Биопрогнозирование антропогенных кризисных ситуаций

Антропогенные катаклизмы в своем проявлении аналогичны природным, их предварительные стадии характеризуются общими закономерностями. В то же время существует ряд особенностей в развитии антропогенных экологических кризисов. Начальные этапы кризиса протекают относительно медленно и незаметно. Дестабилизирующие влияния охватывают не все трофические уровни и взаимоотношения в экосистеме.

Наиболее неустойчивы консументы верхнего трофического уровня, узкоспециализированные виды и крупные животные. После достижения критического уровня развивается лавинообразный процесс деградации биоценозов с сопутствующей миграцией или гибелью коренных популяций видов. Происходит замещение вымерших видов другими массовыми видами, способными существовать в разрушенной среде обитания. По аналогичному механизму протекали экологические катастрофы Аральского моря, озера Балхаш и др.

По мнению Н. Ф. Реймерса (1994), в качестве количественной меры нарушения стационарного равновесия экосистемы при техногенных воздействиях может быть использовано «правило 10 %». При накоплении токсических ингредиентов или разрушений биоценоза больше 10 % начинается деградация и саморазрушение экосистем. Необходимо отметить, что данная закономерность характерна для хронических, постоянно действующих антропогенных влияний и существенно зависит от типа биоценозов.

Хорошим и надежным биоиндикатором нарушения стационарного состояния экосистем является массовое размножение популяций какого-либо вида, превышающих по численности свои многолетние циклические колебания. Исследование ОСО

бенности биологии таких видов позволяет определить антропогенную причину освобождения или расширения экологической ниши и прогнозировать возможные последствия наблюдаемой нестабильности биоценоза. В современной урбанизированной природной среде в экосистемах, находящихся на разных стадиях восстановительной сукцессии, проведение подобного рода исследований осложняется неоднозначной интерпретацией полученных результатов.

Сохранение коренных биоценозов в пределах заповедных территорий, заказников, резерваций и национальных парков в качестве эталона природных сообществ необходимо при прогнозировании близких и отдаленных последствий антропогенного влияния на природные экосистемы.

Высокие концентрации токсичных веществ в воде, изменение pH, минерализация, мутность, повышение концентрации биогенных элементов и другие нарушения приводят к изменению биологических показателей. Хронические эффекты проявляются на уровне организма в виде молекулярных, генетических, клеточных, патологических изменений.

Компенсаторные реакции развиваются в направлении усиления процессов катаболизма, перераспределения энергетического бюджета на поддержание метаболизма в ущерб пластическому росту и созреванию, активации детоксикационного механизма с повышением энергетических затрат на выживание в неблагоприятных условиях среды.

Появляются признаки нарушения гомеостаза: мутации, новообразования, изменения клеточной структуры органов и тканей, показателей крови, патологические перерождения органов.

Наблюдаются признаки нарушения гомеостаза: увеличение содержания катехоламинов, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), кортикостероидов, белков типа металлотионинов, высокая активность энзимов, повышение потребления кислорода, тахикардия, усиленная вентиляция жабр, сгущение крови, высокое содержание молодых незрелых форм клеток и лейкоцитов: моноцитов, нейтрофилов, эозинофилов и др.

На уровне популяций хронические негативные факторы приводят к повышенной элиминация особей, сокращению продолжительности жизни, снижению скорости роста и нарушению сроков созревания гонад или репродуктивной несостоятельности. Адаптивные реакции направлены на выживание рано созревающих мелкоразмерных особей в популяции — г-стратегов, обеспечивающих поддержание численности и популяционной плодовитости, селекцию толерантности.

Поведенческие реакции характеризуются снижением эффективности поиска и утилизации ресурсов, избегания хищников или поиска жертв, нарушением миграционного и нерестового процесса и др.

Признаки угнетения: сокращение пополнения, высокий процент гибели, нарушения в соотношении возрастных когорт и полов, увеличение количества незрелых особей, сокращение размерной и возрастной структуры.

Признаки перестройки: увеличение доли созревающих особей в раннем возрасте, преобладание мелкоразмерных особей младших возрастных групп.

На уровне сообществ происходили следующие нарушения:

  • • энергетические — ускорение дыхания сообществ и разбалансирование соотношения продукции к дыханию, увеличение значимости энергии, поступающей извне;
  • • трофические — ускорение оборота элементов питания, сокращение их цикла в экосистеме, потери биогенных элементов;
  • • продукционные — усиление синтеза и экспорта первичной продукции, более высокое потребление энергии на поддержание биомассы экосистемы;
  • • структурные — снижение видового разнообразия и упрощение сообществ, укорочение пищевых цепей, увеличение видовой доминантности, увеличение роли мелких форм (г-стратегов) в сообществах, обеспечивающих более быстрый оборот биомассы.

