Химическая экология

Наиболее совершенным представляется механизм дистанционной химической защиты посредством токсических выделений в окружающую среду. При этом токсические вещества начинают действовать до того, как растению были нанесены повреждения (предупреждающий удар). Известны случаи дистанционного поражения человека и животных эфирными выделениями ясенцев (см. с. 255) и некоторых других растений (токсикодендрон, багульник, рододендрон и др.). К механизмам дистанционной химической защиты следует также причислить и аллелопатию.

В нормальных условиях произрастания, где отмечается быстрая регенерация поврежденных растений, которой способствуют благоприятные условия среды, также проявляются механизмы токсической защиты.

Например, многие из так называемых кормовых растений -- злаков и бобовых (сорго, суданская трава, гумай, клевер, манник, бор развесистый, бухарник, вика, чина), а также другие представители этих семейств на ранних стадиях формирования являются цианогенными растениями, что позволяет защищать молодые побеги от поедания животными. Цианогенная активность характерна также и для представителей рода Триостренник (Triglochin) из сем. Ситниковых, поедаемых нередко как дикими, так и домашними животными.

Иногда растения прибегают к механизму химической защиты посредством «отходов» своего метаболизма. Известно, например, значительное накопление солей щавелевой кислоты (до 1--1,3% в клеточном соке) представителями родов щавель (Rumex), кислица (Oxalis) и ревень (Rheum), обладающих привлекательными для поедания листьями. Однако животные их не трогают, так как содержащиеся в них оксалаты приводят к сильному нарушению обмена веществ в животном организме. Моногидрат оксалата калия замещает кальций в крови и осаждает его в виде нерастворимого оксалата кальция, что приводит к уменьшению свертываемости крови. Замена кальция калием может также привести к сильному возбуждению ЦНС (до судорожного состояния). Кроме того, оксалат кальция осаждается в мочевых канальцах, вызывая нефриты и уремию.

Хемотаксономическая специфика и токсикоспецифичность растений в зависимости от условий произрастания

Между низшими и высшими растениями существуют заметные различия в характере токсической защиты, совершенствующейся по мере эволюционного усложнения растительных организмов. В связи с этим характеристика ядовитых свойств растений дается в книге обособленно по этим систематическим группам.

В настоящее время представляется очевидной не только хемотаксономическая специфика растительного мира (по систематическим группам разного ранга), но и доказана токсикоспецифичность растений, позволяющая использовать определенные фитотоксины в качестве руководящих признаков для диагностики ботанических таксонов (видов, родов, семейств, классов, типов и т.д.).

Наиболее совершенными и сложными среди всех растительных токсинов являются алкалоиды цветковых растений, многие из которых имеют ярко выраженную видовую специфичность по вырабатывающим их растениям (что отражено в названиях большинства алкалоидов). Как правило, определенные алкалоиды характерны для определенных ботанических семейств. Представители одного систематического порядка растений также вырабатывают алкалоиды сходной химической структуры. Например, представители семейства маковых вырабатывают серию алкалоидов группы морфина (морфин, тебаин, кодеин и др.), отсутствующих в растениях других семейств. Сходные алкалоиды группы бульбокапнина встречаются в двух близких семействах маковых и дымянковых из одного порядка макоцветных.

Некоторые простые (низшие) алкалоиды могут быть обнаружены и в отдаленных растительных семействах, однако для сложных высокоспецифичных алкалоидов подобное является лишь исключением.

Все это свидетельствует о значительной видовой специфичности вторичного метаболизма, в то время как первичный обмен у растений во многом универсален.

Алкалоиды вырабатываются у высших, преимущественно цветковых растений. У низших [Некоторые алкалоиды найдены у спорыньи и мухоморов растений, моховидных и папоротниковидных алкалоиды в основном отсутствуют. У мхов токсические вещества вообще достоверно не известны. Среди хвощей и плаунов найдены алкалоидосодержащие растения, однако токсины плаунов точнее следует считать псевдоалкалоидами. У голосеменных алкалоиды известны только для тисса и эфедровых

Об основополагающей роли алкалоидов у цветковых растений, позволивших им в кратчайший срок выйти победителями в борьбе за существование, свидетельствует массовое внезапное вымирание динозавров. Как считают некоторые исследователи, это явление совпало с расцветом покрытосеменных, активно вытеснявших все другие растительные формы и содержавших ядовитые алкалоиды, к которым совершенно были не приспособлены гигантские травоядные рептилии.

Алкалоиды обнаружены и у некоторых животных [Специфичный животный алкалоид буфотонин найден также и у мухоморов, использующих готовые растительные алкалоиды, которые они трансформируют в собственные соединения. Так, например, бобры накапливают алкалоид касторамин, очень близкий к нуфаридину из корневищ кубышки Nuphar lutea (L.) Smith, некоторые бабочки аккумулируют в своем теле сердечные гликозиды, становясь при этом несъедобными для птиц.

Следует отметить, что ядовитые соединения неалкалоидной природы (гликозиды, сапонины, терпеноиды и т. д.) для растительного мира являются более универсальными, и наличие похожих веществ может быть отмечено у представителей весьма далеких классов (терпеноиды -- туйон и пинен в хвойных, сложноцветных и губоцветных). Это объясняется построением таких сравнительно простых по структуре веществ из широко распространенных для всех растительных организмов углеводов, органических кислот и др.

У представителей тропической и субтропической флоры отмечается значительное число смолосодержащих растений, в которых смолистые вещества (терпеновые соединения различных классов) являются важнейшим фактором биологической стойкости против многочисленных патогенных микроорганизмов и насекомых, в изобилии развивающихся в условиях теплого влажного климата.

Значительное число растений, содержащих токсические вещества, являются представителями высокогорной флоры. Не случайно здесь также наблюдается повышенная активность видообразования растений. В таких крайних для существования условиях отмечается особая динамичность обменно-энергетических процессов и активизация синтеза биологически активных соединений, направленные на усиление жизненного потенциала и биологической стойкости видов.

