях.

Установленные закономерности показывают, что абсолютная распространенность элементов зависит в большей степени от свойств ядра, чем от химических свойств элемента и связана со стабильностью ядер.

А.Е. Ферсман заметил, что все химические элементы можно подразделить на 4 группы с порядковыми номерами, выражающимися формулами:

4q 4q+3 4q+2 4q+1, которые составляют 86,19%,12,74%, 0,05%- и 0,02% по массе соответственно

Элемент однозначно характеризуется числом протонов в ядре, но число нейтронов может колебаться. В результате элемент может иметь несколько изотопов, различающихся по массовому числу или атомному весу и стабильностью, но практически неотличимых по химическим свойствам. С другой стороны, существуют изобары, которые являются разными элементами, но имеют одинаковое число нейтронов.

Ядра, содержащие 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протонов или нейтронов особенно устойчивы. Эти числа называются магическими. Наиболее устойчивы дважды магические ядра, содержащие магическое число и протонов и нейтронов – 4He, 16O, 40Ca. В земной коре элементы с магическими ядрами обладают достаточно высокой распространенностью (за исключением гелия).

Обобщая все данные о распространённости химических элементов и их поведении в геохимических процессах, В.М. Гольдшмидт сформулировал основной закон геохимии:

Содержания химических элементов зависят от строения их атомного ядра, а их миграция – от строения электронных оболочек, определяющих химические свойства элементов. Для геохимии в равной мере важны оба этих аспекта.

Одним из основных законов геохимии является закон Ферсмана-Гольдшмидта, который можно сформулировать следующим образом: Геохимия элемента в земной коре определяется как химическими свойствами, так и величиной кларка.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: