МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ
Розділ 3
БІОГЕОЦЕНОТИЧНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ ТА МІСЦЕ ЛЮДИНИ В НЬОМУ
3.1.2. Середовище існування. Фактори середовища
Навколишнє середовище – це сукупність чинників, які здатні прямо чи опосередковано впливати на життєдіяльність організмів. Часто їх називають екологічними чинниками.
Життя неможливе без фізичного середовища. Окремі важливі властивості грунту, атмосфери, води, хоч це і чинники неживої природи, формувалися впродовж тисячоліть як інтегральний результат сукупної діяльності живих організмів.
Виділяють чотири основні типи середовища: водне, повітряне, грунт і внутрішнє середовище організмів (останній тип середовища актуальний для симбіотичних організмів, особливо ендопаразитів).
За ступенем впливу на організми зовнішні чинники поділяються на життєво необхідні (світло, вода, мінеральні солі), факультативні активні (дим, радіаційне випромінювання) і факультативні нейтральні (інертні гази).
За походженням виділяють чинники абіотичні, біотичні й антропогенні.
За характером впливу чинники поділяються на прямі (безпосередньо впливають на конкретні показники стану організму чи популяції) й непрямі (впливають опосередковано).
Абіотичні чинники поділяються на елементарні (температура, вода, атмосферний тиск, повітря, електромагнітне поле, гравітація) та комплексні (хімічний склад субстрату (розчину, газу), агрегатний стан субстрату (розчину, газу), сонячне світло).
Біотичні чинники являють собою дію живих організмів один на одного. Вони поділяються на фітогенні, зоогенні, мікробіогенні та мікогенні. Реалізуються біотичні чинники у формі симбіозу або антибіозу.
До категорії інтегральних чинників слід віднести клімат і рельєф. Впродовж існування органічного світу на планеті продукти життєдіяльності та механічний вплив організмів на неживі об’єкти призвели до суттєвих змін у їхньому хімічному складі та фізичному стані. Вказані явища сучасної природи є результатом сукупної дії абіотичних і біотичних чинників. Так, на формування типів клімату й окремих погодних явищ неабиякий вплив справляє рослинний покрив. Голий грунт і грунт, вкритий рослинами, мають різні показники альбедо (кількість променевої енергії, яка відбивається від об’єкта) і теплоємність, унаслідок чого повітряні маси, які перебувають над ними, переміщуються в атмосфері по-різному. Власне грунт є результатом спільної дії абіотичних чинників (температура, гравітація, хімічний склад материнської породи і атмосфери визначають характер хімічних і механічних перетворень материнської породи) та біотичних чинників (рухливість і продукти метаболізму живих істот, що населяють грунт, змінюють характер хімічних та механічних перетворень материнської породи).
Антропогенними чинниками потрібно вважати будь-які впливи, які спричинює діяльність людини в природних екосистемах. Відповідно до характеру діяльності антропогенні чинники бувають: сільськогосподарські, транспортні, військові, промислові та природоохоронні.
Кожен окремо взятий чинник може бути охарактеризований певними параметрами, значення яких можна зареєструвати візуально або інструментально. Параметри кожного чинника можуть змінюватися в просторі і часі. Такі коливання параметрів позначаються на життєдіяльності організмів.
Залежно від діапазону, в якому організм чи популяція здатні сприймати коливання параметрів окремих чинників, виділяють еврибіонтні та стенобіонтні системи. Еврибіонтами називають організми (системи), здатні існувати і відтворюватися в широких межах дії чинника. Наприклад, рудий тарган (прусак) може існувати і розмножуватися в умовах екстремальних температур, освітленості, хімічного складу атмосфери тощо. Стенобіонтами є організми (системи), які можуть забезпечувати повноцінне існування лише в умовах вузького діапазону дії окремих чинників. Так, усі ендопаразити людини є стенобіонтами відносно температури (личинка аскариди людської), хімічного складу рідини, що оточує паразита (печінковий сисун), або інших чинників.
Кожен екологічний чинник, необхідний для підтримання метаболізму певної живої системи, являє собою ресурс. Ресурсами називають речовини, енергію і простір, необхідні для задоволення потреб організмів, популяцій чи екосистем.
Абіотичні чинники
Світло є найважливішим абіотичним чинником на планеті. Лише сонячне випромінювання забезпечує трофічні потреби всіх живих істот па планеті. Разом з гравітацією і радіаційним опроміненням цей чинник є тим, до якого жива природа адаптується впродовж усього свого існування.
Сонце випромінює в широкому діапазоні хвиль (від ультрафіолетових до інфрачервоних). Видима людським оком частка сонячних променів становить 40-50 % усієї кількості, що досягає поверхні Землі. Хвилі частотою менше 290 нм є тією чи іншою мірою згубними для більшості живих організмів; значна кількість цих хвиль відбивається озоновим шаром Землі. Довші хвилі проходять крізь цей шар. Споживачами променистої енергії Сонця є передусім автотрофні організми, а саме – зелені рослини. Якщо на шляху потоку променів знаходиться зелений листок, то частково цей потік ним відбивається, частково проходить крізь листок, а частково поглинається останнім.
Поглинута енергія значною мірою включається в хід фотосинтезу, але частина її витрачається на нагрівання листка. Під час фотосинтезу відповідна частка енергії акумулюється у вигляді енергії зв’язків органічних сполук. Здатність зелених рослин до фотосинтетичної асиміляції вуглецю визначає хлорофіл. Діапазон хвиль, які хлорофіл може залучити, становить 380-710 нм. У цьому діапазоні знаходиться лише 44 % всієї променистої енергії, яка досягає поверхні планети. Слід додати, що для автотрофних прокаріотів, здатних до фотосинтезу, максимум поглинання світла досягає значення 890 нм. Пояснюється це тим, що до складу таких організмів входить бактеріохлорофіл з дещо іншими, ніж у рослин, властивостями. Тварини теж потребують сонячного світла. Зокрема, людині воно необхідне для синтезу вітаміну D (промені в діапазоні 250-300 нм).
За вимогами до світла організми поділяються на геліофільні (світлолюбні), сциофільні (тіневитривалі) та геліофобні (нічні). До перших належать усі фотосинтезуючі рослини і деякі види тварин, наприклад, денні комахи. До других – окремі види рослин (наприклад, мохи) і тварин. Певною мірою до таких організмів можна віднести і людину. Геліофобними є деякі види тварин, що ведуть нічний спосіб життя (кажани) або живуть у печерах, грунті (кроти).
На людський організм значний вплив справляють ультрафіолетові промені. їх інтенсивність сильно коливається залежно від сезону, часу доби, висоти над рівнем моря, погодних умов тощо. Наприклад, якщо промені Сонця спрямовуються під кутом 30°, то інтенсивність ультрафіолетового опромінення стає удвічі меншою, ніж удень.
Засмагу, яка виникає в людей зі світлим кольором шкіри після тривалого опромінення ультрафіолетовими променями, можна розглядати як фенокопію генетично визначеного темного кольору шкіри. Водночас це явище належить до адаптивних реакцій організму. Роль такої адаптації полягає у підвищенні порогової еритемної дози опромінення (еритема-фізіологічне почервоніння шкіри). При цьому потовщується роговий шар опромінених ділянок шкіри і накопичується в ній меланін унаслідок посилення його вироблення і міграції з базальних клітин до поверхні. Існує пряма кореляція між тривалістю та інтенсивністю ультрафіолетового опромінення шкіри людини і частотою захворювань на рак шкіри. Цей показник залежить від географічної широти, на якій мешкають люди, тому що вона впливає на дозу ультрафіолетового опромінення.
Тепло є суттєвим чинником, який визначає можливість протікання біохімічних процесів, адже білки-ферменти, що контролюють перебіг цих процесів, функціонують лише в певних температурних межах. Рослини великою мірою залежать від теплових ресурсів, оскільки вони мають дуже незначні можливості коригувати температуру. У рослин тропічних широт є досить багато пристосувань для того, щоб запобігати перенагріванню, а в рослин помірних широт це відбувається переважно шляхом транспірації. Зниження температури до критичних меж змушує рослини скидати листя. Рослини належать до ектотермних організмів (тих, чия температура залежить від температури навколишнього середовища). На відміну від них, ендотермні організми мають більш потужні механізми контролю за власною температурою. Тварин поділяють на холоднокровних (пойкілотермних) і теплокровних (гомойотермних).
