Задачей экологии является поиск законов функционирования и развития биосферы. Экология, как и другие науки, базируется на фундаментальных законах диалектики, кибернетики, физики, химии, географии, геологии. М.Ф. Рейсмерс, анализируя научную базу данной области, называет более 250 законов, закономерностей, принципов, правил, которые использует современная экологическая наука.
Исторически первым был закон, устанавливающий зависимость функционирования живых систем от факторов, ограничивающих их развитие (так называемых лимитирующих факторов).
Закон минимума. Впервые значение лимитирующих факторов окружающей среды установил немецкий агрохимик Ю.Либих в 1840 г. Он установил, что урожай (продукция) зависит от фактора, находящегося в минимуме. Если в почве полезные компоненты в целом представляют уравновешенную систему и только какое-то вещество, например фосфор, содержится в количествах, близких к минимуму, то это может снизить урожай. Можно сформулировать закон минимума следующим образом: стойкость организма определяется слабейшим звеном цепи его экологических нужд. Если количество и качество экологических факторов близко к необходимому организму минимум, он выживает, если меньше минимума, организм погибает, организм разрушается.
Закон независимости факторов В.В. Вильямса: условия жизни равнозначны, ни один из факторов жизни не может быть заменен другим. Например, нельзя действие влажности (воды) заменить действием углекислого газа или солнечного света и т.п.
Закон толерантности В. Шелфорда (1913): отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называются пределами толерантности. Другими словами этот закон может быть выражен следующим образом: лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяют степень выдержки (толерантности) организма данному фактору.
Относительно действия одного фактора можно проиллюстрировать этот закон так: некий организм способен существовать при температуре от -50С до +250С, т.е. диапазон его толерантности лежит в пределах этих температур. Организмы для жизни которых необходимы условия, ограниченные узким диапазоном толерантности по величине температуры, называются стенотермными, а способные жить в широком диапазоне температур – эвритермными (Рис. 12).
Холод (оптимум) Тепло (минимум)
t
Мин Макс Мин. Макс.
Стенотермы Эвритермы Стенотермы
Рис. 12. Сравнение относительных пределов толерантности стенотермных и эвритермных организмов.
Можно сформулировать ряд положений, дополняющих закон Шелфорда.
1. Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого.
2. Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам обычно наиболее широко распространены.
3. Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то может сузиться толерантность и к другим факторам.
4. В природе организмы очень часто оказываются в условиях не соответствующих оптимальному значению того или иного фактора, определенному в лаборатории.
5. Период размножения обычно является критическим; в этот период многие факторы являются лимитирующими.
Закон конкурентного исключения. Два вида, имеющие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте неограниченно долго. То, какой вид побеждает, зависит от внешних условий. В сходных условиях победить может каждый. Важным для победы обстоятельством является скорость роста популяции. Неспособность вида к биотической конкуренции ведет к его оттеснению и необходимости приспособления к более трудным условиям и факторам.
Закон конкурентного исключения может работать и в человеческом обществе. Особенность его действия в настоящее время заключается в том, что цивилизации не могут разойтись. Им некуда уйти со своей территории, потому, что в биосфере нет свободного места для расселения и нет избытка ресурсов, что приводит к обострению борьбы со всеми вытекающими отсюда последствиями. Можно говорить об экологическом соперничестве между странами и даже экологических войнах или войнах обусловленных экологическими причинами.
Основной закон экологии. Одним из главных достижений экологии стало открытие, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Последовательность смены сообществ, сменяющих друг друга в данном районе, называется сукцессией. Сукцессия происходит в результате изменения физической среды под действием сообщества, т.е. контролируется им. Замещение видов в экосистемах вызывается тем, что популяции создают условия, благоприятные для других популяций; это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическими и абиотическими компонентами.
Сукцессия в энергетическом смысле связана с фундаментальным сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы. Сукцессия состоит из стадий: роста, стабилизации и климакса. Их можно различать на основе критерия продуктивности: на первой стадии продукция растет, на второй остается постоянной, на третей уменьшается до нуля по мере деградации системы.
