Схема фотосинтеза у растений, водорослей и бактерий

Фотосинтез происходит за немногим исключением на всей поверхности Земли, создает огромный геохимический эффект и может быть выражен как количество всей массы углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического — живого вещества всей биосферы. В общий круговорот материи, связанной с построением путем фотосинтеза органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы, как N, P, S, а также металлы — К, Са, Mg, Na, Al.

При гибели организма происходит обратный процесс — разложение органического вещества путем окисления, гниения и т. д. с образованием конечных продуктов разложения. Следовательно, общую реакцию фотосинтеза можно выразить в глобальном масштабе следующим образом:

mCO2 + nH2O Cm? n (H2O) + mO2.

В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству.

" Естественный отбор признает только один вид «валюты» — благополучное потомство" (Э. Пианка, 1981).

Популяция — потенциально бессмертная сущность, состоящая из смертных особей. Чтобы поддержать существование популяции, особь должна выжить сама и оставить потомков, которые тоже смогут выжить. Вероятно, наибольшие шансы на выживание будет иметь та особь, которая вообще не будет тратить ресурсы и полученную из них энергию на производство потомства. Но пройдет немного времени — и такая особь без следа исчезнет из популяции. На противоположном «полюсе» находится гипотетическая особь, которая сразу после своего появления начинает всю свою энергию направлять на производство потомков. Такое существо погибнет само и, если его потомки унаследуют столь же неэффективный способ распределения ресурсов, произведет потомков, которые не будут иметь шансов на выживание. Значит, наибольшую ценность для популяции должна иметь особь, сочетающая затраты на собственное выживание и на производство потомков в оптимальном сочетании. Оценить, насколько это сочетание оптимально, можно. Для этого нужно высчитать, при каком сочетании в данных условиях особь оставит наибольший возможный вклад в будущее поколение. Мера, которая используется для этого в математической популяционной биологии, называется репродуктивной ценностью. Репродуктивная ценность — обобщенная мера выживаемости и плодовитости, учитывающая относительный вклад организма в будущие поколения.

Каковы бы не были приспособления особей к совместному проживанию в популяции, каковы бы не были приспособления популяции к тем или иным факторам, все они в конечном итоге направлены на длительное выживание и продолжение себя в любых условиях существования. Среди всех приспособлений и особенностей можно выделить комплекс основных признаков, которые называются экологической стратегией. Это общая характеристика роста и размножения данного вида, включающая темп роста особей, период достижения ими половой зрелости, периодичность размножения, предельный возраст и пр.

Экологические стратегии очень разнообразны и хотя между ними существует множество переходов, из них можно выделить два крайних типа: r-стратегию и K-стратегию.

r-стратегия — ею обладают быстро размножающиеся виды (r-виды); для нее характерен отбор на повышение скорости роста популяции в периоды низкой плотности. Она характерна для популяций в среде с резкими и непредсказуемыми изменениями условий или в эфемерных, т. е. существующих короткое время (пересыхающие лужи, заливные луга, временные водотоки) Основные признаки r-видов: высокая плодовитость, короткое время регенерации, высокая численность, обычно малые размеры особей (у растений мелкие семена), малая продолжительность жизни, большие траты энергии на размножение, кратковременность местообитаний, низкая конкурентоспособность. R-виды быстро и в больших количествах заселяют не занятые территории, но, как правило, скоро — в течение жизни одного-двух поколений сменяются К-видами.

К r-видам относятся бактерии, все однолетние растения (сорняки) и насекомые-вредители (тли, листоеды, стволовые вредители, стадная фаза саранчи). Из многолетников — пионерные виды: Иван-чай, многие злаки, полыни, эфемерные растения, из древесных видов — ивы, березы белая и каменная, осина, чозения, из хвойных — лиственница; они появляются первыми на нарушенных землях: гарях, горных полигонах, строительных карьерах, по обочинам дорог.

K-стратегия — этой стратегией обладают виды с низкой скоростью размножения и высокой выживаемостью (К-виды); она определяет отбор на повышение выживаемости при высокой плотности популяции, приближающейся к предельной.

Основные признаки К-видов: низкая плодовитость, значительная продолжительность жизни, крупные размеры особей и семян, мощные корневые системы, высокая конкурентоспособность, устойчивость на занимаемой территории, высокая специализация образа жизни. Скорость размножения К-видов с приближением к предельной плотности популяции падает и быстро увеличивается при низкой плотности; родители заботятся о потомках. К-виды часто становятся доминантами биогеоценозов. К К-видам относятся все хищники, человек, реликтовые насекомые (крупные тропические бабочки, в т. ч. дальневосточные, реликтовый усач, жук-олень, жужелицы и др.), одиночная фаза саранчи, почти все деревья и кустарники. Наиболее яркие представители растений — все хвойные, дуб монгольский, орех маньчжурский, лещины, клены, разнотравье, осоки.

Разные популяции по-разному используют одну и ту же среду обитания, поэтому в ней одновременно могут существовать виды обоих типов стратегией.

ПРИМЕРЫ. В лесах на экологическом профиле «Горнотаежный» весной до распускания листьев на деревьях, спешат зацвести, отплодоносить и закончить вегетацию эфемероиды: хохлатки, адонис амурский, ветреницы, фиалка восточная (желтая). Под пологом леса начинается цветение пионов, лилий, воронца остроконечного. На открытых участках в сухих дубняках южного склона разрастаются овсяница овечья и марьянник розовый. Дуб, овсяница и другие виды — K-стратеги, марьянник — r-стратег. 40 лет назад после пожара в пихтово-широколиственном типе леса образовались парцеллы из осины (r-вид). В настоящее время осина уходит из состава древостоя, сменяясь К-видами: липой, дубом, грабом, орехом и др.

Любая популяция растений, животных и микроорганизмов — это совершенная живая система, способная к саморегуляции, восстановлению своего динамического равновесия. Но она существует не изолированно, а совместно с популяциями других видов, образуя биоценозы. Поэтому в природе широко распространены и межпопуляционные механизмы, регулирующие взаимоотношения между популяциями разных видов. В качестве регулятора данных взаимоотношений выступает биогеоценоз, состоящий из множества популяций разных видов. В каждой из этих популяций происходят взаимодействия между особями, и каждая популяция оказывает воздействие на другие популяции и на биогеоценоз в целом, как и биогеоценоз с входящими в него популяциями оказывает непосредственное влияние на каждую конкретную популяцию.

Как пишет И. И. Шмальгаузен: «…Во всех биологических системах имеется всегда взаимодействие разных циклов регуляции, ведущее к саморазвитию системы соответственно данным условиям существования…» .

При достижении оптимальных соотношений наступает более или менее длительное стационарное состояние (динамическое равновесие) данной системы в данных условиях существования. «…Для популяции это означает установление определенной генетической структуры, в том числе, разных форм сбалансированного полиморфизма. Для вида это означает установление и поддержание его более или менее сложного строения. … Для биогеоценоза это означает установление и поддержание его гетерогенного состава и сложившихся соотношений между компонентами. При изменении условий существования стационарное состояние, конечно, нарушается. Происходит переоценка нормы и вариантов, а, следовательно, и новое преобразование, т. е. дальнейшее саморазвитие данных систем…». При этом в биогеоценозе изменяются соотношения между звеньями, а в популяциях идет перестройка генетической структуры.

Здоровье человека является качественной характеристикой, складывающейся из набора количественных параметров: антропометрических (рост, вес, объём грудной клетки, геометрическая форма органов и тканей); физических (частота пульса, артериальное давление, температура тела); биохимических (содержание химических элементов в организме, эритроцитов, лейкоцитов, гормонов и пр.); биологических (состав кишечной флоры, наличие вирусных и инфекционных болезней) и др.