Токсичность различных растений может варьировать в зависимости от положения вида в географическом ареале, характера почвы и местообитания, климатических условий года, стадии онтогенеза и фенофазы.

Например, такое смертельно ядовитое растение, как чемерица (см. с. 253), в некоторых районах Армении и Алтая считается хорошим кормовым видом, а в южной части Томской области оно содержит на ¹/₃ меньше алкалоидов, чем в северной. Токсичность астрагалов (см. с. 131) зависит от содержания в почве селена, которого они могут накапливать до десятых долей процента в составе сухой фитомассы. Другие растения из селеновых геохимических провинций также накапливают этот элемент в токсических количествах. Селен, являясь антагонистом серы, вытесняет ее из различных органических соединений. Например, у крестоцветных селен включается вместо серы в состав тиогликозидов (см. с. 208), у бобовых -- заменяет ее в аминокислотах (метионине, цистеине и др.), в зернах злаков -- в резервных белках. При содержании более 5--10 мг селена в 1 кг пищи отмечается задержка роста и развития животных, у которых он накапливается в печени, почках, сердце, легких, селезенке. Селен образует соединения с белками крови, молока, органов и тканей, угнетает тканевое дыхание, инактивируя окислительные ферменты.

В связи с этим при поедании селенсодержащих растений у животных развивается малокровие, разрушение кератиновых структур (размягчение копыт и рогов, выпадение волос). Растения из селеновых провинций при пересадке их в бесселеновые почвы значительно угнетаются. Для борьбы с активным накоплением селена кормовыми растениями применяется повышенное внесение в почву серы.

Цианогенная активность триостренника (см. с. 134) повышается в зависимости от недостатка влаги в почве. Так у растений с мелководий она может быть в 5--10 раз ниже, чем у растущих вдали от воды.

Все растения, выращиваемые в условиях дефицита влаги, накапливают в своем теле большее количество токсичных нитратов, чем при нормальной водообеспеченности. При этом именно недостаточный полив сельскохозяйственных культур на фоне нормального содержания нитратов в почве может вызвать их накопление в растениях в токсических количествах.

Пасмурная погода или выращивание растений в затененных условиях может повышать их алкалоидность. У пасленовых (белена, дурман и др.) процессы алкалоидонакопления интенсифицируются ночью, в связи с чем растения более токсичны утром, чем в конце дня. Накопление эфирных масел, наоборот, происходит на ярком свету, хотя при этом они интенсивнее испаряются, конденсируясь в пасмурную погоду. Поэтому дистанционные поражения растениями усиливаются в солнечные дни.

Вопросы для самоконтроля:

В чём заключается роль митоксинов, фитоксинов и антибиотикоыв.

Какова природа токсинов морских беспозвоночных?

Каковы химические средства защиты у членистоногих?

Яды позвоночных.

Некоторые виды миметизма.

Биолюминесценция.

Рекомендуемая литература:

Барбье М. Введение в химическую экологию, М.: Мир, 1978

Сатаева А.Р. Теоретические основы промышленной экологии, Бийск, 2008г.

Панин М.С.Химическая экология, 2002г.

Лекция №8-11. Экологическое значение стеринов для беспозвоночных

Цель: ознакомиться с экологическим значением стеринов для беспозвоночных

Основные вопросы:

Схема гормонального контроля у насекомых.

Значение холестерина.

Фитостерины и их биологическая роль.

Краткое содержание:

СТЕРИНЫ присутствуют практически во всех тканях животных и растений и являются наиболее распространенными представителями стероидов в природе. В зависимости от источника подразделяются на животные (зоостерины), растительные (фитостерины), СТЕРИНЫ грибов (микостерины) и микроорганизмов. Такая классификация, однако, имеет ограничения для морских организмов, отличающихся исключительным разнообразием структур и состава СТЕРИНЫ

Основной СТЕРИНЫ высших животных -холестерин (формула la)широко распространен и у др. организмов. b-Ситостерин (формула Iб)-один из наиболее распространенных СТЕРИНЫ растений; содержится в талловом масле. В сложных смесях СТЕРИНЫ растений могут содержаться также значительной количества стигмастерина (I в) и брассикастерина (I г). Осн. источник последних-соответственно масло соевых бобов и семян рапса, где их содержание может превышать 20% от массы неомыляемой фракции. Типичный представитель СТЕРИНЫ морских организмов -криностерин (24-эпибрассикастерин, 22-дегидрокампестерин; формула Iд)-основные компонент СТЕРИНЫ многие диатомовых водорослей. Главный СТЕРИНЫ дрожжей, грибов и ряда простейших-эргостерин (формула II).



Ланостерин (формула III), относящийся к метилстеринам, наряду с холестерином содержится в значительной кол-ве в жирах овечьей шерсти. Св-ва некоторых СТЕРИНЫ представлены в таблице. В ИК спектрах СТЕРИНЫ имеются полосы валентных колебаний группы ОН (3200-3650 см^-1), а также неплоскостных де-формац. колебаний С--H в группе С=С--H (800-970 см^-1). 5,7-Диеновая система, характерная для эргосте-рина, обнаруживается по поглощению в УФ спектре-l_макс (этанол) 283 нм, e 11900. Наиб. информативны спектры ПМР и ЯМР ¹³С, а также масс-спектры, позволяющие определять мол. массу СТЕРИНЫ, наличие и характер заместителей в молекуле, число атомов и порядок связей.

Химическая свойства СТЕРИНЫ мало отличаются от свойств алициклический спиртов и алкенов. Особенность стероидной структуры СТЕРИНЫ проявляется, например, в их способности образовывать прочные труднорастворимые комплексы с дигитонином и нек-рыми др. стероидными сапонинами, что широко использовалось для выделения и очистки холестерина в ранний период исследований. Структура и свойства соединение, содержащих двойные связи у атомов С-5 и С-22 (? 5,22-С), благоприятны для использования их в качестве исходных соединений в химический синтезе ряда природные стероидов и их аналогов, в т.ч. гормонов млекопитающих, насекомых и растений.