В природе развитие экосистем идет в направлении повышения их устойчивости, достигаемой за счет увеличения разнообразия. Распространив этот вывод на всю биосферу, получаем ответ на вопрос, зачем необходимы 2 млн. видов. Можно думать, что эволюция ведет к замене одних менее сложных видов другими, вплоть до человека как венца природы. Менее сложные виды, дав дорогу более сложным, становятся не нужными. Экология разрушила этот удобный для человека миф. Теперь ясно, почему опасно, как делает современный человек, уменьшать многообразие природы.
Закон биогенной миграции атомов (закон Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под преобладающим воздействием живого вещества, организмов.
Живое вещество или берет участие в биохимических процессах непосредственно или создает ответную, обогащенную кислородом среду. Понимание всех химических процессов, которые происходят в геосферах, невозможно без учета действия биогенных факторов, в отдельности – эволюционных. Люди влияют на состояние биосферы, изменяют ее физический и химический состав, условия сбалансированной веками биогенной миграции атомов. В будущем это причинит очень негативные изменения, которые приобретают возможность саморазвиваться и становятся глобальными, неконтролируемыми (опустошение, деградация почв, вымирание видов).
Закон внутреннего динамического равновесия: вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархия очень тесно связаны между собой, поэтому изменение одного из показателей неминуемо приводит к функционально структурным изменениям других, но при этом сохраняются общие качества системы – вещественно-энергетические, динамические, информационные.
Последствия действия этого закона проявляется в том, что после каких-либо изменений элементов природной среды (вещественного состава, энергии, информации, скорости природных процессов и прочее) обязательно развивается цепная реакция, которая пытается нейтрализовать эти изменения. Даже несущественное изменение одного показателя может причинить сильные отклонения в других и во всей экосистеме.
Изменения в больших экосистемах могут иметь необратимый характер, а какие-либо локальные превращения природы вызывают в биосфере реакции-ответы, которые обуславливают относительную неизменность эколого-экономического потенциала. Искусственное увеличение эколого-экономического потенциала ограничено термодинамической устойчивостью природных систем. Закон свидетельствует, что в случае незначительных вмешательств в природную среду его экосистемы способны саморегулироваться и возобнавляться, а когда эти вмешательства превышают установленные рамки и уже не могут погаситься в цепи иерархии, они приводят к значительным нарушениям энерго- и биобаланса на значительных территориях и во всей биосфере.
Закон генетического разнообразия: все живое генетически разное и имеет тенденцию к увеличению биологического разнообразия. Закон имеет важное значение в природопользовании, особенно в сфере биотехнологий, когда не всегда возможно предвидеть результат нововведений во время выращивания новых микрокультур из-за возникающих мутаций или распространения новых биопрепаратов на те виды организмов, на которые они не рассчитывались.
Закон исторической необратимости: общий процесс развития однонаправлен, развитие биосферы и человечества как целого не может осуществляться от позднейших фаз к начальным.
Закон константности (сформулирован В.И. Вернадским): количество живого вещества биосферы за определенное геологическое время есть величина постоянная. Этот закон тесно связан с законом внутреннего динамического равновесия. По закону константности какие-либо изменения количества живого вещества в одном из регионов биосферы неизбежно приводит к такому же по размерам изменению вещества в другом регионе, только с обратным знаком. Следствием этого закона является правило обязательного заполнения экологических ниш.
Закон корреляции (сформулированный Ж. Кюв'е): в организме, как целостной системе, все его части отвечают одна другой как по строению, так и по функциям. Изменения одной части неизбежно вызывают изменения в других.
Закон максимизации энергии (сформулированный Г. и Ю. Одумами и дополненный М.Рейсмерсом): в конкуренции с другими системами сохраняется та, которая наиболее способствует поступлению энергии и информации и использует максимальное их количество более эффективно. Система создает накопители высококачественной энергии, часть которой тратит на обеспечение поступления новой энергии, обеспечивает нормальное круговое движение веществ и создает механизмы регулирования, поддержки, стойкости системы, ее способности приспосабливаться к изменениям, налаживает обмен с другими системами. Максимилизация энергии обеспечивает повышение шансов на выживание.
Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского-Бауэра): какая-либо биологическая или биогеоценотическая система, которая пребывает в состоянии стойкого не равновесия (динамично подвижного равновесия с окружением), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду. В процессе эволюции видов выживают те, которые увеличивают биогенную геохимическую энергию. Живые системы никогда не прибывают в состоянии равновесия и используют за счет своей свободной энергии полезную работу против равновесия, которого требуют законы физики и химии, в соответствии с существующими внешними условиями. Этот закон является основой разработки стратегии природопользования.
Закон ограниченности природных ресурсов: все природные ресурсы в условиях Земли исчерпаемы. Планета является природно-органическим телом, и на ней не могут существовать бесконечные составные части.
Закон однонаправленности потока энергии: энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и других порядков, а потом редуцентам. Этот процесс сопровождаются потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне. Обратный энергетический поток (от редуцентов к продуцентам) очень мал (не более 0,25%).
Закон оптимальности: никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности. Никакой целостный организм не может превысить определенных критических размеров, которые обеспечивают поддержку его энергетики. Эти размеры зависят от условий питания и факторов существования. В природопользовании закон оптимальности помогает найти оптимальные, с точки зрения продуктивности размеры для участков, полей, выращивания животных, растений. Игнорирование законов – создание огромнейших площадей монокультур, выравнивание ландшафта массовыми застройками приводит к неестественному однообразию на больших территориях и вызывает нарушения в функционировании экосистем, обуславливает экологический кризис.
Закон пирамиды энергии (сформулированный Р.Линдерманом): с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в среднем не более 10% энергии. Обратный энергетический поток значительно слабее – не больше 0,25% и поэтому говорить о круговом движении энергии в биогеоценозе не приходится.
Согласно этому закону можно делать расчеты земельных площадей, лесных угодий с целью обеспечения населения продовольствием и другими ресурсами.
Закон равнозначных условий жизни: все естественные условия среды необходимые для жизни, играют равные роли. Отсюда вытекает другой закон – совокупного действия экологических факторов.
Закон развития окружения: какая-либо природная система развивается только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно – это вывод из законов термодинамики.
Из этого закона вытекают следующие выводы:
- абсолютно безотходное производство невозможно;
- какая-либо более высокоорганизованная биотическая система в своем развитии является потенциальной угрозой для менее организованной системы. Поэтому в биосфере Земли невозможно повторение зарождения жизни – она будет уничтожена существующими организмами;
- биосфера Земли как система развивается за счет внутренних и космических ресурсов.
Закон уменьшения энергоотдачи в природопользовании: в процессе получения из природных систем полезной продукции со временем (в историческом аспекте) на ее изготовление в среднем тратится, тем больше энергии (вырастают энергетические траты на одного человека). Возрастание энергетических затрат не может продолжаться бесконечно. Его следует рассчитывать, гармонизируя отношения человека с природой.
Закон совокупного действия естественных факторов Митчерлиха-Тинема-Балуе): объем урожая зависит не от отдельного, даже лимитирующего фактора, а от всей совокупности экологических факторов одновременно. Частицу каждого фактора в совокупном действии можно обозначить. Закон имеет силу, влияние монотонное и максимально проявляется каждый фактор благодаря неизменности других в той совокупности, которая рассматривается.
Закон физико-химического единства вещества (сформулирован В.И. Вернадским): все живое вещество Земли имеет один физико-химический состав. Из этого вытекает, что вредно одной части живого вещества вредит и другой ее части, только каждый раз по-разному. При отсутствии в какой-либо популяции устойчивых к физико-химическому влиянию видов, скорость отбора по устойчивости популяции к вредному агенту прямо пропорциональна скорости размножения организмов и чередования поколений. Вследствие этого длительное использование пестицидов, одного вида антибиотиков экологически недопустимо потому, что вредители, которые размножаются очень быстро, приспосабливаются и выживают, а объем химических загрязнений (для пестицидов), доз (для антибиотиков) приходится каждый раз увеличивать.
Закон экологической корреляции: в экосистеме, как и какой-нибудь другой, все виды живого вещества и абиотические экологические компоненты функционально отвечают один одному. Выпадение одной части системы неизбежно приводит к выключению связанных с нею частей экосистемы и к функциональным изменениям.
Правило ускорения эволюции: с возрастанием сложности организации биосистем продолжительное существование вида в среднем укорачивается, а темпы эволюции возрастают. Средняя продолжительность существующего вида птиц – 2 млн. лет, вида млекопитающих – 800 тыс. лет. Число вымерших видов птиц и млекопитающих по сравнению с существующим количеством велико.
Экологическое правило Шварца: каждое изменение условий существования напрямую или побочно вызывает ответные изменения способов реализации энергетического баланса организма.
Принцип минимального объема популяции: существует минимальный объем популяции, ниже которого ее численность не может опускаться.
Правило обязательного заполнения экологических ниш: пустая экологическая ниша всегда и обязательно заполняется.
Законы Барри Коммонера. Известный американский биолог Барри Коммонер очень наглядно и доходчиво изложил основные законы экологии, действующие в окружающем нас мире, обобщенные все выше рассмотренные закономерности:
- Все связано со всем. Изменения, произведенные в одном компоненте экосистемы, могут привести к неблагоприятным последствиям в функционировании всей экосистемы. Не всегда разумная деятельность человека способна предвидеть последствия своей деятельности.
- Все должно куда-то деваться. Бытовые и производственные отходы, попадая в окружающую среду, не исчезают бесследно. У природы все меньше остается запасов прочности, чтобы справиться с переработкой загрязняющих веществ, и этот факт является основным разрушающим естественные экосистемы биосферы и оказывающим вредное влияние на человека.
- Природа знает лучше. Человеческое общество самонадеянно преобразовывает природу, нарушая ход естественных процессов. Последствия преобразований, призванных улучшить среду обитания человека, делают ее все менее благоприятной для жизни всех существ на Земле и самого человека.
- Ничто не дается даром. Человек не может бесконечно расходовать природные ресурсы, загрязнять окружающую природу. Человечество должно осознать, что любые его действия оплачены расходом природных ресурсов. Все виды взаимодействия человека с природой должны оцениваться с точки зрения сохранения природных экосистем.
Вопрос о том, можно ли законы экологии распространять на взаимоотношения человека с окружающей средой является сложным и неоднозначным. Человек значительно отличается от остальных биологических видов. Действие экологических закономерностей в человеческой популяции имеет место и если их не учитывать, это будет приводить к выраженным негативным последствиям (современный экологический кризис). С другой стороны экологические законы и правила реализуются на фоне социальных отношений, что их значительно модифицирует их действие.
Окружающая среда и здоровье
Существование жизни как планетарного явления, устойчивое функционирование биосферы формировалось на протяжении длительного периода эволюции. В последнее время положение резко изменилось. Стремительный прогресс науки и техники привел к тому, что по масштабам влияния на процессы в биосфере деятельность человечества стала сопоставимой с естественными факторами, определяющими развитие жизни на земле.
Характер и масштабы влияния человека на окружающую среду определяются двойственностью его положения в биосфере. С одной стороны, человек – биологический объект, связанный с окружающей средой сложной системой трофических, энергетических и других взаимодействий. В этой системе человек занимает нишу гетеротрофного консумента-полифага с аэробным типом обмена.