Для состояния организма человека существует понятие «нормы», когда значения параметров укладываются в определенный, выработанный медицинской наукой и практикой диапазон. Отклонение значения от заданного диапазона может явиться признаком и доказательством ухудшения здоровья. Внешне утрата здоровья будет выражаться в измеримых нарушениях в структурах и функциях организма, изменениях его адаптивных возможностей.

По уставу Всемимрной Организамции Здравоохранемния — «Здоровье является состоянием полного физического, душевного и социального благополучия, а не только отсутствием болезней и физических дефектов» .

Жизнь человека зависит от состояния здоровья организма и масштабов использования его психофизиологического потенциала. Все стороны человеческой жизни в широком диапазоне социального бытия: производственно — трудовом, социально-экономическом, политическом, семейно-бытовом, духовном, оздоровительном и учебном — в конечном счете определяются уровнем здоровья.

Резервные возможности меняются в течение жизни. Их увеличение или уменьшение связано не только с возрастными особенностями, но и во многом определяются образом жизни. Постоянная тренировка функций, позволяющая наращивать «резервные мощности», создает условия для укрепления здоровья, и, наоборот, ее отсутствие непременно ведет к снижению «резервных мощностей» организма, т. е. к «количественному» снижению здоровья.

Здоровье во многом определено генетически, но зависит также и от условий, в которых мы живем и работаем.

Существует большое количество факторов, снижающих уровень здоровья: перенесенные болезни, пристрастие к алкоголю и никотину, хроническое влияние неблагоприятных условий жизни и труда, нерациональное питание (как его недостаточность, так и изобилие и высокая калорийность) беспорядочный режим труда и отдыха, сна, частые эмоциональные напряжения, загрязнение воздуха и воды, злоупотребление лекарствами и бытовой химией. В числе этих факторов на одном из первых мест — двигательная недостаточность.

Значение каждого из этих факторов для конкретных людей различно. В большой степени оно обусловлено генотипом и сформировавшимся на его базе фенотипом.

Здоровье человека, возникновение тех или иных заболеваний, их течение и исход, продолжительность жизни зависят от большого числа факторов. Все факторы, определяющие здоровье, делят на факторы, укрепляющие здоровье (факторы здоровья) и факторы, ухудшающие здоровье (факторы риска). Если все факторы суммировать, то здоровье зависит от трех основных их составляющих:

• а) биологические факторы;
• б) социальные факторы;
• в) природно-климатические факторы.

Биологические факторы. К основным биологическим факторам, детерминирующем здоровье относятся: наследственность, возрастные, половые и конституционные особенности организма человека. Организм человека наделен приспособительными и компенсаторными возможностями, данными ему эволюционным развитием. Человек — высший и наиболее сложно организованный продукт не только биологической, но и социальной эволюции. Известно, что здоровье человека обусловлено генетически. Около десяти миллионов генов и порождаемых ими белковых форм образуют биологическую систему организма человека. Ее работа зависит от полноценности генов, которые весьма чувствительны к вредным токсическим веществам, проникающим в клетки организма с воздухом, водой, продуктами питания. Данные вещества могут вызвать мутацию (видоизменения) генов, при наличии которых белок в организме или вовсе не образуется, или полностью теряет свою биофункцию. Активность организма снижается, он заболевает, теряет способность к сопротивлению, происходят изменения органов и систем, вплоть до патологических изменений психической деятельности. В популяции, таким образом, возрастает число детей с врожденными умственными и физическими недостатками.

Социальные факторы. Среди причин и условий, определяющих здоровье населения в последнее время ведущими стали факторы, связанные с образом и условиями жизни человека.

Наиболее полно взаимосвязь между образом жизни и здоровьем выражается в понятии здоровый образ жизни (ЗОЖ). Здоровый образ жизни объединяет все, что способствует выполнению человеком профессиональных, общественных и бытовых функций в оптимальных для здоровья условиях и выражает ориентированность деятельности личности в направлении формирования, сохранения и укрепления как индивидуального, так и общественного здоровья.