К хроническим эффектам на уровне сообществ относятся:

  • • изменения в соотношениях продукции (Р) к тратам на дыхание: (Я) - Р / Я > 1 или Р / Я < 1;
  • • высокое соотношение минеральных форм фосфора и азота к их общему содержанию, повышенный их сток;
  • • высокое соотношение биомассы первичной продукции и суммарной, высокое соотношение продукции и биомассы или дыхания и биомассы;
  • • низкие показатели индекса биоразнообразия, изменения рангового распределения, изменения в соотношении мирных и хищных форм, высокий процент доминирования эврибионт-ных видов, снижение условной индивидуальной массы организма в сообществе и др.

Необходимо отметить, что при расчете вероятности риска антропогенных катастроф существует, как минимум, две шкалы: медико-социальная и экологическая.

В медико-социальной шкале выделяются четыре градации[1]:

  • 1) благополучная ситуация, которая характеризуется устойчивым ростом продолжительности жизни, повышением рождаемости, снижением заболеваемости;
  • 2) напряженная экологическая ситуация — заболеваемость населения по возрастным группам достоверно выше нормы по сравнению с аналогичными районами проживания. Средняя продолжительность жизни статистически достоверно не снижается, не наблюдается более ранняя инвалидность людей;
  • 3) экологическое бедствие — невозможно традиционное социально-экономическое хозяйствование. Статистически достоверно повышены детская смертность, заболеваемость детей и взрослых, частота психологических нарушений, частота и скорость наступления инвалидности. Продолжительность жизни и рождаемость статистически ниже, чем в аналогичных районах;
  • 4) экологическая катастрофа — территория непригодна для постоянного проживания. Экологические условия смертельно опасны.

По экологической шкале можно выделить шесть градаций:

  • 1) естественное состояние — характеризуется незначительными антропогенными воздействиями, максимальной для данного типа экосистем биомассой и минимальной биологической продуктивностью;
  • 2) равновесное состояние — интенсивность восстановительных процессов экосистем выше интенсивности антропогенных нарушений или равна ей, биологическая продуктивность выше зрелых сообществ, наблюдается снижение общей биомассы;
  • 3) кризисное состояние — антропогенные нарушения по интенсивности превышают восстановительные процессы экосистем. В то же время еще сохраняется естественный тип экосистем, биомасса снижена, значительно повышена биологическая продуктивность;
  • 4) критическое состояние — наблюдается обратная смена ранее существующих экосистем на менее продуктивные экосистемы, частичное опустынивание, биомасса невелика и снижается;
  • 5) катастрофическое состояние — процесс смены и закрепления малопродуктивных экосистем, сильное опустынивание, биомасса и биологическая продуктивность минимальны;
  • 6) состояние коллапса — необратимая потеря биологической продуктивности, биомасса стремится к нулю.

Используя экологическую и медико-биологическую шкалу, можно ранжировать наблюдаемые при мониторинге изменения, рассчитывать вероятность риска деградации окружающей среды и здоровья людей.

Выявляются виды-указатели, индикаторы степени антропогенных загрязнений с последующим определением критических нагрузок в лабораторных условиях. Определяются виды-индикаторы восстановительных процессов. Уточняется временная последовательность при использовании биотестов и площадь элементарной анализируемой пространственной ячейки. Намечается пространственное размещение биотестов с учетом размерности каждого и площади элементарной пространственной ячейки с целью компактного заполнения информацией всей последовательности анализируемого пространства. Производится разделение мониторингового района по выбранной системе элементарных пространственных ячеек и заполнение их информацией биотестов. Для токсикантов, способных накапливаться в трофических цепях биоценозов (радионуклиды, тяжелые металлы), определяются коэффициенты накопления в каждом трофическом уровне в зависимости от типа биоценоза.

Оцениваются коэффициенты миграции токсикантов при биологическом переносе веществ основными группами животных. Определяются коэффициенты биотрансформации загрязняющих веществ, обусловливающей повышение их токсичности в результате биохимических реакций при миграции в трофических цепях «ртуть — метилртуть».

Проводится статистическая обработка пространственно-временной структуры биотестов с целью текущей оценки ситуации. На основании полученной информации разрабатываются прогностические модели последующего развития экологической ситуации.

В лабораторных и полевых исследованиях выясняются зависимости «доза — биологическая реакция» для загрязнений при их комплексном воздействии, характерном для данной местности: тяжелые металлы, бифенолы, электромагнитные поля, радиация.

Экспериментальные исследования проводятся дифференцированно для биосистем различного уровня организации: микроорганизмов, растений, беспозвоночных, рыб, амфибий, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих и человека. В качестве объектов исследований используются потенциальные виды-индикаторы.

Первая группа тестов на чувствительность биообъектов к влиянию техногенных факторов выполняется на рефлекторном или поведенческом уровне. Среди беспозвоночных для этого используются пауки кругопряды, дождевые черви, которых можно вместе с почвой помещать между двумя стеклами, где они живут и перемещаются по своим ходам. При добавлении расчетной концентрации загрязняющих почву веществ наблюдаются изменения их двигательной реакции. Хорошим объектом являются аквариумные, речные рыбы и моллюски. Для млекопитающих разработано большое количество поведенческих лабораторных методик, позволяющих наблюдать за изменениями в их поведении при действии загрязняющих факторов.

