Проблема экологической нормы

Понятие нормы является основополагающим в медицинской и экологической токсикологии и требует конкретного количественного выражения, поскольку определяет чрезвычайно важную грань, отделяющую «нормальное» функционирование системы от «ненормального» (патологического) состояния.

Традиционно понятие нормы связано с медицинской токсикологией, т. е. с эффектами онтогенетического уровня. Еще в древние времена патологией (уродством) считался всякий признак, который не обнаруживался у большинства особей. Иными словами, норма трактовалась как обычное, массовое проявление признака.

Сегодня определены границы нормы практически для всех морфологических, функциональных и физиологических параметров человека, основанные на данных многолетних исследований. Подобные «нормы» существуют для большинства лабораторных животных (лабораторные мыши, крысы, кролики и т. д.), которые используются в медицине в качестве модели человеческого организма.

Чаще всего в качестве нормы применяется диапазон, равный двум стандартным отклонениям (М ± 2S_m, где М — среднее арифметическое, S_m— стандартное отклонение). Поскольку этот диапазон охватывает практически всю выборку (95%), выход за его пределы диагностируется как проявление поражения. В некоторых случаях интервал нормы определяется при помощи критерия Стьюдента М ± tm, где т — ошибка среднего, а конкретное значение параметра t находят с учетом числа наблюдений и принятого уровня доверительной вероятности.

Следует отметить, что теория нормы применительно к биологическим системам надорганизменного уровня разработана в настоящее время недостаточно (Воробейник и др., 1994; Экологическое нормирование…, 1992, 1993). В широком практическом плане перед человеком всегда стояла проблема: что, где и сколько можно позволить при взаимодействии с природой. Требовалось подбирать для земледелия соответствующие культуры, соблюдать агротехнику, сроки и норму высева, регулировать интенсивность полива, пастбищных нагрузок и т. д. Добавим к этому широкую практику лесоустройства и охотоустройства, использование расчетных лесосек, норм отстрела и вылова и т. д.

По мнению В. Д. Федорова и А. П. Левина (1978), вопросы нормы и ее обоснования должны занимать центральное место в экологических исследованиях.

В развитии идей экологического нормирования условно можно выделить три этапа (Воробейник, 2003). Первый — предыстория. С одной стороны, он связан с существованием системы гигиенического нормирования токсикантов в воздухе, воде, продуктах питания и почве, развивавшейся с 30-х гг. XX в. Гигиеническое нормирование явилось либо отправной точкой, либо аналогом для экологического. С другой стороны, этот этап связан с работами С. С. Шварца и Н. С. Строганова, сформулировавших основополагающие для экологического нормирования положения (принцип антропоцентризма в оценке экосистем, критерии «хорошего» биогеоценоза). Второй — этап теоретических исследований. Он связан с работами на уровне постановки проблемы и генерации различных подходов к нормированию (В. Д. Федоров, А. П. Левич, Д. А. Криволуцкий, Ю. А. Израэль, Ю. Г. Пузаченко, А. М. Гродзинский, Д. Раппорт, Д. Шеффер, Р. Костанца). Третий — этап практической реализации. Он связан с проведением экспериментальных работ, в том числе по анализу зависимостей «доза — эффект» на экосистемном уровне (А. Д. Арманд, А. М. Степанов, Т. В. Черненькова, Ю. А. Израэль, В. С. Николаевский, А. Д. Покаржевский, Т. И. Моисеенко, В. Н. Максимов, А. П. Левич, Н. Г. Булгаков, А. Т. Терехин, М. А. Глазовская, В. Б. Ильин, И. Г. Важенин, Б. В. Виноградов, А. М. Никаноров, В. В. Снакин, Н. Ван Страален и др.).

В экологическом нормировании, как в историческом плане, так и для современного состояния, можно выделить два существенно различающихся подхода — гигиенический и экологический. Первый сохраняет основные черты методологии гигиенического нормирования: 1) предельные нагрузки устанавливаются для отдельных веществ (либо их смесей, но с известным соотношением компонентов); 2) лабораторные эксперименты являются основой для получения нормативов; 3) используются эффекты организменного, а не экосистемного уровня. По сути, такой подход означает полное использование схемы гигиенического нормирования с той лишь разницей, что объектом выступает не человек, а другие биологические виды. С точки зрения Е. Л. Воробейчика (2003), это тупиковый путь для экологического нормирования, потому что: 1) выбросы чаще всего многокомпонентны, что в конкретной ситуации не позволяет оперировать нормативами для отдельных веществ либо их смесей;

2) формы нахождения токсикантов в природе чаще всего отличаются от форм, которые использовались в экспериментах, для которых создавались нормативы; 3) в лабораторных экспериментах (обычно краткосрочных) не учитываются адаптационные процессы и тем более популяционные и биоценотические эффекты, которые могут играть ключевую роль в определении судьбы экосистем; 4) нахождение критических нагрузок для отдельных, пусть даже «ключевых» или наиболее чувствительных видов, далек от определения нормативов для всей экосистемы. Этот подход требует наличия модели, в которой аргументом для экосистемных параметров выступают численности всех основных видов и определения критических нагрузок для всех этих видов.

Альтернативный подход использует гигиеническое нормирование лишь в качестве аналога решения сходной задачи. В этом случае предполагается, что: 1) ориентиром, задающим критерии для оценки экосистем, служит явно декларируемый антропоцентризм (критерии оценки задает человек исходя из своих потребностей, причем потребность в здоровой окружающей среде — одна из важнейших); 2) при задании критериев оценки локальных экосистем необходимо учитывать их полифункциональность, т. е. необходимость их вклада в биосферные процессы, а также удовлетворение экономических, социальных и эстетических потребностей общества; 3) нормативы предельных нагрузок должны быть различными для экосистем разного назначения; 4) нормативы должны быть дифференцированы в зависимости от физико-географических условий региона и типа экосистем; 5) нормативы должны быть дифференцированы во времени: менее жесткие для существующих технологий, более жесткие — для ближайшей перспективы, еще более жесткие — для проектируемых производств и новых технологий; 6) нормировать необходимо интегральную нагрузку, которая может быть выражена в относительных единицах, а не концентрации отдельных загрязнителей; 7) среди показателей состояния биоты для нормирования необходимо выбрать основные, отражающие важнейшие закономерности ее функционирования; 8) нахождение нормативов может быть реализовано только в исследованиях реальных экосистем, находящихся в градиенте нагрузки, т. е. только на основе анализа зависимостей «доза — эффект» на уровне экосистем.

Таким образом, проблема экологического нормирования может быть сведена к решению двух кардинальных вопросов: что подлежит нормированию и как реализовать процедуру такой регламентации? Важно, чтобы экологическое нормирование было ориентировано не на степень и качество конкретных видов воздействия на природные комплексы, а на реакцию биологических систем.

Опыт диагностики состояния биологических систем любого уровня показывает, что норма не может быть сведена к простой совокупности среднестатистических величин, характеризующих ее основные функциональные параметры. В связи с этим вопрос об основных принципах формализации биологической значимости показателей и параметров не определен, и задача диагностики состояния системы как целого объекта представляется достаточно неопределенной. С одной стороны, мы исходим из того, что воздействующие уровни токсических веществ могут быть признаны бездействующими только в том случае, если вызываемые ими изменения не выходят за пределы статистической нормы. С другой — именно статистический подход к определению границ нормы предполагает некоторый произвол при выборе статистических критериев значимости различий (Воробейчик и др., 1994).

Если для онтогенетического уровня существует абсолютный показатель крайней патологии — это гибель организма, то для систем более высокого ранга такой подход неприемлем.

При экологической регламентации необходимо учитывать следующие обстоятельства.

1. Основным объектом нормирования являются природные системы надорганизменного уровня (популяции, сообщества, биогеоценозы). Л. П. Брагинский (1981) утверждает: «Если для отдельного индивидуума смерть означает страшнейшее и последнее поражение в борьбе за существование, то для популяции массовая смертность — всего лишь отсев менее приспособленных особей и некоторая реорганизация биологической системы, обеспечивающая ее сохранность».

Сегодня подобный подход считается общепринятым. Например, в публикации № 26 (1978) Международного комитета по радиационной защите отмечается: «В качестве международного норматива принят такой уровень радиации, который необходим для защиты человека, достаточен для защиты других живых существ, хотя и необязательно отдельных особей».