К основным факторам образа жизни, укрепляющее здоровье относятся: рациональное соотношение труда и отдыха; физический и духовный комфорт; сбалансированное питание; высокая медицинская активность; экономическая и материальная независимость; психофизиологическая удовлетворенность; регулярная двигательная активность и т. д.

К основным факторам образа жизни, ухудшающим здоровье, относятся: неполноценный отдых; социальная пассивность; неудовлетворенность жизненной ситуацией, переутомление; несбалансированное в количественном и качественном отношении питание; низкая медицинская активность; гиподинамия и гипокинезия, злоупотребление алкоголем, курением, наркомания, токсикомания, злоупотребление лекарственными средствами; длительные стрессовые ситуации; неадекватное сексуальное поведение и т. д.

Образ жизни человека в значительной степени обусловлен социально-экономическими условиями, в то же время он во многом зависит от мотивов деятельности конкретного человека, от особенностей его психики, состояния здоровья и функциональных возможностей организма. Этим в частности, объясняется реальное многообразие вариантов образа различных людей.

К социальным факторам относится и уровень медицинского обслуживания населения.

Природно-климатические факторы. К этим факторам можно отнести условия обучения и труда, факторы производства, материально-бытовые условия, климатические и природные условия, степень чистоты обитания и т. д.

В настоящее время стало уже неопровержимым фактором что, кислотные дожди, необъятные пространства вырубленных лесов, отравленные реки, экологически вредные продукты питания и многое другое, пагубно влияют на здоровье человека. Отсюда — болезни, смертность и самая короткая в Европе продолжительность жизни, огромное число неполноценных детей.

В настоящее время эпидемиологические, эколого-гигиенические и клинико-социальные исследования позволяют установить следующую иерархию факторов, влияющих на здоровье:

условия и образ жизни людей — 49−53%,.

состояние окружающей среды — 17−20%,.

генетические факторы — 18−22%,.

деятельность учреждений здравоохранения — до 8−10%.

Известно, что уровень здоровья человека зависит от многих факторов: наследственных, социально-экономических, экологических, деятельности системы здравоохранения. Но, по данным ВОЗ он лишь на 10−15% связан с последним фактором, на 15−20% обусловлен генетическими факторами, на 25% его определяют экологические условия и на 50−55% - условия и образ жизни человека.

Таким образом, очевидно, что первостепенная роль в сохранении и формировании здоровья все же принадлежит самому человеку, его образу жизни, его ценностям, установкам, степени гармонизации его внутреннего мира и отношений с окружением. Вместе с тем современный человек в большинстве случаев перекладывает ответственность за свое здоровье на врачей. Он фактически равнодушен по отношению к себе, не отвечает за силы и здоровье своего организма, и наряду с этим не старается исследовать и понимать свою душу. В действительности человек занят не заботой о собственном здоровье, а лечением болезней, что и приводит к наблюдающемуся в настоящее время увяданию здоровья на фоне значительных успехов медицины. В действительности же, укрепление и творение здоровья должно стать потребностью и обязанностью каждого человека.

Первостепенной задачей для повышения уровня здоровья должно стать не развитие медицины, а сознательная, целенаправленная работа самого человека по восстановлению и развитию жизненных ресурсов, по принятию на себя ответственности за собственное здоровье, когда здоровый образ жизни становится потребностью.

Развитие жизни на Земле всегда происходило в присутствии радиационного фона окружающей среды. Радиоактивное излучение определяется естественным радиационным фоном и искусственным. Естественный радиационный фон — представляет собой ионизирующее излучение от природных источников космического и земного происхождения, действующих на человека на поверхности земли. Космические лучи представляют собой поток частиц (протонов, альфа-частиц, тяжёлых ядер) и жёсткого гамма-излучения (это так называемое первичное космическое излучение). При взаимодействии его с атомами и молекулами атмосферы возникает вторичное космическое излучение, состоящее из мезонов и электронов.