Вторая, наиболее чувствительная, группа — эмбриональные тесты, с помощью которых можно оценить степень влияния токсикантов на эмбриональное развитие — самый чувствительный период индивидуального развития организма. Для растений это всхожесть семян, для беспозвоночных — эмбриональные и личиночные стадии онтогенеза. У рыб и амфибий исследуется влияние радиации на развитие икры, у рептилий и птиц — развитие яиц, у млекопитающих — период беременности. При этом учитывается количество появившихся потомков по отношению к числу зародышей, типы аномалий развития и число особей, доживших до половозрелого возраста, пол, вес и размеры.

В связи с тем, что техногенные факторы в последние 40 лет приобрели хронический характер, необходимо проводить специальные исследования по хроническому влиянию загрязнителей в течение 70—80 % периода онтогенеза живых биосистем. При хроническом влиянии факторов возможно получение достаточно полной информации с учетом критических периодов постнатального онтогенеза, в которых устойчивость организма снижается в несколько раз. В качестве тест-реакций необходимо использовать основные биохимические и физиологические показатели, специфичные для каждой группы биосистем.

Последующий этап включает в себя изучение негативного влияния антропогенных факторов в ряду поколений животных. При хроническом действии факторов потомства скрещиваются в течение 10—20 поколений. Отмечают отход животных в разных возрастных группах, уродства, типы патологий и проводят генетический контроль в соматических и половых клетках животных. Как показали исследования по влиянию слабых доз радиации, наиболее выраженные отрицательные последствия в популяции лабораторных мышей наблюдались в первом, третьем, седьмом и 12-м поколениях животных.

Наряду с лабораторными исследованиями используются опыты в естественных условиях. Индикаторные биообъекты помещают в загрязненные природные условия с известными количественными характеристиками воздействующих факторов и с определенной периодичностью фиксируют комплекс реакций, который сравнивается с показателями контрольной группы.

После анализа всей совокупности экспериментальных данных и наблюдений в природе выбирается группа биоиндикаторов, которая рекомендуется для использования в системе того или иного типа мониторинга.

Таким образом, научно обоснованный экологический мониторинг позволяет прослеживать степень антропогенного влияния на природную среду. Динамические ряды наблюдения по апробированной системе биотестов позволяют прогнозировать состояние исследуемых экосистем, разрабатывать оптимальные природоохранные мероприятия и обосновывать необходимые экологические санкции. В регионах с повышенной вероятностью экологических катастроф природного и антропогенного характера экологический мониторинг окажет неоценимую помощь при прогнозировании стихийных бедствий.

Основой комплекса специфических реакций биомониторинга являются биотесты, проградуированные в экспериментальных условиях к доминирующим антропогенным факторам.

К основным реакциям биосистем при физико-химических антропогенных воздействиях на экосистемы относятся:

  • • качественное и количественное изменение химического состава воздуха, воды и почвы (глобальное);
  • • нарушение температурного режима среды (глобальное);
  • • изменение электромагнитного состояния среды (глобальное);
  • • изменение природной освещенности (глобальное);
  • • нарушение водного режима среды;
  • • изменение уровня ионизирующей радиации;
  • • нарушение физических и механических показателей почвы;
  • • изменение показателей звуковых колебаний среды;
  • • изменение химического состава продуктов питания.

Основные реакции биосистем на организменном уровне:

  • • изменение химического состава организма и накопление ксенобиотиков;
  • • изменение репродуктивного потенциала особей;
  • • изменение морфофизиологических показателей особей в результате нарушения процессов развития;
  • • изменение длительности стадий онтогенеза и продолжительности жизни;
  • • нарушения поведения.

Реакции на уровне популяций заключаются в изменении:

  • • генетической структуры популяций;
  • • пространственной структуры популяций;
  • • возрастной структуры;
  • • соотношения полов;
  • • численности популяций.

Биоценотические реакции — рассогласование сроков развития различных видов в сообществе; нарушение трофических взаимодействий в связи с изменением структуры сообществ.

С целью создания системы снижения последствий экологических кризисов необходима организация биоиндикационно-го контроля в районах потенциально опасных промышленных объектов. К их числу принадлежат атомные станции, радиохимические заводы по переработке, обогащению и дезактивации радиоактивных материалов и другие промышленные предприятия.

Контрольные вопросы

  • 1. Как происходит прогнозирование землетрясений?
  • 2. Какие бывают ииоиндикаторы землетрясений?
  • 3. Как происходит биопрогнозирование сейсмической активности?
  • 4. Каковы особенности техногенных катаклизмов?
  • 5. Что собой представляет экологическая шкала антропогенных нарушения?
  • 6. Какие существуют методы биоиндикации техногенных катаклизмов?

  • [1] Раймере Н. Ф. Экологии (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). М. : Россия молодая, 1994.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >