Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ ПО МЕДИЦИНСКОЙ ЭКОЛОГИИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ МЕДИЦИНСКОГО ФАКУЛЬТЕТА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ «СТОМАТОЛОГИЯ»

А.Е. СЕВЕРИН

В.И. ТОРШИН

С.А.ШАСТУН

МОСКВА 2006

Северин А.Е., Торшин В.И., Шастун С.А. Конспекты лекций по медицинской экологии для студентов медицинского факультета по специальности «Стоматология». - М.: Изд-во РУДН 2006. с.

(Под редакцией проф. В.И. Торшина).

Рецензент: доктор биологических наук Г.И. МЯНДИНА

В данном методическом пособии представлен основной блок теоретической информации по курсу «Медицинская экология». Пособие предназначено для студентов 1 курса медицинского факультета по специальности «Стоматология» в соответствии с программой и тематическими планами лекций по «Медицинской экологии».

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ЛЕКЦИЯ 1. ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЮ

ЛЕКЦИЯ 2. СФЕРЫ ЗЕМЛИ

ЛЕКЦИЯ 3. БИОСФЕРА - ОБОЛОЧКА ЖИЗНИ

ЛЕКЦИЯ 4. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА К РАЗЛИЧНЫМ УСЛОВИЯМ

ЛЕКЦИЯ 5. ВРЕМЯ И ФУНКЦИИ ОРГАНИЗМА

ЛЕКЦИЯ 6. КОНСТИТУЦИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЗДОРОВЬЕ

ЛЕКЦИЯ 7. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И ДЕМОГРАФИЯ

ЛЕКЦИЯ 8. УРБОЭКОЛОГИЯ. ЭКОЛОГИЯ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

ЛЕКЦИЯ 9. ЭКОЛОГИЯ И БОЛЕЗНИ ЦИВИЛИЗАЦИИ

ЛЕКЦИЯ 10. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

ВВЕДЕНИЕ

Современный человек большую часть своего времени проводит в условиях искусственной среды обитания, которая по своим параметрам существенно отличающейся от естественной природной среды. Поэтому, набор внешних факторов, действующих на организм человека существенно отличается от комплекса внешних условий, к которым человек приспособился на протяжении длительного процесса эволюции.

Не являясь в большинстве случаев непосредственной причиной возникновения и развития тех или иных заболеваний, новые условия среды обитания, возникшие благодаря человеческой деятельности, способны вызывать неспецифические адаптационные реакции и препатологические состояния, ускорять течение уже имеющихся патологических расстройств, ухудшать течение различных болезней. Вместе с тем, отдельные факторы или их совокупность в условиях антропогенной среды могут являться прямыми этиологическими факторами развития некоторых патологических состояний, - (аллергических, онкологических, невротических, психо-соматических и др).

Значительную роль в снижении функциональных резервов организма, развитии патологических состояний и заболеваний играет производственная среда, создаваемая в рабочих помещениях. При этом риск для здоровья имеется не только у работающих, но и у членов их семей из-за существования реальной возможности переноса производственных вредных веществ с рабочего места домой, что в настоящее время не вызывает сомнений. Известны многочисленные случаи возникновения так называемых парапрофессиональных заболеваний у членов семей, в первую очередь у детей, причиной которых являлись загрязненные рабочая одежда и обувь. Описаны случаи возникновения парапрофессиональных заболеваний у детей, родители которых работали на производстве, связанном с применением свинца. У детей были обнаружены клинические проявления свинцовой интоксикации, а в моче -- высокое содержание этого металла. Похожие наблюдения сделаны и в отношении ртути, бериллия и других химических соединений, в частности асбеста. У женщин, мужья которых профессионально связаны с асбестом, отмечены случаи возникновения злокачественных опухолей легких.

Таким образом, человек постоянно подвергается воздействию целого ряда факторов различной природы и, как правило, малой интенсивности, что приводит к развитию адаптационных изменений, а в ряде случаев, - к возникновению патологических процессов. В связи с этим, информация о среде обитания, должна включать разнообразные сведения о действии на организм человека биотических, абиотических и антропогенных факторов (открытие новых промышленных предприятий или изменений производственных процессов, сброс сточных вод, организация свалок или полигонов промышленных отходов, появление новых партий пищевых продуктов, резкие изменения климата, социальные процессы изменяющие характер психологического климата в обществе и коллективе и др.), что поможет своевременно распознавать возникновение патологических процессов, связанных с состоянием среды обитания. Формированию знаний о многообразных связях человека и окружающей среды и умений их применить в некоторых конкретных ситуациях и служит курс медицинской экологии.

ЛЕКЦИЯ 1. ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЮ

В течение многих лет экология была чисто академической наукой, но антропогенные изменения окружающей среды, которые в 70-е годы ХХ века приобрели такие размеры, что человек сам стал их жертвой, изменили отношение к этой науке. Стало очевидным, что возможности биосферы ограничены, что стратегия неограниченного потребления, которую человечество использовало сотни лет развития цивилизации, может привести к гибели не только отдельных видов животных или растений, но и самих людей.

В июне 1972 года Организация Объединенных Наций провела в Стокгольме первое международное совещание по окружающей среде. На нем обсуждались экологические проблемы и, впервые был четко поставлен вопрос об экологии человека. После этого совещания термин «экология», который употреблялся узким кругом биологов, стал быстро распространяться средствами массовой информации. Интерес к проблемам экологии вызвал ее бурное развитие, появились новые направления, которые постоянно углубляются и расширяются.

По определению одного из крупнейших экологов Ю. Одума, «экология - это междисциплинарная область знания, наука об устройстве многоуровневых систем в природе, обществе, их взаимосвязи».

Экология возникла как наука о взаимоотношениях между организмами и средой их обитания и о взаимоотношениях организмов друг с другом.

Еще французский натуралист Ж. Бюффон (1707-1788), автор «Естественной истории», высказывал мысли о единстве животного и растительного мира и связи со средой обитания. Согласно эволюционной концепции Ж.Б. Ламарка (1744-1829) - причиной развития организмов от низших форм к высшим, является присущее живой природе стремление к совершенствованию и влияние различных внешних условий. А.Гумбольдт (1769-1859), изучая географию распространения растений, обнаружил связь между климатом и характером растительности.

Особую роль в судьбе экологии сыграли труды великого английского исследователя природы Ч.Дарвина (1809-1882), создавшего теорию естественного отбора и происхождения видов. Самое значительное для экологии в его теории - обоснование роли условий существования в образовании разновидностей и видов. Изучая проблему борьбы за существование, он установил необычайно высокую потенциальную способность организмов к увеличению численности. Важным был и вывод Дарвина о большей остроте борьбы за существование между близкими видами.

Спустя семь лет после публикации работы Дарвина «Происхождения видов путем естественного отбора» (1859), Э. Геккель предложил весь круг вопросов, связанный с проблемой борьбы за существование и влияния на живые существа комплекса физических и биотических условий, назвать новым термином «экология», в работе «Всеобщая морфология организмов» (1866), он дал следующее определение: «Под экологией мы подразумеваем общую науку об отношении организмов к окружающей среде, куда мы относим все условия существования в широком смысле этого слова. Они частично органической, частично неорганической природы».

Позднее появились частные экологические дисциплины: экология растений, экология животных, экология грибов и т.д., которые формировались в рамках соответствующих разделов биологии.

По мере накопления знаний о взаимодействии живых организмов между собой и со средой обитания стало понятным, что на Земле существуют сложные системы, состоящие из живых организмов и неживого вещества. Для этих систем характерен высокий иерархический уровень организации, наличие прямых и обратных связей, способность к поддержанию своей целостности при различных воздействиях. Эти системы были названы экологическими, или экосистемами.

Годом рождения общей экологии как науки об экосистемах принято считать 1935 г. - год выхода в свет учения об экосистемах английского геоботаника А. Тенсли. В 1942 г. сходные идеи опубликовал русский ученый В.Н. Сукачев, выдвинувший понятие о биогеоценозе, которое является практически аналогом понятия экосистема. Однако, в отличие от биогеоценозов, границы которых задаются рамками растительных сообществ, экосистемы могут охватывать пространства разной протяженности - от капли воды до биосферы в целом.

Экосистема - совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и окружающей их средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться в природе неопределенно долге время.

Экосистема - это совокупность живых организмов и их среды обитания, которые объединяются круговоротом веществ и потоком энергии.

Экосистемы состоят из живого (биотического) и неживого (абиотического) компонентов объединенных круговоротом веществ. Совокупность живых организмов (биотический компонент) называется сообществом или биоценозом, а занимаемое им местообитание, со всеми присущими ему факторами среды, биотопом. Биоценоз и биотоп образуют биогеоценоз (экосистему).

Живой и неживой компоненты экосистемах связаны бесчисленными круговоротами и превращениями веществ. В ходе которых автотрофными организмами (продуцентами) из внешней среды постоянно захватываются молекулы простых неорганических веществ (Н2О, СО2, минеральные вещества) и солнечная энергия, которые используются для образования сложных органических веществ в процессе фотосинтеза. Органические вещества продуцентов затем используются для питания консументами (разных порядков), а по мере гибели продуцентов и консументов, переходят к редуцентам, которые разлагают мертвое органическое вещество до неорганических молекул и возвращают их во внешнюю среду. Этот непрерывный круговорот веществ в природе поддерживается постоянным потоком солнечной энергии.

Часть энергии химических связей органических веществ продуцентов частично используется консументами и редуцентами для обеспечения их жизнедеятельности и высвобождается во внешнюю среду в виде тепла, а часть накапливается в виде химических связей сложных органических веществ в почве (гумус) и литосфере (торф, бурые и каменные угли, нефть).

Современные определения термина экология:

1) одна из биологических наук, изучающая живые системы в их взаимодействии со средой обитания;

2) комплексная наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаимодействии общества и природы;

3) особый общенаучный подход к исследованию проблем взаимодействия организмов, биосистем и среды (экологический подход);

4) совокупность научных и практических проблем взаимоотношений человека и природы (экологические проблемы).

5) наука, изучающая общие законы функционирования экосистем различного порядка.

Общая экология - это наука об экосистемах, которые включают в себя живые организмы и неживое вещество, с которым эти организмы постоянно взаимодействуют.

Основным объектом исследования экологии являются экосистемы. Самой крупной в иерархии экосистем является биосфера.

Учение о биосфере - это область знания о функционировании и развитии биосферы, включающая в себя целый ряд научных направлений.

Определение понятия биосферы как особой оболочки Земли дал австрийский геолог Э. Зюсс (1831-1914). Создатель учения о биосфере В.И.Вернадский (1863-1945) доказал, что жизнь на Земле - явление планетарное, биосфера - это вещественно-энергетическая система, обеспечивающая биологический круговорот химических элементов и эволюцию всех живых организмов, включая и человека. Он первым увидел в биосфере сложную и хорошо отрегулированную за миллионы лет эволюции биогеохимическую систему, доказал, что не только состав атмосферы и гидросферы, но и земная кора являются результатом деятельности биосферы.

Учение о биосфере включает в себя общую экологию, которая состоит из четырех основных разделов: биоэкологии, геоэкологии, экологии человека и прикладной экологии.

Биоэкология изучает экологию особей, видов (аутоэкология), популяций и сообществ (синэкология), а также экологию биоценозов.

Биоценоз - совокупность животных, растений и микроорганизмов, населяющих определенный участок среды обитания (биотоп).

Эволюционная экология - рассматривает экологические аспекты эволюции.

Геоэкология изучает биосферные оболочки Земли, как компоненты окружающей среды, минеральную основу биосферы и происходящие в них изменения под влиянием природных и техногенных процессов (исследование включают в себя изучение ландшафтов, почв, поверхностных и подземных вод, горных пород, воздуха, растительного покрова).

Прикладная экология - исследует механизмы техногенных и антропогенных воздействий на экосистемы, формирует экологические критерии и нормативы в промышленности, транспорте и сельском хозяйстве.

Инженерная экология изучает законы формирования техносферы и способы инженерной защиты природной среды.

Экологический менеджмент изучает управление взаимодействием общества и природы на основе использования экономических, административных, социальных, технологических и информационных факторов с целью достижения планируемого качества (состояния) окружающей среды.

Специфика современной экологии в том, что она из биологической науки превратилась в «большую» экологию - мегаэкологию, вобрав в себя естественные и гуманитарные науки, разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры и экономики.

Экология человека - исследует взаимодействие человека (как биологической особи) с природной, социальной и культурной средами.

Социальная экология - изучает связь личности, семьи, общества с природной и социальной средой. Когда речь идет об индивиде, репродуктивной группе - это экология человека; когда же рассматривается личность, семья и т. д. - социальная экология.

На каждого человека оказывает влияние среда культуры, традиций, воззрений (экология культуры), морали и духовности (экология духа).

Взаимосвязь «природа - человеческое общество» исследует глобальная экология человека.

Экология человека - наука о роли и взаимозависимости человека и окружающей среды.

Для ее изучения необходим комплексный междисциплинарный подход и синтетический характер научного знания о функциональных резервах человека, его адаптационных возможностях, формах реагирования на различные внешние воздействия.

В современных условиях здоровье человека, как и здоровье биосферы надо рассматривать в комплексе, как здоровье единого организма, которое зависит от благополучия всех его частей.

Здоровье связано с экологической обстановкой и образом жизни, эти проблемы исследует медицинская экология. Между экологической обстановкой и здоровьем населения существует прямая взаимосвязь. Увеличение радиоактивного фона привело к снижению иммунитета и появлению лучевой болезни. Современные условия вызвали рост онкологических заболеваний. На смену известным инфекционным болезням пришли новые, широко распространились аллергические заболевания и хронические респираторные болезни, связанные с загрязнением воздуха. Увеличилось число заболеваний желудочно-кишечного тракта, связанных с употреблением пищевых продуктов, содержащих нитраты, пестициды, консерванты.

Экологическое образование формирует экологическое мышление, человеческое познание и нравственность, обеспечивающее анализ взаимосвязи социальных, природных и техногенных процессов, как основу прогнозирования и выбора оптимальных в экологическом отношении действий.

Современная экология не только изучает законы функционирования природных и техногенных систем, но и ищет пути оптимального взаимоотношения природы и общества. От которого зависит здоровье людей, их экономическое состояние, сохранение человека как биологического вида. Современное человечество поддерживает благополучие общества за счет чрезмерной эксплуатации водных, почвенных и энергетических ресурсов. Когда их запасы истощатся, неизбежно возникнут социальные конфликты, войны и голод, возможно разрушение цивилизации.

Основные экологические проблемы человечества:

1. Демография: перенаселение Земли и переуплотнение отдельных регионов. Ухудшение среды обитания;

2. Истощение всех видов природных ресурсов;

3. Изменение климата Земли в результате естественных процессов, усиленных парниковым эффектом, вызываемым выбросами в атмосферу СО2 и других газов;

4. Химическое загрязнение атмосферы, образование кислотных осадков и фотохимического смога. Сокращение озонового экрана, образование «озоновых дыр», увеличение поступления опасной для живых организмов ультрафиолетовой радиации;

5. Загрязнение гидросферы нефтепродуктами и другими загрязнениями, нарушения водного баланса, захоронение токсичных и радиоактивных веществ в морях;

6. Накопление на поверхности Земли мусора, твердых и жидких отходов. Загрязнение почв, вследствие чрезмерного использования пестицидов и минеральных удобрений;

7. Изменение геохимии, перераспределение элементов между недрами и поверхностью Земли (тяжелых металлов), извлечение на поверхность высокоминерализованных подземных вод;

8. Повышение радиоактивного фона Земли, сильное радиоактивное загрязнение отдельных регионов, проблема захоронения радиоактивных отходов;

9. Нарушение глобального и регионального экологического равновесия (соотношения экологических компонентов). Уменьшение разнообразия видов, освобождение экологических ниш и заполнение их иными видами;

10. Усиливающееся опустынивание планеты. Сокращение площади лесов - основных источников поддержания кислородного баланса планеты;

11. Замусоривание околоземного космического пространства, последствия которого до конца пока не осмыслены, если не считать реальную опасность космическим аппаратам, включая спутники связи;

12. Усиление социальной нестабильности, как следствия все большей дифференциации богатых и бедных стран;

13. Снижение иммунного статуса и ухудшение состояния здоровья населения, возникновение все более массовых эпидемий.

Это далеко не полный круг экологических проблем. Рост численности и расширение технических возможности человечества привели к тому, что сохранение цивилизации зависит от действий направленных на совместное развитие (коэволюцию) Природы и Человека. История природы и история людей взаимозависимы. Сегодня это необходимо осознать каждому.

ЛЕКЦИЯ 2. СФЕРЫ ЗЕМЛИ

Возникновение жизни на Земле произошло на базе разнообразных условий среды при сочетании различных температур, агрегатных состояний вещества, элементного состава. Отсюда вытекает закон о единстве состава живого и неживого вещества - все элементы, существующие в окружающей среде, входят в состав живых организмов. Однако количественные характеристики отдельных элементов и химических соединений в живой и неживой природе кардинально различаются: в живом веществе преобладают легкие элементы, причем с увеличением атомного номера возрастает токсичность элемента для организма. Эта закономерность известна в экологии, как закон Виноградова, - названный в честь знаменитого геохимика.

Основные геосферы Земли: литосфера, гидросфера, атмосфера являются исходными источниками вещества для формирования живого вещества и биосферы в целом. Существование газообразной, водной и твердой оболочек Земли и характеристика физических условий среды определили тип и характер обмена элементами между литосферой, атмосферой и гидросферой как неживыми средами с одной стороны и биосферой с другой. Легкие и инертные вещества, находящиеся в газовой фазе (в атмосфере) обмениваются с живым веществом наиболее интенсивно. Находящиеся в гидросфере, растворенные или в ионной форме вещества также интенсивно обмениваются с биосферой. Практически все элементы таблицы Менделеева существуют в растворенном состоянии, и именно в таком состоянии могут обмениваться с живыми организмами. Литосфера, - самая инертная из геосфер, является, по существу, депо минеральных веществ, которые могут взаимодействовать с живыми организмами, переходя в растворенную форму. Растения усваивают только растворенные в воде вещества. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене со средой, его окружающей, который создается и поддерживается на нашей планете энергией Солнца.

В основных геосферах подвижность вещества возрастает в ряду литосфера, гидросфера и атмосфера, его перемещение осуществляется согласно физико-химическим законам. В биосфере же вещество перемещается согласно биологическим принципам, а в случае с человеком движущим началом для переноса вещества может служить социальная необходимость, и, в конечном счете, свобода воли.

Атмосфера. Состав и строение.

Атмосфера газовая оболочка Земли, которая вращается вместе с планетой как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15х1015 т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле, оказывает большое влияние на разные стороны жизни биосферы и человечества. Атмосфера является наиболее подвижной оболочкой Земли. Атмосфера - самое древнее образование среди геосфер. По господствующей в настоящее время теории конденсации планет из газо-пылевого облака Канта-Лапласа первоначальное состояние всех планет - смесь газов и частиц, которые затем объединяются под влиянием гравитационных сил.

Состав атмосферы.

В настоящее время земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода, она содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные и переменные компоненты. Наиболее важная переменная составная часть атмосферы - водяной пар. Концентрация его колеблется в широких пределах от 3 % у земной поверхности в тропиках до 2% в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой.

Состав атмосферы относительно постоянен только в приземном слое воздуха толщиной 8-10 км. Состав атмосферного воздуха у поверхности Земли представлен в таблице.

Таблица 1. Состав сухого атмосферного воздуха у поверхности Земли

Из основных компонентов атмосферы наиболее важными являются кислород и углекислый газ. Кислород необходим для дыхания (биологического окисления различных веществ), а углекислый газ - для фотосинтеза. Для большинства животных содержание кислорода в воздухе может быть уменьшено практически на четверть без существенного снижения жизнедеятельности. У млекопитающих содержание кислорода в легких является постоянной величиной и составляет 16%, хотя может быть увеличено до 20%.

Известно, что интенсивность фотосинтеза возрастает с увеличением концентрации СО2 в атмосфере до 1.5%. Поэтому наблюдаемое в настоящее время увеличение концентрации СО2 в атмосфере в течение значительного периода не будет оказывать негативного влияния на живые организмы. В настоящее время в результате человеческой деятельности количество углекислого газа в атмосфере непрерывно нарастает (за последние 50 лет она выросла с 0,028% до 0,032%). С этим явлением связывают так называемый «парниковый эффект» - повышение теплосодержания и температуры атмосферы из-за поглощения инфракрасного излучения молекулами СО2.

Строение атмосферы.

Состав атмосферы тесно связан с ее строением. Атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение, что определяется особенностями вертикального распределения температуры. Разные слои атмосферы сильно отличаются друг от друга. У поверхности Земли под действием силы тяжести возрастают плотность и давление. Температура тоже меняется с высотой, сначала падает, а затем повышается в наружных слоях атмосферы. Выше 600 км преобладающим компонентом становится гелий, а еще выше, в 2-20 тыс. км, простирается водородная корона Земли. На этих высотах Земля окружена оболочкой из заряженных частиц, температура которых достигает нескольких десятков тысяч градусов. Здесь располагаются внутренний и внешний радиационные пояса Земли, которые представляют опасность для космонавтов.