Естественное радиоактивные элементы условно можно разделить на три группы:

• 1. изотопы радиоактивных семейств урана, тория и актиноурана;
• 2. не связанные с первой группой радиоактивные элементы — калий — 40, кальций — 48, рубидий — 87 и др.;
• 3. радиоактивные изотопы, возникающие под действием космического излучения — углерод — 14 и тритии.

Технически изменённый радиационный фон представляет собой ионизирующее излучение от природных источников, претерпевших определённые изменения в результате деятельности человека. Например, поступление радионуклидов в биосферу вместе с извлечёнными на поверхность земли из недр полезными ископаемыми (главным образом минеральными удобрениями), в результате сгорания органического топлива, излучения в помещениях, построенных из материалов, содержащих естественные радионуклиды, а также облучения за счёт полётов на современных самолётах.

Излучение, обусловленное рассеянными в биосфере искусственными радионуклидами, представляет собой искусственный радиационный фон (аварии на АЭС, отходы предприятий ядерной энергетики, использование искусственных ионизирующих излучений в медицине, народном хозяйстве).

Радиоактивное загрязнение природных средств на территории Российской Федерации в настоящее время обусловлено следующими источниками:

• · глобально распределёнными долгоживущими радиоактивными изотопами — продуктами испытаний ядерного оружия, проводивших в атмосфере и под землёй;
• · выбросом радиоактивных веществ из 4-го блока Чернобыльской АЭС в апреле — мае 1986 года;
• · выбросами в атмосферу и сбросами в водные системы радиоактивных веществ с действующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации;
• · плановыми и аварийными выбросами радиоактивных веществ в окружающую среду от предприятий атомной промышленности;
• · привнесенной радиоактивностью (твёрдые радиоактивные отходы и радиоактивные источники).

Атомная энергетика вносит весьма незначительный вклад в изменение радиационного фона окружающей среды при нормальной работе ядерных установок. АЭС является лишь частью ядерного топливного цикла, который начинается с добычи и обогащения урановой руды. Отработанное в АЭС ядерное топливо иногда подвергается вторичной обработке. Заканчивается процесс, как правило, захоронением радиоактивных отходов.

Но в результате аварий на АЭС в окружающую среду могут попасть большое количество радионуклидов. Возможны аварии с локальными загрязнения только технологических помещений. Также случаются аварии, которые сопровождаются выбросом в окружающие среду радиоактивных веществ в количествах, превышающие установленные пределы. Большую опасность при этом имеют выбросы в атмосферу. Аварийный выброс в водную среду, по мнению специалистов, менее вероятное событие и будет характеризоваться более низкими уровнями воздействия.

Также большое значение как источника радиации имеют ядерные взрывы. При испытаниях ядерного оружия в атмосфере часть радиоактивного материала выпадает неподалеку от места испытания, какая-то часть задерживается в нижнем слое атмосферы, подхватывается ветром и переносится на большие расстояния. Находясь в воздухе около месяца, радиоактивные вещества во время этих перемещений постепенно выпадают на землю. Однако, большая часть радиоактивного материала выбрасывается в атмосферу (на высоту 10−15 км), где он остаётся многие месяцы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара.

Если в почве происходит накопление радионуклидов или их содержание превышает допустимые нормы, то это обуславливает не только высокий уровень радиации для местного населения, но и опасность загрязнения ими продуктов сельскохозяйственной деятельности. Для уменьшения степени воздействия на население обоих факторов используют способы дезактивации, основанные на различных принципах.

[1]. Способ дезактивации почвы, заключающийся в нанесении на загрязненную поверхность пленкообразующихся составов. Образовавшуюся на поверхности пленку с фиксированными в ней радионуклидами удаляют и подвергают дальнейшей утилизации. Способ эффективен лишь для приповерхностного слоя и совершенно не пригоден для удаления радионуклидов, уже проникших в глубину почвенного массива.