• 2. Существует своеобразный резерв наследственно закрепленной внутривидовой изменчивости, который проявляется, с одной стороны, в широком спектре реакций отдельных субпопуляционных группировок на химическое загрязнение среды, с другой — обусловлен наличием специфических популяционных механизмов компенсации неблагоприятных изменений структуры и функции популяции, вызванных загрязнением. Этот резерв является необходимой компонентой нормы реакции популяции на токсическое воздействие.
• 3. Экологические нормы должны исходить из потенциально возможного существования в биологических системах различных состояний (стабильных, нестабильных) и различных типов динамики объектов нормирования.

Методами математического моделирования доказано, что существует некоторый критический диапазон величины действующего токсического фактора, при котором возможно резкое качественное изменение системы при незначительных изменениях ее состояния или силы внешнего воздействия (диапазон А—Б на рис. 1.5). Эти особенности вытекают из нелинейного характера взаимосвязей в экологических системах. Отметим, что поиск границ устойчивости таких подверженных токсическому влиянию систем ведется в условиях, когда существует объективная неопределенность.

Это означает, что изменение поддающихся контролю параметров экологических систем в области, близкой к критической точке (точка сингулярности С на рис. 1.5), происходит медленно, и заметить переход через эту точку чрезвычайно трудно, зачастую практически невозможно. Быстрое же (заметное!) изменение этих характеристик свидетельствует об уже начавшемся катастрофическом переходе системы к другому состоянию, когда возвращение системы к исходному состоянию невозможно или требует принятия специальных мер.

Рис. 1.5. Реакция биологических систем на уровень токсической нагрузки.

• (по: Безель и др., 2008)
• 4. Последнее обстоятельство делает проблему определения нормы достаточно неопределенной. Это связано с неизбежной антропоцентрической позицией, требующей в первую очередь максимального удовлетворения потребностей человека. С другой стороны, существуют объективные закономерности функционирования таких систем и необходимость выполнения ими специфических функций в системах более высокого ранга. По мнению Л. П. Брагинского, «смена доминант в экосистемах — не патологический процесс, а определенная форма стабилизации биогеоценоза в новых условиях». Практически всегда такой критический переход ведет не к полному разрушению системы, а к перестройке, часто не соответствующей сегодняшней потребности человека.
• 5. В процессе эволюционного развития у растительных и животных организмов закреплена способность адекватно реагировать на изменения среды обитания, вызываемые влиянием природно-климатических факторов. В любом случае такая компенсация «традиционного» влияния в рамках природно-климатической нормы направлена на поддержание стабильности биологической системы. Естественно, что понятие нормы должно включать эти адаптационные возможности системы. Речь должна идти о некотором диапазоне значений параметров, характеризующих функционирование системы при возможных колебаниях природных факторов.

Итак, наиболее характерным показателем нормы биологической системы является способность последней так изменять свои функциональные параметры, чтобы поддерживать себя в условиях оптимума в изменяющейся среде.

• 6. Важнейшей является проблема выбора масштаба объекта, подлежащего регламентации. Локальное воздействие может быть велико, но пространственные связи в природных комплексах могут в определенной степени компенсировать их на уровне природных комплексов более крупного масштаба. Возможна и обратная ситуация.
• 7. Многолетний успешный опыт токсикологов и гигиенистов показывает, что одним из путей решения проблемы допустимых токсических нагрузок является широкое применение методов лабораторных аналогов с последующей экстраполяцией полученных данных на природные объекты. В экологической токсикологии в качестве экспериментальной основы такой экстраполяции следует рассматривать результаты, получаемые в лабораторных условиях (аквариумные эксперименты, виварная затравка животных, климатические камеры). Кроме этого, в последнее время большое внимание уделяется так называемым природным экспериментам, в которых биоценозы изолируются и подвергаются дозированным токсическим нагрузкам. В этом случае ряд биоценотических характеристик остается идентичным таковым в оставшейся части ценоза, которую можно рассматривать как контроль. В качестве эмпирической основы можно использовать также данные, получаемые при изучении химически деградированных территорий. К сожалению, не существует теории экстраполяции данных, полученных эмпирическим путем, на конкретные изучаемые условия. Это связано с объективными трудностями, прежде всего, с отсутствием завершенных теорий организации и функционирования систем надорганизменного уровня.