Биосинтез СТЕРИНЫ, как и др. стероидов, осуществляется из уксусной и мевалоновой кислот в результате многостадийного ферментативного процесса через непосредственный предшественник - сквален, циклизация которого в организмах животных и растений протекает по-разному; в первом случае образуется Ланостерин, во втором-циклоартенол (IV).

Превращение этих соединение в другие СТЕРИНЫ-сложный и не до конца изученный процесс, протекающий в различные биологическое объектах неодинаково. Одно из отличий связано с присутствием у растений биосинтетич. механизмов алкилирования, которых нет у животных, в результате чего у растений преобладают стерины С₂₈-С₂₉, у животных-С₂₇. Сами СТЕРИНЫ, в свою очередь,-предшественники др. стероидов в живых организмах: у животных-желчных кислот, стероидных гормонов, витамина D, у растений - агликонных частей стероидных гликозидов, некоторых регуляторов роста растений и др. Большинство биосинтетич. превращений СТЕРИНЫ имеет окислит. характер и протекает под-действием оксидоредуктаз, среди которых важная роль принадлежит цитохромам Р-450.

В природе СТЕРИНЫ- биосинтетич. предшественники многие стероидных биорегуляторов, основные структурные компоненты (наряду с белками и фосфолипидами) клеточных мембран. Предполагают, что они выполняют при этом не только пассивную (структурную) функцию, но и влияют на клеточный метаболизм. Свои функции в организме млекопитающих СТЕРИНЫ реализуют в виде комплексов с белками (липопротеидов) и сложных эфиров высших жирных кислот, являясь их переносчиками во все органы и ткани через систему кровотока. Фитостерины, например b-ситостерин, в отличие от холестерина не усваиваются организмом человека. Большое разнообразие СТЕРИНЫ у растений, дрожжей и беспозвоночных, резко отличающееся от СТЕРИНЫ животных и человека, не имеет объяснения с функцион. точки зрения.

Анализ СТЕРИНЫ основан на сочетании хроматографич. и спектральных методов; весьма эффективна хромато-масс-спектемпературометрия, позволяющая в процессе анализа фракции идентифицировать ее по типу фрагментации. Известные цветные реакции некоторых типов СТЕРИНЫ представляют в настоящее время лишь теоретич. интерес.

В промышленности СТЕРИНЫ выделяют из животного или растит. стеринсодержащего сырья: холестерин-из продуктов мясопереработки (мозга крупного рогатого скота), стиг-мастерин-из масла соевых бобов, ?-ситостерин из отходов целлюлозно-бум. производства, эргостерин-из дрожжей.

Применяют СТЕРИНЫ главным образом для получения стероидных гормонов и производных на их основе, а также витамина D и др. фармацевтич. препаратов.

Вопросы для самоконтроля.

Какова схема гормонального контроля у насекомых?

Значение холестерина?

Фитостерины и их биологическая роль?

Рекомендуемая литература:

Барбье М. Введение в химическую экологию, М.: Мир, 1978

Сатаева А.Р. Теоретические основы промышленной экологии, Бийск, 2008г.

Панин М.С.Химическая экология, 2002г.

Лекция № 12-15. Феромоны

Цель: ознакомиться с общей характеристикой класса феромонов, их роли в живой природе

Основные вопросы:

Феромоны насекомых

Феромоны водолрослей

Феромоны позвоночных

Краткое содержание:

Феромомны (греч. цЭсщ -- нести + псмьнз -- побуждать, вызывать) -- собирательное название веществ -- продуктов внешней секреции, выделяемых некоторыми видами животных и обеспечивающих химическую коммуникацию между особями одного вида. Феромоны синтезируются и растениями. Феромоны -- биологические маркеры собственного вида, летучие хемосигналы, управляющие нейроэндокринными поведенческими реакциями, процессами развития, а также многими процессами, связанными с социальным поведением и размножением.

Феромоны модифицируют поведение, физиологическое и эмоциональное состояние или метаболизм других особей того же вида. Как правило, феромоны продуцируются специализированными железами.

Классификация феромонов

По своему воздействию феромоны делятся на два основных типа: релизеры и праймеры.

Релизеры -- тип феромонов, побуждающих особь к каким-либо немедленным действиям и используются для привлечения брачных партнёров, сигналов об опасности и побуждения других немедленных действий.

Праймеры используются для формирования некоторого определённого поведения и влияния на развитие особей: например, специальный феромон, выделяемый пчелой-маткой. Это вещество подавляет половое развитие других пчёл-самок, таким образом превращая их в рабочих пчёл.

В качестве отдельных названий некоторых типов феромонов можно привести следующие:

эпагоны -- половые аттрактанты;

одмихнионы -- метки пути, указывающие дорогу к дому или к найденной добыче, метки на границах индивидуальной территории;

торибоны -- феромоны страха и тревоги;

гонофионы -- феромоны, индуцирующие смену пола;

гамофионы -- феромоны полового созревания;

этофионы -- феромоны поведения;

лихневмоны -- феромоны, маскирующие животное под другой вид.

Феромоны насекомых

Феромоны используются насекомыми для подачи самых разных сигналов. Упомянутый выше бомбикол использовался самками шелкопряда для поиска полового партнёра, однако на этом влияние феромонов на регулирование жизни насекомых не ограничивается.

Например, муравьи используют феромоны для обозначения пройденного пути. По специальным меткам, оставляемым по дороге, муравей может найти дорогу обратно в муравейник. Также, метки, делаемые при помощи феромонов показывают муравейнику путь к найденной добыче. Отдельные запахи используются муравьями для подачи сигнала об опасности, что провоцирует у особей либо бегство, либо агрессивность.

Феромоны позвоночных

Ввиду достаточно сложных поведенческих реакций феромоны позвоночных изучены слабо. Существует предположение, что рецептором феромонов у позвоночных является вомероназальный (якобсонов) орган.