Ниже появляются четыре основных слоя. Экзосфера - разреженное пространство выше 400 км с непостоянным соотношением кислорода, гелия и водорода. Ионосфера - область заряженных частиц (ионов и электронов) - мощный слой, включающий в себя мезосферу и термосферу и подразделяющийся на четыре более мелких слоя. Концентрация ионов в ионосфере оказывает заметное влияние на радиоволны: низкочастотные радиоволны проходят через ионосферу, а высокочастотные отражаются. Стратосфера содержит небольшое, но жизненно необходимое количество озона, которое препятствует проникновению смертоносной ультрафиолетовой радиации к поверхности Земли. Основная часть атмосферы сконцентрирована у поверхности Земли, где сосредоточена большая масса воздуха с относительно постоянным составом. Это тропосфера, слой, где формируется погода. Вместе с вышележащими слоями тропосфера защищает Землю от заряженных частиц и радиации. К ее внешней границе температура снижается.

Благодаря небольшому количеству озона на высоте около 50 километров все живое на нашей планете защищено от смертельного ультрафиолетового излучения. В первичной атмосфере, где содержание кислорода составляло 1/1000 его теперешнего уровня, озон продуцировался на малых высотах и в малом количестве. Это не могло обеспечить защиту водных форм жизни на Земле. В этот период наиболее благоприятные условия для синтеза живых молекул и развития простейших форм жизни были в водной среде на глубине примерно 10-15 метров. Однако сейчас человека подстерегает неожиданная и серьезная опасность. Речь идет о медико-биологических последствиях повышенного ультрафиолетового (УФ) излучения в связи с появлением над планетой озоновых «дыр».

Загрязнения атмосферы весьма разнообразны. Это аэрозоли различного состава, газообразные продукты, микроорганизмы.

Гидросфера - это совокупность всех водных объектов Земного шара. Она участвует в формировании облика Земли наряду с другими геологическими процессами - поднятиями и опусканиями Земной коры. Именно в ней возникла жизнь. В живых организмах вода составляет значительную часть массы их тела. Способность воды растворять вещества и является тем свойством, которое обеспечило ее роль в появлении и развитии жизни. Роль гидросферы в формировании поверхности планеты трудно переоценить. Процессы водной эрозии и переноса вещества вследствие перемещения воды под действием силы тяжести являются одним из основных процессов формирования ландшафтов. Реки - основные пути выноса вещества и материалов в моря и океаны. С другой стороны, растворенные в воде вещества изменяют состав самой гидросферы, а также переносят вещество в пределах литосферных плит. Благодаря круговороту воды в природе происходит разделение веществ в литосфере на легкие, растворимые, легко транспортируемые вещества и нерастворимые тяжелые элементы. В связи с этим, формирование биогеохимических провинций и микроэлементный состав почв связан с перераспределением воды по поверхностям водоразделов.

Гидросфера является геологической силой, трансформирующей геологическое и химическое состояние литосферных плит, обеспечивающая перемещение и разделение веществ в пределах земной коры.

Кроме транспорта вещества гидросфера участвует в переносе энергии. Благодаря большой теплоемкости переход воды из одного агрегатного состояния в другое требует поглощения или выделения значительных количеств энергии. Обычный круговорот воды, - испарение с поверхности, конденсация в атмосфере, осадки - является ни чем иным как переносом энергии, которая поглощается при испарении и выделяется при конденсации. Существуют два круговорота воды - большой и малый. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков - это малый круговорот. При вовлечении в этот процесс почвы и растительного покрова круговорот становится большим, поскольку в нем участвуют много промежуточных звеньев (инфильтрация в почву, формирование подземного стока, поступление в растения с последующей транспирацией и др.). Количественные показатели интенсивности круговорота воды, приводимые Е.М.Гусевым, составляют 577000 куб.км. воды, ежегодно испаряющейся с поверхности океана (505000куб. км./год) и суши (75 км./год). В виде осадков выпадает ежегодно над океанами - 458000 куб. км/год и над сушей 119000 куб. км/год. Это количество воды, участвующей в круговороте составляет около 0,03 % от ориентировочных общих запасов воды на Земле. По мнению большинства специалистов, количество воды на планете продолжает увеличиваться. Вода поступает из верхней мантии в виде паров, образуется в верхних слоях атмосферы под действием “Солнечного ветра” и других факторов. Считается, что баланс гидросферы положителен и за последние 500 миллионов лет произошло ее увеличение в 10 раз. В живых организмах по данным А.И.Чеботарева содержится 1120 куб. км. Воды или 0.0001 % от мировых ее запасов. Это в 2 раза меньше, чем в руслах большинства рек и в 10 раз меньше, чем в атмосфере.

Вода на Земле содержится преимущественно в Мировом океане (1338х106 куб. км., или 96,5 %). Значительное количество воды сосредоточено в подземных горизонтах - 23,4х106 куб.км., или 1.7%. Значительная часть гидросферы сосредоточена в ледниках и снежниках - 24х106 куб.км. или 1.73%. Это стратегический запас пресной воды - 69% всех пресных вод, из них большая часть (около 62% ) сосредоточено в озерах, реках и других водоемах - 189,1х103 или 0.014%. Важным резервом воды являются почвенные воды. Они составляют 16,5х103 куб. км., или 0.001%. Учитывая тот факт, что вода является универсальным растворителем, подвижные воды, находящиеся в реках, озерах и других водоемах в первую очередь подвержены загрязнению и не могут рассматриваться как долговременные защищенные от внешних воздействий водные ресурсы. С другой стороны, почвенные и подземные воды являются защищенными сравнительно труднодоступными и частично изолированными от антропогенных воздействий. В связи с этим, эти воды можно рассматривать, как стратегический резерв вод для нужд народного хозяйства.

С точки зрения долговременной перспективы необходимо совершенствование учета и классификации водных ресурсов (водный кадастр), который позволит реально заниматься планированием и распределением водных ресурсов и обеспечением водной безопасности страны. В обводненной России такой подход к проблеме в настоящее время воспринимается с трудом, но с учетом глобального потепления и продолжающегося загрязнения биосферы дефицит водных ресурсов, особенно для бытовых нужд, будет возрастать, а вода, возможно, станет таким же предметом экспорта, как основные энергоносители.