Таким образом, в современных условиях, характеризующихся интенсивным антропогенным давлением на природные системы, сохранение их в неизменном виде является необходимым для обеспечения стабильности биосферы. По мнению Б. С. Флейшмана (1981), «оптимальность управления биогеоценозами должна пониматься не только с позиций человечества, но и с позиций всей биосферы, включающей человечество».

Подобный подход принят официальными документами. Так, на рабочем совещании ЕЭК ООН было принято определение критической нагрузки на биогеоценоз: «Это количественная оценка воздействия одного или нескольких загрязняющих веществ, ниже которой не происходит существенного вредного воздействия на специфические, чувствительные элементы окружающей среды в соответствии с современными данными» (цит. по: Башкин, 1997). С точки зрения геохимического подхода к проблеме такая критическая нагрузка — это максимальное поступление загрязняющих веществ (тяжелых металлов, серы, органических веществ и пр.), которое не вызывает необратимых вредных изменений в биогеохимической структуре и функциях экосистем в течение длительного, 50—100-летнего, периода.

Оценочные средства

Вопросы для подготовки студентов к семинарскому занятию.

• 1. Раскройте понятие «норма».
• 2. Что применяется в качестве нормы в экологическом нормировании?
• 3. Что такое допустимые токсические нагрузки?
• 4. Что лежит в основе экологического нормирования?
• 5. Какие этапы выделяют в развитии идей экологического нормирования?
• 6. Что необходимо учитывать при экологической регламентации?
• 7. Что можно использовать в качестве эмпирической основы для экологического нормирования?
• 8. Что такое критическая нагрузка на биоценоз?

Типовые задания для текущего контроля успеваемости СК-1:

• 1. Сравните экологическое нормирование и гигиеническое.
• 2. Охарактеризуйте этапы развития идей экологического нормирования.
• 3. Объясните, почему гигиенический подход неприемлем для экологического нормирования.
• 4. Сравните гигиенический и альтернативный подходы к экологическому нормированию.

СК-5:

• 5. На участке фоновой зоны у растений подорожника большого доля фертильной пыльцы в среднем составляет 91,2 ± 1,3% Определитель диапазон нормально развитой пыльцы у данного вида, если дано М ± S_m, где М — среднее арифметическое, S_m — стандартное отклонение. Какой процент фертильной пыльцы будет выступать в качестве критического уровня, при котором будут диагностироваться нарушения генеративной функции у данного вида?
• 6. Предложите свои методы нормирования техногенного воздействия на биоту.
• 7. Под действием токсического фактора в фитоценозе произошло изменение структуры доминирования видов в проективном покрытии. Означает ли это выход системы за пределы нормального функционирования?

СК-8:

• 8. Изучен уровень флуктуирующей асимметрии листвой пластинки у 20 деревьев березы повислой, произрастающей на фоновой и техногенно нарушенной территориях. В фоновой зоне показатель равен: 0,059; 0,094; 0,037; 0,072; 0,068; 0,087; 0,035; 0,055; 0,061; 0,103; 0,046; 0,078; 0,036; 0,066; 0,066; 0,061; 0,061; 0,069; 0,093; 0,038. В загрязненной: 0,090; 0,101; 0,104; 0,111; 0,084; 0,092; 0,097; 0,116; 0,122; 0,057; 0,077; 0,126; 0,121; 0,067; 0,080; 0,110; 0,064; 0,122; 0,097; 0,151. Определите долю растений березы повислой на техногенно нарушенной территории, имеющей уровень флуктуирующей асимметрии выше критического. Сделайте вывод о влиянии техногенного воздействия на исследуемый показатель в частности и на древесное сообщество в целом. Спрогнозируйте дальнейшую судьбу данного сообщества.
• 9. Предложите меры, которые можно предпринять для возврата системы (популяций и биоценозов) в норму после выхода за ее пределы.
• 10. Спрогнозируйте, что произойдет с биологической системой, если в результате техногенного воздействия изменение ее параметров выйдет за пределы эволюционно закрепленных адаптационных возможностей (за пределы нормы реакции).