В ходе исследований этих явлений было обнаружено, что некоторые химические вещества стероидной природы могут играть роль половых феромонов. Однако исследователи отмечают, что поведение высших млекопитающих, в том числе и человека, подчинено многим факторам, и феромоны не играют решающей роли в его регуляции.

Применение феромонов

Феромоны нашли своё использование в сельском хозяйстве. В сочетании с ловушками разных типов, феромоны, приманивающие насекомых, позволяют уничтожать значительные количества вредителей. Также, распыление феромонов над охраняемыми сельскохозяйственными угодьями позволяет обмануть самцов вредителей и таким образом снизить популяцию вредных насекомых -- ввиду того, что самцы, привлечённые более сильным синтетическим запахом, не смогут найти самку для спаривания. Многие феромоны насекомых ученые научились синтезировать искусственно.

На современном рынке парфюмерной продукции присутствуют товары, которые позиционируются как «содержащие феромоны». Производители такой продукции утверждают, что ее использование усиливает привлекательность у противоположного пола «на подсознательном уровне».

Вопросы для самоконтроля:

Какова роль и природа феромонов насекомых?

Какова роль и природа феромонов водорослей?

Какова роль и природа феромонов позвоночных?

Рекомендуемая литература:

Барбье М. Введение в химическую экологию, М.: Мир, 1978

Сатаева А.Р. Теоретические основы промышленной экологии, Бийск, 2008г.

Панин М.С.Химическая экология, 2002г.

Лекция № 16-18. Равновесие в природе и его нарушения: примеры адаптации и разрушительных последствий

Цель: ознакомиться с примерам адаптации и разрушительных последствий при нарушении равновесия в природе

Основные вопросы:

Взаимоотношения растений и насекомых.

Воздействие человека на мировой океан

Краткое содержание:

Симбиомз (от греч. ухм- -- «совместно» и вЯпт -- «жизнь») -- это тесное и продолжительное сосуществование представителей разных биологических видов. При этом в ходе коэволюции происходит их взаимоадаптация.

В природе встречается широкий спектр примеров взаимовыгодного симбиоза (мутуализм). От желудочных и кишечных бактерий, без которых было бы невозможно пищеварение, до растений (зачастую орхидеи), чью пыльцу может распространять только один, определённый вид насекомых. Такие отношения успешны всегда, когда они увеличивают шансы обоих партнёров на выживание. Осуществляемые в ходе симбиоза действия или производимые вещества являются для партнёров существенными и незаменимыми. В обобщённом понимании такой симбиоз -- промежуточное звено между взаимодействием и слиянием.

В более широком научном понимании симбиоз представляет собой любую форму взаимодействия между организмами разных видов, в том числе паразитизм -- отношения, выгодные одному, но вредные другому симбионту. Обоюдно выгодный вид симбиоза называют мутуализмом. Комменсализмом называют отношения, полезные одному, но безразличные другому симбионту, а аменсализмом -- отношения, вредные одному, но безразличные другому.

Разновидность симбиоза -- эндосимбиоз (см.Симбиогенез), когда один из партнёров живёт внутри клетки другого.

Наука о симбиозе -- симбиология.

В зависимости от характера взаимоотношений видов-комменсалов выделяют три вида:

комменсал ограничивается использованием пищи организма другого вида (например, в извивах раковины рака-отшельника обитает кольчатый червь из рода Nereis, питающийся остатками пищи рака);

комменсал прикрепляется к организму другого вида, который становится «хозяином» (например, рыба-прилипала плавником-присоской прикрепляется к коже акул и др. крупных рыб, передвигаясь с их помощью);

комменсал селится во внутренних органах хозяина (например, некоторые жгутиконосцы обитают в кишечнике млекопитающих).

Примером комменсализма могут служить бобовые (например, клевер) и злаки, совместно произрастающие на почвах, бедных доступными соединениями азота, но богатых соединениями калия и фосфора. При этом если злак не подавляет бобовое, то оно в свою очередь обеспечивает его дополнительным количеством доступного азота. Но подобные взаимоотношения могут продолжаться только до тех пор, пока почва бедна азотом и злаки не могут сильно разрастаться. Если же в результате роста бобовых и активной работы азотфиксирующих клубеньковых бактерий в почве накапливается достаточное количество доступных для растений соединений азота, этот тип взаимоотношений сменяется конкуренцией. Результатом её, как правило, является полное или частичное вытеснение менее конкурентоспособных бобовых из фитоценоза. Другой вариант комменсализма: односторонняя помощь растения-«няни» другому растению. Так, береза или ольха могут быть няней для ели: они защищают молодые ели от прямых солнечных лучей, без чего на открытом месте ель вырасти не может, а также защищают всходы молодых елочек от выжимания их из почвы морозом. Такой тип взаимоотношений характерен лишь для молодых растений ели. Как правило, при достижении елью определенного возраста она начинает вести себя как очень сильный конкурент и подавляет своих нянь.

В таких же отношениях состоят кустарники из семейств губоцветных и сложноцветных и южно-американские кактусы. Обладая особым типом фотосинтеза (САМ-метаболизм), который происходит днем при закрытых устьицах, молодые кактусы сильно перегреваются и страдают от прямого солнечного света. Поэтому они могут развиваться только в тени под защитой засухоустойчивых кустарников. Имеются также многочисленные примеры симбиоза, выгодного для одного вида и не приносящего другому виду ни пользы, ни вреда. Например, кишечник человека населяет множество видов бактерий, присутствие которых безвредно для человека. Аналогично, растения, называемые бромелиадами (к которым относится, например, ананас), обитают на ветвях деревьев, но получают питательные вещества из воздуха. Эти растения используют дерево для опоры, не лишая его питательных веществ. Растения питательные вещества делают сами, а не получают из воздуха.