Возникновение гидросферы

Гидросфера прошла длинный путь эволюции. Она неоднократно менялись по массе, соотношениям жидкого и твердого состояний, расположению в пространстве, вовлечению в круговорот и т. д.

Происхождение вод тесно связано с происхождением Земли. Существующие гипотезы возникновения гидросферы можно условно разделить на две группы. Согласно одним, в исходном материале газопылевого облака, сформировавшего нашу планету, уже существовали отдельные молекулы воды, присутствовала вода в виде частичек льда или в форме крупных его скоплений. По другим гипотезам, вода образовалась из первичного кислорода и водорода после конденсации газопылевого облака в протопланету - Землю. При повышении температуры планеты и миграции кислорода и водорода из центральных частей планеты к поверхности образовались молекулы воды, выделившиеся в атмосферу при извержении вулканов и пролившиеся на ее поверхность горячим дождем.

Универсальным показателем, интегрально отражающим особенности процессов, происходящих в водных объектах разного типа, является продолжительность водообмена. Для Мирового океана она составляет 2500 лет, подземных вод различных горизонтов от 1400 до 10000 лет, ледников около 10000 лет, озер - 17 лет, почвенных вод - 1 год, болот - 5 лет, водохранилищ - 0,5 года, рек - 16 суток, атмосферных вод - 8 суток. Эти цифры достаточно наглядно отражают функциональную организацию объектов гидросферы, а также их потенциальную уязвимость.

Гидросфера, как и другие основные сферы Земли - атмосфера и литосфера, испытывает все возрастающее антропогенное и техногенное воздействие. Оно проявляется двумя основными путями: поступлением в водные объекты загрязнений и изменением условий формирования поверхностных и подземных вод. Последствия этих воздействий наиболее остро ощущаются в крупных городах, где проживает уже половина человечества.

Гидросфера и живые организмы

Гидросфера - компонент неживой материи, но с ней связана жизнь на Земле.

Как и в косной (неживой) среде, в гидросфере организма происходит обмен воды с внешним окружением - своего рода внешний круговорот.

Рассмотрим роль воды в организме человека. Эмбрион на 97 % состоит из воды. В младенческом возрасте ее количество сокращается до 86 %. У взрослого человека оно не превышает 60 %. Основная часть воды - 70 % - сосредоточена в клетках, а 30 % - это внеклеточная вода. Особенно много воды в крови - до 90 %. В настоящее время значительное внимание уделяется свойствам воды. Так, установлено, что благодаря водородным связям молекулы воду связываются в восьмигранники - октаэдры. Это так называемая «структурированная вода». Она легко вступает в соединения с биологическими макромолекулами, поглощается живыми организмами. При воздействии на воду каким-либо видом энергии, например микроволновым излучением, значительная часть октаэдров распадается, и в воде повышается количество свободных молекул. Эта вода обладает бактерицидными свойствами. Структура воды сохраняется довольно длительное время (до месяца). Это следует учитывать при использовании воду в качестве растворителя при приготовлении различных лекарственных форм.

Литосфера - каменная оболочка земли - земная коры, развитие всего живого. Твердая земная кора, на которой мы обитаем, по отношению ко всей планете не толще яичной скорлупы. Она составляет 1,5 % ее объема и 0,8 % массы. Это сопоставление говорит о распределении элементов с преобладанием легких (в земной коре) и тяжелых - в мантии и ядре Земли.

Самая верхняя часть земной коры достаточно исследована, в то время как представления о внутреннем строении Земли основаны на изучении сейсмических данных.

Толщина земной коры не одинакова: от 70-75 км под высокими горами до 6-8 км под морским дном. Вместе с самой верхней частью мантии она образует жесткую литосферу, перекрывающую пластичный слой - астеносферу, по которой плиты литосферы могут дрейфовать в боковом направлении.

Земная кора делится на материковую и океаническую. Океаническая кора подстилает материковую, а под океанами несет на себе тонкий покров осадков и лав. Плотность материковой коры - 2,7 г/см3, она легче океанической, плотность которой - 2,9 г/см3.

Под земной корой находится мантия - слой полураплавленных пород с высокими температурой и давлением. В мантии происходит непрерывное движение вещества. Потоки вещества в мантии приводят к перемещению литосферных плит - участков земной коры. Это так называемая ”новая глобальная тектоника” или ”тектоника плит” (Альфред Вегенер, 1880 - 1930 г). Идея дрейфа материков была вызвана удивительным сходством их очертаний. Например, побережья Западной Африки и побережья Южной Америки. Реконструкция положения материков в ранние геологические периоды привели к убеждению о существовании праматерика - Пангеи, которая потом разделилась на Гондвану и Лавразию, а затем через ряд стадий пришла к современному состоянию. Реконструкция осуществлялась с учетом очертаний побережий, границ оледенений, распространения ископаемых животных и растений. Литосферные плиты под действием конвективных потоков вещества в мантии находятся в постоянном движении. При этом, движение каждой из плит осуществляется независимо от других, и если происходит их столкновение, то в месте контакта возникают горные цепи, или, напротив, глубоководные желоба, если одна из плит наползает на другую. Движение литосферных плит - одна из причин землетрясений.