Механізми регулювання температури у рослин, грибів, дроб’янок і тварин принципово відмінні. У рослин при високих температурах процеси дихання починають протікати значно швидше, ніж реакції фотосинтезу, і вони гинуть від “голоду”. У тварин високі температури викликають “тепловий шок”, з якого вони можуть вийти при зниженні температури. Людина не має механізмів, які допомогли б їй пристосуватися до життя в умовах постійно високих температур без застосування допоміжних засобів і заходів. Популяції, що віками живуть у пустельних регіонах планети з жарким кліматом, навчилися певним чином використовувати одяг, житло, змінювати поведінку впродовж доби, але біологічна адаптація тут неможлива.
Температури, при яких замерзає вода, є згубними передусім для ектотермних організмів через те, що цитоплазматична вода кристалізується і грані кристалів можуть пошкодити мембрани органел чи клітинні оболонки. Але кристалізація води спричиняється ще й до підвищення концентрації розчинених у ній речовин. Останнє суттєво порушує нормальний баланс метаболітів і ферментів, унаслідок чого можуть припинитися життєво важливі біохімічні процеси.
Чим більше відхилення температури в той чи інший бік від оптимальних значень, тим більшу частку енергії ендотермні організми витрачають на підтримання постійної температури тіла. При незначному охолодженні серцева діяльність змінюється шляхом збільшення сили і кількості скорочень, а при значному охолодженні порушується збудливість і провідність міокардіоцитів. У нирках ссавців реабсорбція гальмується при зниженні температури тіла до 23-20 °С, а фільтрація – при 19 °С. Умовні рефлекси у собак згасають при температурі 30-27 °С. При температурі головного мозку 22-21 °С ще реєструються біотоки. Ендотермні організми здатні ефективно коригувати температуру свого тіла в межах витривалості, але це вимагає великих затрат енергії.
У людини є досконалі способи терморегуляції, наприклад, формування жирових прошарків, корекція обміну жирів та вуглеводів, посилена робота м’язів тощо. Сучасна людина адаптується до мінливих температурних умов передусім за рахунок культурних та соціальних пристосувань – одягу, житла, обігріву тощо. При багаторазовому впливі підвищених температур організм людини покращує функціонування системи кровообігу, більш ефективною стає терморегуляція. Така швидка адаптація до високих температур відображає еволюційний шлях людини як виду, котрий зародився в екваторіальних умовах.
По відношенню до дії температурного чинника живі організми поділяють на теплолюбні та холодостійкі. Перші живуть переважно в тропічних широтах, другі – в умовах помірного та холодного клімату. Людину з точки зору її біологічних властивостей слід віднести до холодостійких видів, зважаючи на наявність у неї відповідних адаптаційних механізмів. Стійкість до холоду деяких груп людей є набутою рисою, в основі якої лежать фізіологічні пристосувальні механізми.
Ще одна закономірність, пов’язана з впливом температури, проявляється в географічному поширенні тварин. Так, абсолютна більшість видів холоднокровних мешкає в тропічних умовах, а в напрямках до полюсів число видів холоднокровних різко зменшується.
Іонізуюче випромінювання.
В природі існує багато речовин, що містять радіоактивні елементи (радій, торій) або радіоактивні ізотопи вуглецю, водню, калію та інших хімічних елементів. Еволюція органічного світу і людини відбувалась на фоні певних доз опромінення, яке отримує кожна жива істота. Ці дози складають природний радіоактивний фон. До їхнього впливу організми тією чи іншою мірою адаптовані. Рівень сприйняття організмом впливу випромінювання визначає його радіочутливість. Цей показник може значно варіювати як у межах виду, так і в межах організму. Наприклад, м’язова тканина людини має найменшу радіочутливість.