Симбиоз и эволюция

Помимо ядра в эукариотических клетках имеется множество изолированных внутренних структур, называемых органеллами. Митохондрии, органеллы одного типа, генерируют энергию и поэтому считаются силовыми станциями клетки. Митохондрии, как и ядро, окружены двухслойной мембраной и содержат ДНК. На этом основании предложена теория возникновения эукариотических клеток в результате симбиоза. Одна из клеток поглотила другую, а после оказалось, что вместе они справляются лучше, чем по отдельности. Такова эндосимбиотическая теория эволюции.

Эта теория легко объясняет существование двухслойной мембраны. Внутренний слой ведет происхождение от мембраны поглощенной клетки, а наружный является частью мембраны поглотившей клетки, обернувшейся вокруг клетки-пришельца. Также хорошо понятно наличие митохондриальной ДНК -- это не что иное, как остатки ДНК клетки-пришельца. Итак, многие (возможно, все) органеллы эукариотической клетки в начале своего существования были отдельными организмами, и около миллиарда лет тому назад объединили свои усилия для создания клеток нового типа. Следовательно, наши собственные тела -- иллюстрация одного из древнейших партнерских отношений в природе.

Следует также помнить, что симбиоз -- это не только сосуществование разных видов живых организмов. На заре эволюции симбиоз был тем двигателем, который свел одноклеточные организмы одного вида в один многоклеточный организм (колонию) и стал основой разнообразия современной флоры и фауны.

Примеры симбиозов

Эндофиты живут внутри растения, питаются его веществами, выделяя при этом соединения, способствующие росту организма-хозяина

Транспортировка семян растений животными, которые поедают плоды и выделяют непереваренные семена вместе с пометом в другом месте.

Насекомые/растений

Дерево (Duroia hirsuta) -- жилище/Myrmelachista schumanni («лимонные муравьи») -- гербицид (муравьиная кислота) для ростков конкурентов. Явление -- Сады дьявола

Опыление цветущих растений насекомыми, в ходе которого насекомые питаются нектаром.

Некоторые растения, например табак, приманивают к себе насекомых, которые способны защитить их от других насекомых.

Грибы/водоросли

Лишайник состоит из гриба и водоросли. Водоросль в результате фотосинтеза производит органические вещества (углеводы), использующиеся грибом, а тот поставляет воду и минеральные вещества.

Взаимоотношения водоросли и лишайникового (лихенизированного) гриба, в большинстве случаев, представляют собой пример эндопаразитосапрофитизма. Гриб паразитирует на водоросли, обитающей в слоевище лишайника и разлагает отмершие клетки водорослей.

Животные/водоросли

Желтопятнистая саламандра уже с момента существования в икринке может содержать в себе одноклеточные водоросли Oophila amblystomatis. При этом водоросли, используя метаболиты животного, вырабатывают кислород, используемый для получения химической энергии в митохондриях.^[2]

Грибы/растения

Многие грибы получают от дерева питательные вещества и снабжают его минеральными веществами (микориза).

Насекомые/насекомые

Некоторые муравьи защищают («пасут») тлю и получают от неё взамен выделения, содержащие сахар.

Сигнальные взаимоотношения организмов

Сигнальные взаимоотношения организмов - это информационные отношения, которые не сопровождаются разделом или передачей от одного организма к другому материальноэнергетических ресурсов. Они могут достаточно эффективно влиять на результаты горизонтальных (конкуренция) и вертикальных (мутуадизм, хищничество, паразитизм) взаимоотношений. Различают несколько типов сигналов. Зрительные сигналы - основа взаимоотношений насекомо- опыляемых растений и насекомых-опылителей, которые опознают растения по яркой окраске венчика. К зрительным сигналам относятся устрашающие позы животных (вздыбленная шерсть, оскал), а также приобретение животными окраски, защищающей от поедания (красный цвет насекомых).

К сигналам этого типа относятся и ложные сигналы - мимикрия, когда организмы «подражают» определенным предметам живой или неживой природы. Насекомые могут, к примеру, подражать животным, которые либо несъедобны, либо опасны (безвредный европейский шершневидный мотылек маскируется под жалящего шершня, самки парусника-притворяшки маскируются под некоторых ядовитых бабочек и т.д.).

Звуковые сигналы. Такие сигналы подают птицы, оповещающие друг друга о том, что участок занят, или об опасности. Звуковые сигналы облегчают поиск полового партнера. Сигналом, предотвращающим стычку хищников, является рычание. Дельфины и некоторые насекомые обмениваются звуковыми сигналами на частотах, недоступных человеческому слуху.

Химические сигналы. Этот вид сигнальных отношений особенно широко распространен у животных, которые продуцируют специальные сигнальные вещества - феромоны, обладающие сильным запахом и потому действующие при очень низких концентрациях (половые феромоны, феромоны для мечения территории, агрегационные феромоны - при их посредстве собираются вместе муравьи одной семьи, феромоны тревоги и т.д.). Большую роль играют запахи и во взаимоотношениях насекомых- опылителей и растений.

В последние годы описано много фактов влияния химических сигналов растений на интенсивность их поедания фитофагами. Есть данные, что химические сигналы растений могут привлекать энтомофагов и паразитов, которые способны помочь растению справиться с нашествием фитофагов. Кукуруза «зовет на помощь» энтомофагов - выделяет специфические вещества, которые привлекают нематод. Нематоды проникают внутрь тел личинок жуков и заражают их бактериями, которые симбиотически связаны с нематодами, но смертоносны для личинок жуков.

Сигнальные химические взаимоотношения между растениями называются аллелопатией. Растения выделяют в окружающую среду биологически активные вещества - колины. Они попадают в почву (корневые выделения), в атмосферу (газообразные вещества с сильным запахом) и воду (смывы с листьев). Колины выделяются и при разложении мертвого органического вещества, например, лесной подстилки. Считается, что роль колинов во взаимоотношениях растений вторична, первоначально они вырабатывались растениями для отпугивания насекомых-фитофагов. Факт существования аллелопатии бесспорен и подтвержден в экспериментах сотни раз. Со времен Теофраста известно, что под пологом грецкого ореха не растут другие плодовые культуры. Под интродуцированными на Кавказ австралийскими эвкалиптами из-за аллелопатических выделений из опавших листьев не могут расти местные виды трав.

