Тема 1. Современные теоретические представления о биоиндикации

Адаптационные возможности биосистем

Использование биологических изменений окружающей среды с целью оценки и прогноза ее состояния началось с первых шагов эволюции человека. Совокупность биоиндикационных представлений первобытного человека о поведении животных была основой успешной охоты. Биологические знания по экологии растений позволили нашим предкам отобрать будущие сельскохозяйственные культуры.

Можно сказать, что выживаемость первобытной человеческой популяции всецело зависела от «биоиндикационных» познаний. Знания накапливались, передавались в устной, культовой и письменной форме из поколения в поколение.

Развитие городов, технический прогресс, создание искусственной среды обитания человека изменили его взаимоотношения с природой, привели к использованию технических средств контроля состояния окружающей среды. Необходимость сопоставления показателей физико-химического состояния среды с их биологическим значением стимулировала биоиндикационные исследования. Успешное использование методов биоиндикации для экологической оценки состояния окружающей среды основывается на ряде эмпирических представлений.

Первое — устойчивость биосистем к любому повреждающему фактору может быть представлена в виде ряда биологических форм.

Второе — для всех биологических систем характерен принцип универсальности, следовательно, всегда возможен перенос наблюдаемых изменений с одного вида биосистем на другой.

Третье — эмоциональная убедительность, когда в середине лета желтеет трава, улетают птицы, происходит массовое размножение беспозвоночных, ухудшается настроение наблюдателя.

В современной биологии принята концепция об уровнях организации биосистем: начальный уровень организации биологических систем считается молекулярным, завершающий — биосферным. Под устойчивостью биосистем будем понимать их способность противостоять внешним изменениям среды в целях самосохранения.

Основываясь на таких общих представлениях, рассмотрим устойчивость биосистем в зависимости от уровня их организации.

Молекулярный уровень: вирусы, нуклеиновые кислоты, белки, аминокислоты характеризуются высоким уровнем устойчивости, сравнимым с неживой материей.

Клеточный уровень: микробы, одноклеточные, водоросли и т. д. характеризуются относительно высокой степенью устойчивости.

Органоидный и физиологический уровни биосистем обладают относительно низкой устойчивостью.

Начиная с организменного уровня устойчивость к влиянию внешних факторов становится активной. Организмы изменяют физиологическое состояние — вытесняют воду, образуют споры, избегают неблагоприятных факторов.

В развитии адаптационного комплекса на организменном уровне можно выделить индивидуальный тип адаптивных реакций, направленный на самосохранение, выживание, и видовой, связанный с сохранением вида и популяции.

К видовому типу адаптаций относятся физиологические системы и органы, ответственные за воспроизводство: мужская, женская половые системы и весь комплекс физиологических механизмов, ответственных за нормальное воспроизводство потомков. Наиболее чувствительными к влиянию стрессоров являются гипоталамус — отдел головного мозга, ответственный за стрессовые механизмы физиологических реакций, кора надпочечных желез, щитовидная железа, система желудочно-кишечного тракта, система крови, система сперматогенеза и женская половая система.

Независимо от типа влияния естественного или антропогенного фактора при условии превышения его физиологического уровня в организме развивается общий адаптационный синдром, или стресс. Определение уровня стресса организма животных и человека можно проводить по хорошо известным биохимическим и морфологическим методикам состояния надпочечных желез. Углубление стрессовой ситуации приводит к развитию симптомов язвенной болезни и нарушениям в системе сперматогенеза и функционировании гонад^[1].

Популяции, сообщества, экосистемы преобразуют среду в направлении повышения выживаемости биосистем. На уровне биосферы формируется гомеостаз биотической и абиотической среды, в которой возможны существование организмов и эволюция. Следовательно, от молекулярного до популяционного уровня организации живой материи устойчивость биосистем пассивная, она определяется их приспосабливаемостью к внешней среде.

Начиная с уровня популяций, сообществ характер биологических механизмов, обеспечивающих устойчивость, становится принципиально другим — активным, появляются системы круговорота веществ, энергии и информации, обеспечивающие стабильность биосферы. Образуются природоохранные экраны (озоновый, углекислый); обеспечивается цикличность климатических условий планеты. В условиях сформировавшейся биосферы «разменной монетой» стабильности экологической среды становится организм как наиболее неустойчивая и пластичная единица ее структурной организации.

Все биологические системы независимо от уровня организации существуют в изменяющейся окружающей среде. Для выживания и преобразования среды необходимы механизмы, позволяющие сохранять функциональную и структурную целостность живого в пределах изменчивости внешнего мира. Основная задача живого — выжить — осуществляется путем приспособления биосистем к среде, или адаптации. Адаптация по каждому фактору и по совокупности факторов характеризуется биохимическими, физиологическими, генетическими и экологическими пределами. Совокупность всех адаптационных характеристик организма, популяции, сообществ определяет их экологическую нишу, среду обитания, в которой возможно оптимальное развитие биосистем. Если уровень воздействующих на организм факторов превышает адаптационные возможности, то происходит деградация, разрушение части биосистемы или всей биосистемы.

В научной литературе довольно широко используется термин «стресс». Под стрессом в широком биологическом смысле подразумевается реакция биосистемы на экстремальные, предельные воздействия факторов среды. С биоиндикационной точки зрения наибольший интерес представляют выявление экстремальных стрессовых воздействий и прогноз возможного уровня деградации биосистем.

По мнению современных исследователей, существует шесть основных типов биоиндикационных реакций в зависимости от времени действия и вида фактора:

• • А — биоиндикатор через определенное время отвечает одноразовой сильной реакцией при действии фактора и затем теряет чувствительность;
• • Б — после определенного времени воздействия наблюдается сильная одноразовая реакция, которая продолжается какое-то время;
• • В — биоиндикатор реагирует с момента появления воздействия с одинаковой интенсивностью в течение длительного времени;
• • Г — после немедленной сильной реакции наблюдается ее затухание;
• • Д — реакция на воздействие медленно нарастает, достигает своего максимума и затухает;
• • Ж — колебательный характер ответных реакций.

В связи с тем, что все адаптивные реакции используют большое количество энергии при компенсации воздействующих факторов, можно установить несколько эмпирических правил адаптации.

Чем интенсивнее воздействующий фактор, тем больше энергетических ресурсов расходует биосистема на компенсацию.

Если фактор неизвестен биосистеме, то он не вызывает сигнальной, стимулирующей энергетику биосистемы реакции, поэтому встраивается в нее и ведет к разрушению биосистемы (мимикрирующий эффект). К таким факторам относятся синтезированные человеком химические вещества, электромагнитные и радиоактивные излучения. Адаптация биосистемы к экстремальным воздействиям вследствие больших ресурсных затрат нередко приводит к ее деградации — упрощению.

Автор: Карташев Александр

• [1] Карташев А. Г. Адаптация животных к хроническим факторам. Изд-во Lap lambert Academic Publishing, 2014.