Радіоактивні ізотопи можуть потрапляти в травну систему людини разом з їжею. Окремі ізотопи (стронцій-90) швидко всмоктуються й осідають у сполучній тканині. Радіоактивне випромінювання є найсильнішим мутагенним чинником. У людини певна частка мутацій виникає під впливом природних джерел радіації. Особливо небезпечним є вплив радіоактивного випромінювання на статеві клітини. Антропогенне поширення в екосистемах радіоактивних ізотопів може викликати локальне посилення мутагенезу. Проблеми впливу випромінювання на стан навколишнього середовища і здоров’я людини стали надзвичайно актуальними у XX ст. Спершу винайдення рентгенівського випромінювання, а потім ядерної зброї, запровадження атомної енергетики призвели до різкого підвищення радіоактивного опромінення окремих категорій людей. Це персонал, що має справу з обладнанням або технологіями, в яких застосовують радіоактивні ізотопи, а також військовослужбовці або цивільне населення, яке зазнало опромінення в ході навчальних вибухів ядерних бомб, техногенних аварій тощо.
Під час дослідження хромосом соматичних клітин у людей, які пережили атомне бомбардування в Хіросімі та Нагасакі, було встановлено, що серед лімфоцитів клітини з радіаційно залежними хромосомними абераціями зберігалися впродовж 30 років. Кількість клітин зі зміненою структурою хромосом була пропорційна отриманій дозі опромінення.
Аварія на Чорнобильській АЕС у квітні 1986 р. спричинила до проникнення у атмосферу (згодом – у воду, грунт) значної кількості радіоактивних елементів. Звичайно, метаболічні процеси в живих організмах, спроможність атмосфери й гідросфери розбавляти концентрацію ізотопів не можуть’ нейтралізувати негативних наслідків цього лиха. Певна частина радіоактивних ізотопів, які через трофічні ланцюги потрапили в живі організми, продовжуватимуть циркулювати в екосистемах ще тривалий час. Людина передусім стає об’єктом накопичення радіогенних мутацій, які є причиною багатьох захворювань. Окремо слід згадати й про те, що деякі методи медичних обстежень пацієнтів також є джерелом їх додаткового опромінення.
Вода є середовищем, в якому протікає більшість метаболічних процесів живих організмів. Наземні організми живуть у повітряному середовищі, де вміст води набагато нижчий, ніж у самих організмах, тому всі вони втрачають воду шляхом випаровування і виділення. Для них важливим параметром є вологість повітря. Рослини здатні компенсувати випаровувану воду шляхом поглинання її за допомогою кореневої системи, а тварини змушені вживати їжу, багату на воду, або пити.
Вплив води як екологічного чинника часто неможливо відділити від впливу температури. Так, висока вологість при низькій температурі чи, навпаки, низька вологість при високій температурі однаково обмежують функціонування організмів.
За вимогами до вологи виділяють організми гідрофільні (наземні молюски, комарі), мезофільні (всі ссавці, в тому числі й людина) та ксерофільні (рептилії, деякі гризуни). Нестача води в організмі тварин і людини може бути відрегульована завдяки наступним механізмам. Поведінкова компенсація основана на рефлекторно визначеному пошукові джерел води. Морфологічна компенсація основана на затримуванні в організмі максимально можливої кількості води (в тканинах чи органах). Біохімічна компенсація основана на утворенні метаболічної води шляхом біохімічних реакцій (наприклад, горб у верблюда, де накопичуються ліпіди, служить джерелом метаболічної води). Сукупний ефект дії цих механізмів проявляється на рівні окремих пристосувальних реакцій. Наприклад, у деяких тварин має місце літня сплячка. Риби, що живуть у пересихаючих водоймах, після відкладання ікри гинуть, а засушливий період витримують ікринки, що дає змогу зберегтися виду. За здатністю організмів витримувати коливання зволоженості вони поділяються на гідростабільні та гідролабільні види. Гідростабільні види мають більш досконалі, а гідролабільні – менш досконалі механізми компенсації нестачі та надлишку вологи.