Однако роль аллелопатии в естественных экосистемах невелика, так как в них нет условий, при которых концентрация колинов повышается до уровня, когда они могут существенно влиять на растения. Кроме того, длительно совместно обитающие растения адаптируются к аллелопатическим выделениям друг друга. Возможно, что колины корней играют роль в обеспечении равномерности их распределения в почве, подавая сигнал «занято». Колины, образующиеся при разложении лесной подстилки, ингибируют возобновление многих видов деревьев.

Вопросы для самоконтроля:

Каковы взаимоотношения растений и насекомых?

Каковы потенциальные последствия воздействия человека на мировой Океан

На какие группы делятся сигнальные взаимоотношения?

Расскажите о зрительных сигналах.

Приведите примеры звуковых сигналов.

Расскажите о разнообразии химических сигналов животных.

Что такое аллелопатия и какова ее роль в природе?

Рекомендуемая литература:

Барбье М. Введение в химическую экологию, М.: Мир, 1978

Сатаева А.Р. Теоретические основы промышленной экологии, Бийск, 2008г.

Панин М.С.Химическая экология, 2002г.

Лекция № 19-24. Влияние отраслей народного хозяйства на состояние окружающей природной среды

Цель: ознакомиться с отраслями народного хозяйства на состояние окружающей среды.

Основные вопросы:

Классификация загрязнений

Классификация отраслей народного хозяйства по степени их экологической опасности.

Специфика технологии топливной энергетики

Краткое содержание:

Химическое производство оказывает на окружающую среду многообразное воздействие. В общем случае могут быть выделены три типа воздействия:. Загрязнение окружающей природной среды химическими веществами. Загрязнение природной среды химическими веществами как следствие работы химического предприятия более правильно связывать

с бесконтрольным поступлением загрязняющих веществ этого производства в природную среду. Загрязняющее вещество- любой продукт (вещество), попадающий

в окружающую среду или возникающий в ней в количествах, выходящих за рамки обычного содержания, предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время. Истощение природных ресурсов. Истощение природных ресурсов - второй тип воздействия химического (химико-металлургического) производства на окружающую среду. Так, строительство химического комбината и эксплуатация им тех или иных конкретных сырьевых ресурсов сопровождается ухудшением качества природных ресурсов, их истощением и загрязнением среды.

Ухудшение ценности природных ресурсов обязательно сопровождает превращение

Природных ландшафтов в антропогенные (техногенные). В действительности все эти три типа взаимодействия связаны Между собой и могут быть разделены лишь в крайних случаях. В настоящее время к загрязнениям принято относить все те антропогенные факторы, которые оказывают нежелательное воздействие, как на самого человека, так и на ценные для него организмы и ресурсы неживой природы. В большинстве случаев загрязнения представляют собой отходы различных производств, образующиеся на ряду с готовой продукцией в результате переработки разнообразных природных ресурсов - топливных, сырьевых, кислорода воздуха, воды и т. д. Отходы производства можно рассматривать как продукты обмена веществ между индустриально развитым обществом и природой, как своеобразные «экскременты производства», по выражению К. Маркса. Типичным «организмом», осуществляющим такой обмен веществ, является современный промышленный город. Промышленные загрязнения могут быть механическими, химическими, физическими и биологическими. К механическим загрязнениям относятся запыление атмосферы, твердые частицы и разнообразные предметы в воде и почве. Химическими загрязнениями являются всевозможные газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу и гидросферу и вступающие во взаимодействие с окружающей средой. К физическим загрязнениям относятся все виды энергии как отходы разнообразных производств. Это - тепловая, механическая (включая вибрации, шум, ультразвук), световая энергии, электромагнитные поля, все ионизирующие излучения. Биологические загрязнения- все виды организмов, появившиеся при участии человека и наносящие вред ему самому или живой природе.

По другой классификации все промышленные загрязнения окружающей среды подразделяются на две основные группы: материальные(вещества), включающие механические, химические, биологические загрязнения, и энергетические (физические) загрязнения. Объединение механических и химических загрязнений в одну группу обусловлено тем, что большая часть веществ оказывает на окружающую среду оба рода воздействия. Более того, некоторые виды загрязнений, например, радиоактивные отходы, могут быть одновременно материальными и энергетическими. В основу классификации материальных загрязнений приняты среда распространения загрязнений (атмосфера, гидросфера, литосфера), их агрегатное состояние (газообразные, жидкие, твердые), Применяемые методы обезвреживания, а также степень токсичности загрязнений. Необходимо помнить, что абсолютно безвредных отходов не существует. Так, углекислый газ вреден уже тем, что при больших концентрациях снижает в воздухе относительное содержание кислорода. Материальные промышленные загрязнения окружающей среды подразделяются на выбросы в атмосферу, сточные воды и твердые отходы. Выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются по агрегатному состоянию этих веществ (газо- и парообразные, жидкие, твердые, смешанные выбросы) и по массовому выбросу, т. е. массе веществ, выбрасываемых в единицу времени (тонн в сутки). Производственными сточными водами называются воды, использованные промышленными предприятиями и подлежащие