Активные в тектоническом отношении участки - разломы являются геопатогенными зонами, которые оказывают отрицательное воздействие на здоровье человека, которое по своему негативному результату может превосходить антропогенное влияние (А.А.Келлер и В.И.Кувакин). Существует статистически значимые связи между заболеваниями злокачественными новообразованиями, рассеянным склерозом, ишемической болезнью сердца, а также возникновением дорожно-транспортных происшествий с геопатогенными зонами. В.А. Рудник (1998) приводит данные о состоянии здоровья сотен тысяч жителей Санкт-Петербурга, Уфы, городов Ленинградской области и Карелии. Было установлено, что каждые 2 из 3 больных онкологическими заболеваниями проживают или ранее долго жили в геопатогенных районах непосредственно над разломами земной коры. Уровень заболеваемости ишемической болезни сердца был в 2 раза выше, а гипертонической болезнью в 1.5 раза выше, чем в других районах. Смертность в геопатогенных зонах в 2-2.5 раза выше средней. Обращаемость взрослых в поликлиники в геопатогенных зонах в 2 - 3 раза больше, чем в среднем по региону, заболеваемость детей в 2-2.2 раза выше средних показателей. Заболеваемость лейкозом в 3.5 раз выше средних значений, болезни Дауна - в 4 раза. В.А. Рудник утверждает, что статистика дорожно-транспортных происшествий в Калининском районе Санкт-Петербурга и на автотрассе Санкт-Петербург - Мурманск свидетельствует об их увеличении на 30-100% по сравнению с другими районами (без геоаномалий). Вместе с тем, истинные причины и механизмы, связывающие аномалии литосферы и указанные изменения в биосфере в настоящее время не известны.

Неоднородность строения земной коры и биогеохимические особенности литосферы могут проявляться и в других медико-экологических особенностях. Так, при изучении состояния здоровья сельского населения было установлено, что в районах Курской магнитной аномалии отмечается повышенная заболеваемость болезнями сердечно-сосудистой системы. С неоднородностью литосферы и геологическими активными зонами земной коры связаны изменения геофизических полей, в частности, магнитного поля, которые также небезразличны для здоровья человека.

Сферы Земли взаимодействуют друг с другом. Они обмениваются веществом и энергией составляя некое целое - нашу Землю.

ЛЕКЦИЯ 3. БИОСФЕРА - ОБОЛОЧКА ЖИЗНИ

Планета Земля уникальна среди других планет Солнечной системы. Только на ней в тонком слое, где взаимодействуют вода (гидросфера), земля (литосфера) и воздух (атмосфера), обитают живые организмы, в том числе и человек. Этот слой называется биосферой - от греческих слов «биос» (жизнь) и «сфера» (шар).

Биосфера - это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. В нее входят не только растительный покров и животные, населяющие нашу планету, но и все реки, озера, моря, океаны, весь почвенный слой и самый верхний слой земной коры - зона выветривания, а также значительная часть атмосферы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 15-20 км от поверхности земли, в стратосфере. Верхний предел жизни ограничивается ультрафиолетовыми лучами и космическими излучениями. Нижняя граница жизни проходит по литосфере на глубине 2-3 км (здесь в нефтеносных слоях были обнаружены бактерии) и по дну океана в гидросфере. Жизнь в основном сосредоточена в верхней части литосферы - в почве и на ее поверхности - ив верхней части гидросферы. Таким образом, средняя толщина биосферы составляет 12-17 км, а максимальная не превышает 33-36 км.

Термин «биосфера» ввел австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г., понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. Основы этого учения он изложил в своей книге «Биосфера», опубликованной в 1926 г Он доказал, что совокупность живых организмов, когда-либо обитавших и обитающих на Земле, играет огромную роль в ее геологической эволюции, а также во всех физических и химических процессах, протекающих на земной поверхности и в толще вод.

На первый взгляд, роль «живого вещества» сильно завышена. Ведь доля совокупности всех живых организмов даже в общей массе Земли, но в пределах ее современной биосферы составляет лишь 0,25 %. Кроме того, все живое вещество Земли сосредоточено в очень узкой части пространства, прилегающего к земной поверхности. Однако взгляды о ведущей роли живого вещества в образовании современного химического состава атмосферы, гидросферы и части литосферы получили разностороннее подтверждение.

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: 1) живое вещество, 2) биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и т. п., создаваемые и перерабатываемые живыми организмами), 3) косное вещество, образованное в результате процессов, в которых живые организмы не участвуют (например, горные породы, возникающие при извержении вулканов), 4) биокосное вещество, создаваемое одновременно живыми организмами и процессами неорганической природы (например, почва), 5) радиоактивное вещество, 6) рассеянные атомы, 7) вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Центральным звеном в концепции В. И. Вернадского является представление о живом веществе. «Живые организмы, писал Вернадский, являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. Для того, чтобы в этом убедиться, мы должны выразить живые организмы как нечто целое и единое. Так выраженные организмы представляют живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, в энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением».

Живые организмы обладают очень высокой геохимической активностью. Они способны усваивать солнечную энергию в процессе фотосинтеза и использовать ее для образования сложных соединений из простых веществ, имеющихся на Земле. Деятельность живых организмов дает начало многочисленным цепочкам физико-химических превращений веществ - распаду, трансформации и синтезу. В результате этих превращений формируются «биокосные природные тела», объемы которых вполне позволяют сопоставить биосферу с другими земными оболочками. В течение миллиардов лет живое вещество на Земле использовало и трасформировало в ходе образования биокосных тел колоссальное количество солнечной энергии. Довольно значительная доля этой энергии заключена в недрах Земли в виде полезных ископаемых органического происхождения (уголь, нефть). Однако еще большее количество на протяжении геологической истории планеты было использовано для формирования различных горных пород биокосного происхождения - от осадочных известняков до значительной части железных руд, а также для накопления огромных масс солей, растворенных в воде океанов, и, наконец, кислорода, входящего в состав земной атмосферы.