Особливої уваги заслуговує рівень кислотності води та грунтового розчину. Підвищена кислотність впливає на організми прямо або опосередковано. В першому випадку погіршуються механізми регуляції осмотичного тиску, робота окремих ферментів. У другому випадку низькі значення рН води можуть спричинити накопичення в клітинах токсичних іонів (алюмінію, свинцю тощо). Для водних і грунтових тварин кисле середовище може означати зменшення доступних харчових ресурсів через пригнічення розвитку в грунті джерел харчування. Коливання кислотності та сольового складу грунту може позначатися також і на стані здоров’я людей, що мешкають у відповідній місцевості. Так, рослинна продукція, вирощена на лужних грунтах, містить менше заліза, марганцю і фосфору внаслідок того, що ці елементи перебувають у таких грунтах у зв’язаній формі, недоступній кореням рослин. Риба, вирощена у водоймах з підвищеною кислотністю, накопичує надлишок алюмінію.
Через трофічні ланцюги певні хімічні елементи потрапляють в організм людини, накопичуються в ньому в значній кількості, і це може стати причиною розвитку захворювань. Тому при вирішенні медичних завдань різного рівня (від постановки діагнозу хворому до вибору заходів суспільної профілактики в регіоні) слід враховувати ці обставини.
Ряд проблем для організмів створюють присутні в грунтовому розчині або у воді мінеральні солі, якщо концентрація їх суттєво перевищує таку в тканинах. При цьому внаслідок осмосу тканини можуть зневоднюватися. Запобігти зневодненню допомагає енергозатратна робота мембранних структур.
Повітря – це середовище існування багатьох видів організмів і водночас джерело кисню, вуглекислого газу, іноді – азоту. Кисень є ресурсом і для рослин, і для тварин, а вуглекислий газ – лише для фотосинтезуючих рослин. За вимогами до наявності в оточуючому середовищі вільного молекулярного кисню всі організми поділяють на аеробні та анаеробні. Особливий статус мають аеробні організми, що живуть у водному середовищі, адже засвоєння кисню відбувається в них не з газового, а з водного середовища. Чим вища температура води, тим гірше в ній розчиняється кисень, а отже і водні тварини почуваються в ній гірше. У стоячих водоймах з великим вмістом органічних решток розчиненого кисню взагалі дуже мало. Унаслідок дихання мікроорганізмів в жаркий період у річках з повільною течією та в стоячих водоймах часто спостерігається масова загибель риби. Цю обставину слід враховувати при оцінці паразитологічної ролі таких водойм або річок.
Тварини і людина постійно витрачають кисень у ході дихального обміну, тому рівень кисню в організмі завжди нижчий, ніж в атмосфері. Проникнення кисню шляхом дифузії можливе лише на відстань не більше 1 мм, тому макроорганізми мають циркуляторні системи, котрі забезпечують перенесення кисню, зв’язаного з молекулами-носіями, від поверхневих шарів тканин до глибоких.
В атмосфері кисень розподілений рівномірно, але зі збільшенням висоти над рівнем моря його концентрація і парціальний тиск закономірно зменшується, що відбивається на фізіологічних параметрах людського організму. Киснева ємність крові у людей, що живуть на рівні моря, становить біля 21 %, а на висоті, більшій за 5000 м над рівнем моря, 30 %. Якщо людина, яка звикла до життя на рівні моря, потрапляє в гори, то поступово її гемоглобін починає інтенсивніше зв’язувати кисень, а ємність крові дещо збільшується. Одночасно адаптивні процеси торкаються об’єму легень, розміру серця, розвитку капілярної сітки та деяких інших фізіологічних і біохімічних показників людського організму. У дорослої неадаптованої (наприклад, якщо вона веде малорухливий спосіб життя) людини, яка постійно мешкає на рівні моря, коли вона потрапляє на висоту біля 1500 м, починається задишка. У людей, адаптованих до умов високогір’я, починаючи з висоти 3500 м відбуваються певні зміни в організмі (формується адаптивний екотип).
(1 votes, average: 5,00 out of 5)