очистке от различных вредных примесей. Загрязнения стоков разнообразны по дисперсности и агрегатному состоянию. Они могут присутствовать в сточных водах в виде химических растворов (размеры частиц порядка 10-8 см, что соответствует размерам атомов и небольших молекул), в виде коллоидных растворов(сразмерамичастицот10 -7 до10 -5 см) ив виде грубодисперсных систем(счастицамиразмеромболее10 -5см). К последним относятся эмульсии нерастворимых в воде жидкостей (например, масел), взвешенных в виде более или менее мелких капелек, и суспензии- взвеси твердых частиц, размеры которых могут достигать нескольких миллиметров. Производственные сточные воды подразделяются на условно чистые(оборотные) и грязные. Условно чистыми, как правило, являют воды от охлаждения технологического оборудования, компрессоров и т. д. Эти воды охлаждаются в заводских прудах или градирнях, очищаются от механических загрязнений и масел и затем возвращаются в производство при ограниченной добавке свежей воды. Грязные сточные воды как по количеству, так и по составу различны не только для разных производств, но даже для цехов и отдельных установок одного и того же предприятия. Для рационального выбора метода обезвреживания Производственные сточные воды классифицируются по происхождению содержащихся в них веществ (органическое, неорганическое, смешанное), их концентрации, физическим свойствам (температуры кипения, плавления, разложения) и т. п. Промышленные твердые отходы делятся на два основных вида: нетоксичные и токсичные. Их можно также классифицировать на металлические, неметаллические и комбинированные. Неметаллические отходы подразделяют на химически инертные (отвалы пустой породы, зола и т. д.) и химически активные (резина, пластмассы и т. д.). К числу комбинированных отходов относится всевозможный промышленный и строительный мусор. Оказывая отрицательное влияние на окружающую среду, материальные загрязнения, в свою очередь, могут подвергаться определенному воздействию окружающей среды. Поэтому, весьма важному с экологической точки зрения признаку, загрязнения разделяют на две группы: стойкие (не разрушаемые) и разрушаемые под действием природных химико-биологических процессов. Энергетические загрязнения окружающей среды включают Промышленные тепловые выбросы, а также все виды воздействующих на биосферу излучений и полей. Тепловое загрязнение биосферы, являющееся следствием конвективного и радиационного теплообмена между нагретыми выбросами или технологическими установками (источниками теплоты) и окружающей средой и проявляющееся в повышении температуры атмосферы, воды или почвы, в большей или меньшей степени присуще всем производствам. Шум, вибрация и ультразвук представляют собой волнообразно Распространяющиеся периодические колебательные движения частиц упругой среды (газообразной, жидкой или твердой). Они различаются по частоте колебаний и характеру восприятия их человеком. Колебания с частотой 16-20 000 Гц, передаваемые через газообразную среду, производят звуки или шумы (беспорядочные сочетания звуков различной частоты и интенсивности) и Воспринимаются органами слуха. Колебаниясчастотойниже16 Гц называются инфра звуками, а выше 20 кГц- ультразвуками; органами чувств человека они не воспринимаются, однако оказывают на него влияние. Колебания твердых тел или передаваемые через твердые тела (машины, строительные конструкции т. п.) называются вибрацией. Вибрация воспринимается организмом как сотрясение при общей Вибрации с частотой от 1 до100 Гц, а при локальной (например, при работе с виброинструментом) - от10 до2000 Гц. Ввиду общего принципа образования шума, ультразвука и Вибрации четких границ в их субъективном восприятии нет. Поэтому на граничных частотах человек обычно испытывает воздействие одновременно двух, а иногда и всех трех названных факторов. Широко распространены в машиностроении технологические процессы, в которых используются электромагнитные поля высокой частоты. С их помощью осуществляют индукционный нагрев металлов при термообработке, плавке, сварке, пайке, а также других материалов (зонная плавка полупроводников, сварка металла и стекла и т. д.). Работающие в горячих цехах подвергаются воздействию световых Излучений как видимой (собственно световое), так и невидимых частей спектра (инфракрасное, или тепловое, и ультрафиолетовое излучение). Кроме того, для сварки и размерной обработки материалов широко Применяются оптические квантовые генераторы - лазеры, излучение которых охватывает практически весь оптический диапазон, простираясь от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной областей спектра. Для выполнения различных контрольных операций (радиоизотопная дефектоскопия, контроль размеров проката и т. п.) в машиностроении самое широкое применение находят ионизирующие излучения (альфа, бета, гамма, рентгеновское, нейтронное). Такие излучения при взаимодействии с веществом вызывают его ионизацию, т.е. сообщают его нейтральным атомами молекулам электрический заряд, превращая их в ионы. Степень воздействия на вещество ионизирующего излучения зависит от его проникающей и ионизирующей способности. Большинство энергетических загрязнений окружающей среды в Отличие от материальных действуют лишь во время их производства и не аккумулируются в природе (это не распространяется на тепловые выбросы и ионизирующие излучения). Другой особенностью энергетических загрязнений является ограниченность сферы их активного воздействия на окружающую среду. Следует отметить, что зона распространения шума и вибрации также ограничена, но она значительно шире, чем у других излучений. Вследствие этого воздействию шума и вибрации подвергаются не только работающие непосредственно у их источников, но также работники других участков, цехов и служб предприятия и даже население близко расположенных кварталов жилой застройки. Поэтому борьба с шумом и вибрацией является одной из важнейших составляющих проблемы охраны окружающей среды

Вопросы для самоконтроля:

Какова классификация загрязнений

Классификация отраслей народного хозяйства по степени их экологической опасности.

Специфика технологии топливной энергетики

Рекомендуемая литература:

Барбье М. Введение в химическую экологию, М.: Мир, 1978

Сатаева А.Р. Теоретические основы промышленной экологии, Бийск, 2008г.

Панин М.С.Химическая экология, 2002г.

Лекция №25-27. Малоотходные и безотходные технологии

Цель: ознакомиться с малоотходными и безотходными технологиями

Основные вопросы:

Методы утилизации промышленных бытовых отходов.

Принципы и направления безотходных и малоотходных технологий.

Краткое содержание:

Безотходная и малоотходная технология представляют собой одно из современных направлений развития промышленного производства. Возникновение этого направления обусловлено необходимостью предотвратить вредное воздействие отходов промышленности на окружающую среду. Безотходные производства подразумевают разработку таких технологических процессов, которые обеспечивают максимально возможную комплексную переработку сырья. Это позволяет, с одной стороны, наиболее эффективно использовать природные ресурсы, полностью перерабатывать образующиеся отходы в товарную продукцию, а с другой -- снижать количество отходов и тем самым уменьшать их отрицательное влияние на экологические системы.