«Можно без преувеличения утверждать,- писал В. И. Вернадский,- что химическое строение наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами. Несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит из Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни, превращают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, своей смертью и своим размножением, постоянным использованием своего вещества, а главное - длящейся сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений, своим рождением и размножением порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы». Биосфера, по учению В. И. Вернадского, не просто совокупность живых организмов, а единая термодинамическая оболочка Земли, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическим миром. Жизнь - это связующее звено между космосом и Землей, которое способно использовать энергию, приходящую из космоса, трансформировать минеральные вещества, создавать новые формы материального мира. Появление жизни - это качественно новый этап эволюции Земли. Пленка жизни, возникшая около 3,5-3,8 миллиарда лет тому назад, (что сопоставимо с возникновением Земли - около 4-4,5 миллиарда лет) многократно ускорила все геохимические процессы за счет способности поглощать и утилизовать энергию Солнца. Сравнение ровесниц - Земли и Луны - наглядно демонстрирует эффективность жизни как катализатора процесса развития нашей планеты.

Решающее значение в образовании биосферы и современного состава атмосферы имело появление на Земле растений. Это единственная группа организмов, способная синтезировать органическое вещество первооснову существования и развития живого мира - из минеральных веществ, используя углекислый газ, воду и солнечную энергию.

Известен и другой способ создания органического вещества - с использованием не солнечной, а химической энергии (хемосинтез), однако он не существенен для общего уровня биомассы (дает небольшое количество органических веществ), хотя играет важную роль в кругообороте азота и ряде других биосферных процессов.

Фотосинтезирующие растения могут быть многоклеточными (растительность суши, часть водорослей) и одноклеточными (большая часть водорослей). Поскольку суша занимает около 29,2 % общей земной поверхности, а более 70 % планеты покрыто водой, в гидросфере сосредоточена основная масса фотосинтезирующих растений. Это одноклеточные микроскопические зеленые водоросли, которые являются главными фотосинтетиками и поставщиками кислорода в атмосферу.

Биосфера - это единая сложная экосистема, осуществляющая улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живыми организмами и окружающей их средой. Она способна поддерживать равновесное состояние между всеми своими составляющими. Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы является круговорот веществ с превращением энергии. Он слагается из множества циклических процессов, каждый из которых представляет последовательный ряд изменений веществ, чередующихся с временным состоянием равновесия. Известны глобальные процессы круговорота воды на Земле, круговороты кислорода, углерода, азота, минеральных веществ. Их обеспечивают питание, дыхание, размножение, гибель множества организмов и связанные с ними процессы синтеза, накопления и распада органического вещества. Этими круговоротами обеспечивается миграция атомов химических элементов (прежде всего биогенных - С, Н, О, N. Р, 5 и др.) - их биогеохимические циклы, в ходе которых они много раз проходили через живое вещество. Например, весь кислород атмосферы проходит через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ - за 200-300 лет, а вся вода биосферы - за 2 млн. лет.

Элементарный состав живого вещества отличается от состава других оболочек Земли прежде всего высоким содержанием углерода (18 %). По содержанию других элементов живые организмы также не повторяют состава среды: они избирательно поглощают из нее химические элементы, соответствующие их эволюционно сложившемуся обмену веществ. Концентрация отдельных элементов в той или иной группе организмов может быть очень значительной. Железобактерии способны аккумулировать из среды обитания железо; фораминеферы, моллюски и кишечнополостные - кальций; хвощи, диатомовые водоросли и радиолярии - кремний; губки - йод; асцидии - ванадий и т. д. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Оказалось, что в живых организмах преобладают легкие химические элементы: Н, С, N и т. д., а из тяжелых часто встречается Р.

В экосистемах количество энергии, идущей от солнечного света через зеленые растения к животным, определяет общую численность организмов и их биомассу. При передаче энергии от одного трофического (пищевого) уровня к другому происходит ее рассеивание, поэтому в каждом последующем звене питания количество биомассы уменьшается, ее становится на 90-99 % меньше, чем в предыдущем. Например, биомасса растений (первый трофический уровень) небольшого луга составляет 10 т, тогда биомасса травоядных животных, живущих на той же площади, будет не более 100 кг, а плотоядных видов - не более 10 кг. Очевидно, что существование большого числа трофических уровней невозможно из-за быстрого приближения биомассы к нулю.

Наличие пищевых цепей и взаимоотношения живых организмов с неорганической природой обусловливают определенную стабильность биосферы. Однако изменения условий среды обитания, основных составных частей экосистемы и непродуманные действия людей могут нарушить сложившееся равновесие.

Экосистемы не изолированы друг от друга. Множество видов растений и животных можно встретить в различных экосистемах, а некоторые виды (перелетные птицы) в зависимости от времени года мигрируют в другие экосистемы. Процессы в одной экосистеме неизбежно затрагивают и другие. Так, частицы почвы, отравленной пестицидами, вымываемые с суши, могут сильно влиять на жизнь в водоемах.

ЛЕКЦИЯ 4. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА К РАЗЛИЧНЫМ УСЛОВИЯМ

Адаптацию человека к новым природным и производственным условиям можно кратко охарактеризовать как совокупность социально-биологических свойств и особенностей, необходимых для устойчивого существования организма в конкретной экологической среде обитания. Через производство природа включается в систему общественных связей.