[2]. Способ обработки почвы, согласно которому с помощью химических реагентов осуществляют фиксацию находящихся в почве радионуклидов. В этом случае предотвращается дальнейшая миграция радионуклидов, но почва становится малопригодной для сельхозоборота.

[3]. Для обеспечения сельхозпригодности местности используют способ механического удаления загрязненного слоя почвы с последующей его заменой на незагрязненной слой или запусканием в оборот оставшейся части грунта. Удаление загрязненного слоя может быть осуществлено с или без предварительной обработки. При предварительной обработке обеспечивают фиксацию удаляемого слоя химической обработкой, например как в [2] заморозкой или другими способами. В этом случае образуется удобный для механической обработки (срезания) и транспортировки слой загрязненной почвы. Но изымается из оборота наиболее плодородный слой, и утилизация требует обработки и захоронения больших массивов грунта.

[4]. Способ дезактивации почвы, включающий внесение в почву гранулированных веществ, содержащих избирательные сорбенты. После насыщения их радионуклидами гранулы можно извлекать для регенерации и повторного использования. Однако сорбция радионуклидов происходит в зоне, прилегающей к гранулам, что в целом не позволяет осуществить дезактивацию во всем радиоактивно зараженном слое почвы. Возникают проблемы при извлечении гранул и отделения их от почвы.

[5]. Способ дезактивации почвы, включающий выращивание на дезактивируемой местности растений, аккумулирующих через корневую систему радионуклиды, содержащиеся в почве, и удаление растительного покрова с дальнейшей его утилизацией. Способ позволяет, сохраняя естественную структуру почвы, перемещать, перекачивать радионуклиды из почвы в биомассу, тем самым понижая в ней содержание опасных для населения радиоактивных элементов. Для утилизации радиационно загрязненной биомассы могут быть использованы известные методы концентрирования и захоронения отходов (метод экстракции, сушки и сжигания и т. д.). Однако естественная способность растений аккумулировать радионуклиды не позволяет в достаточной степени осуществить дезактивацию местности.

По способу дезактивации почвы, включающему выращивание на дезактивируемой местности растений, аккумулирующих через корневую систему радионуклиды, содержащиеся в почве, и удаление растительного покрова с дальнейшей его утилизацией. Предварительно устанавливают элементы-аналоги для каждого подлежащего извлечению из почвы радионуклида, имеющие сходные с ним химические свойства и ту же валентность, а также перечень растений, обладающих в содержащих радионуклиды слоях почвы развитой корневой системой, хорошо аккумулирующих элементы-аналоги. Для выращивания растений или сочетаний растений, выбирают их семена из установленного перечня и засевают ими почву после проведения традиционных для данной местности агромероприятий, повышающих урожайность биомассы, исключив из состава вносимые удобрения, содержащие установленные выше элементы-аналоги, доведения рН почвы до значения, превышающего оптимальное значение рН для выбранного растения или сочетания растений не более чем на 0,5 единиц, внесения экстрагентов-сорбентов и водного раствора аммиачной селитры или азотной кислоты, переводящих радионуклиды в ионообменную форму и поддерживающих их в таком состоянии в течение длительного времени, причем количество и концентрацию водного раствора выбирают из условия, препятствующего угнетению выращиваемых растений в периоды их активного развития и созревания, почвы повторно обрабатывают вышеуказанным водным раствором, а по достижении максимальной сезонной биомассы осуществляют удаление растительного покрова, причем процесс получения биомассы с использованием вышеприведенных мероприятий повторяют многократно, в том числе и в пределах одного сезонного периода, пока содержание радионуклидов не станет нормативно допустимым, после чего почву используют для выращивания сельхозпродукции.

миграция биотический фотосинтез радиоактивный.