Безотходную и малоотходную технологию применяют во всех отраслях промышленности. Их развитие идет по следующим направлениям: разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов, уменьшающих количество отходов; разработка и внедрение методов и оборудования для переработки отходов в товарную продукцию; создание бессточных водооборотных систем, в которых осуществляется очистка воды

Есть другой путь: территориально связать предприятия так, чтобы отходы одного предприятия служили сырьем для другого предприятия.

Примером безотходного производства может служить полная переработка железорудных концентратов на отдельных предприятиях черной металлургии, например на Новолипецком металлургическом заводе. При получении чугуна и стали там полностью перерабатывают доменные и сталеплавильные шлаки и превращают их в строительный материал.

В цветной металлургии разработан и внедряется новый процесс кислородной электротермической плавки в специальной аппаратуре (КИВЦЭТ), при котором образуется гораздо меньшее количество газовых выделений, и концентрация сернистого ангидрида в них такова, что позволяет сразу направлять эти газы в производство серной кислоты (см. Металлургия). Лисичанский нефтеперерабатывающий завод пущен в эксплуатацию с водооборотной системой. Аналогичные уникальные системы разрабатываются для Селенгинского целлюлозно-картонного комбината и Байкальского целлюлозно-бумажного комбината.

Вопросы для самоконтроля:

Каковы методы утилизации промышленных бытовых отходов.

Принципы и направления безотходных и малоотходных технологий.

Рекомендуемая литература:

Барбье М. Введение в химическую экологию, М.: Мир, 1978

Сатаева А.Р. Теоретические основы промышленной экологии, Бийск, 2008г.

Панин М.С.Химическая экология, 2002г.

Лекция № 28-30. Нормирование санитарно-защитных зон

Цель: ознакомиться с нормированием санитарно-защитных зон

Основные вопросы:

Экологические требования к проектированию санитарно-защитных зон

Учёт физических факторов воздействия

Краткое содержание:

Правовой режим таких зон закрепляется в законах, правительственных постановлениях, ведомственных нормативных актах.

а) Санитарно-защитные зоны

Санитарно-защитные зоны призваны создать барьер между жилой застройкой и предприятиями и иными объектами, являющимися источниками вредных химических, физических и биологических воздействий на состояние окружающей среды. Создание санитарно-защитных зон относится к планировочным мерам охраны окружающей среды при градостроительстве и развитии иных населенных пунктов.

Хотя создание санитарно-защитных зон можно рассматривать как важную природоохранную меру в городах и других населенных пунктах, требования к ним на законодательном уровне урегулированы слабо. Очевидно, что основные положения о таких зонах должны быть определены в Законе «Об охране окружающей природной среды» и Законе «О градостроительстве в Российской Федерации». Пока таких положений в этих законах нет.

Наиболее общие требования относительно создания санитарно-защитных зон предусмотрены Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий (СН 245-71), утвержденными Госстроем СССР 5 ноября 1971 г. В соответствии с этими нормами все промышленные предприятия, их отдельные здания и сооружения в зависимости от мощности, условий осуществления технологического процесса, характера и объема вредного воздействия подразделяются на пять классов, для которых устанавливаются соответствующие размеры санитарно-защитных зон: 1000, 500, 300,100 и 50м (п.2.5).

Санитарные правила содержат ряд условий, при наличии которых размер санитарно-защитной зоны при надлежащем технико-экономическом обосновании может быть увеличен, но не более чем в три раза. Зона может быть увеличена по совместному решению Госсанэпиднадзора и органов строительства:

а) в зависимости от эффективности предусмотренных или возможных для осуществления методов очистки выбросов в атмосферу;

б) при отсутствии способов очистки выбросов;

в) при необходимости размещения жилой застройки с подветренной стороны по отношению к предприятию в зоне возможного загрязнения атмосферы;

г) в зависимости от розы ветров и других неблагоприятных местных условий;

д) при невозможности снизить поступающие в окружающую среду шум, вибрацию, электромагнитные волны радиочастот и другие вредные факторы до пределов, установленных нормами;

е) при строительстве новых еще недостаточно изученных вредных в санитарном отношении производств.

Санитарные правила запрещают использование санитарно-защитной зоны или ее части для расширения промышленной площадки. Территория зоны должна быть благоустроена и озеленена по специальному проекту, который разрабатывается одновременно с проектом строительства или реконструкции предприятия. При проектировании благоустройства со стороны селитебной территории надлежит предусматривать полосу древесно-кустарниковых насаждений шириной не менее 50 м, а при ширине зоны до 100 м - не менее 20м.

В целях обеспечения экологического благополучия населения Санитарные правила определяют объекты, которые могут быть размещены в санитарно-защитных зонах, а также размещение объектов на самой промышленной площадке предприятия.

б) Санитарно-защитные зоны ядерных объектов и зоны наблюдения

Такие зоны предусмотрены ст. 31 Федерального закона «Об использовании атомной энергии». Они устанавливаются в целях защиты населения в районе размещения ядерной установки, радиационного источника или пункта хранения ядерных материалов и радиоактивных веществ. Размеры и границы зоны определяются в проекте санитарно-защитной зоны в соответствии с нормами и правилами в области использования атомной энергии, который согласовывается с органами государственного санитарно-эпидемиологического надзора и утверждается органами местного самоуправления.

Закон запрещает размещение в санитарно-защитной зоне ряда объектов, включая жилые и общественные здания, детские учреждения, а также не относящиеся к функционированию ядерной установки, радиационного источника или пункта хранения лечебно-оздоровительные учреждения, объекты общественного питания, промышленные объекты, подсобные и другие сооружения и объекты, не предусмотренные утвержденным проектом санитарно-защитной зоны. Использование же для хозяйственных целей существующих объектов и сооружений, расположенных в санитарно-защитной зоне, при изменении профиля их использования допускается по представлению эксплуатирующей организации с разрешения органов государственного регулирования безопасности.

...