С другой стороны, человечество представляет собой социальную систему, которая предъявляет к природной среде широкий круг небиологических требований, вызванных техническими, бытовыми, культурными потребностями. Данные потребности общества непрерывно растут по мере развития науки и техники. В результате масштабы использования естественных ресурсов (прежде всего биологических) существенно превышают чисто биологические потребности человека. В результате возникает ситуация переэксплуатации биологических ресурсов биосферы, нарушаются естественные трофические связи, возрастает доля органического вещества, не возвращаемого в естественный круговорот. С другой стороны человечество извлекает из природной среды вещества, которые не входят в биогенный круговорот и соответственно не возвращаются в исходное состояние и не возобновляются. Так возникает проблема невозобновимых ресурсов. Многие продукты технологической переработки биогенных и абиогенных веществ не включаются в круговорот, они не имеют специфических биологических деструкторов и накапливаются в окружающей среде как загрязнители. Таким образом, загрязнение биосферы – прямое следствие современных форм хозяйства. Токсичность многих ксенобиотиков нарушает структуру и функции естественных биологических систем, т.е. в конечном итоге нарушает биологические условия жизни человека. Воздействие человека на природную среду часто сопровождается ее деградацией и загрязнением. Загрязнение окружающей среды это появление в ней новых, обычно не характерных агентов различной природы, оказывающих вредное воздействие на человека и природные экосистемы. Выделяют загрязнение окружающей среды различной природы (Рис. 16).
Рис. 16. Основные типы загрязнения окружающей среды
Решение проблемы загрязнения окружающей среды предусматривает активное вмешательство человека в биосферные процессы, вплоть до контроля численности и биологической активности экономически значимых видов и формирование искусственных экосистем. Можно выделить два аспекта. Первый связан с изучением механизмов влияния антропогенных воздействий на биологические системы, их реакции на воздействие, пределов приспособляемости к отдельным факторам и их комплексам. Фактически это изучение устойчивости биологических систем к воздействию различных, в том числе антропогенных факторов. Полученные данные позволяют разрабатывать экологические параметры изменения среды, предельно допустимых доз и уровней вредных веществ и факторов, квоты изъятия из природной среды объектов хозяйственной деятельности и т.д.
Второй аспект обусловлен тем, что даже при отсутствии прямых воздействий на природные системы человечество своей повседневной деятельностью меняет условия их существования. Изменение ландшафтов, режима вод, умышленный и неумышленный завоз видов за пределы их естественных ареалов ведут к перестройке состава и структуры экосистем. Промышленные районы и города, агроценозы, биотехнологические культуры – новые экосистемы, возникшие на технологической основе, но которых действуют экологические законы. Необходимо сознательно управлять экологическими системами с целью повышения продуктивности, создания устойчивых к условиям антропогенных ландшафтов экосистем различного назначения.
В последние годы отмечается рост неэпидемических заболеваний. Исследования показали, что значительное влияние на заболеваемость населения в целом оказывает образ жизни человека (49-53%), в том числе курение, нерациональное питание, злоупотребление алкоголем, вредные условия труда и др.; генотипические особенности (18-22%); изменения окружающей среды (17-20%); степень развития здравоохранения (8-10%). В условиях антропогенного изменения среды, когда условия жизни человека значительно отличаются от оптимальных, доля влияния загрязнения среды обитания, экологических факторов существенно возрастает. Из этих данных следует, что всем ответственным за здоровье людей службам основной упор следует делать на формирование здорового образа жизни.
При изучении влияния факторов окружающей среды на здоровье человека приходится использовать различные понятия и категории: внутренняя и внешняя среда, окружающая (природная и искусственная) среда, среда обитания, биосфера, болезнь, здоровье и другие. (Рис. 13).
Внутренняя среда организма человека – это та живая среда, которая отграничена от внешней среды слоем кожи, эпителием слизистых оболочек, представляет собой совокупность клеток, тканей, органов. Она принимает участие в обмене веществ и обеспечивает механизмы регуляции и гомеостаза организма человека.
Рис. 13. Схематическое изображение окружающей среды по отношению к человеку.
Под внешней средой следует понимать часть окружающей среды, которая непосредственно контактирует с оболочками организма, а также действует на все виды рецепторов, ощущающих и воспринимающих мир каждым человеком со своими индивидуальными особенностями.
Понятие окружающая среда более широкое, так как она не индивидуальна, а общая для целой популяции, населения. В процессе длительной эволюции человек приспособился к определенному постоянному качеству природной среды и любые ее изменения небезразличны для здоровья организма человека, вплоть до возникновения заболевания. Под средой обитания следует понимать комплекс взаимосвязанных абиотических и биотических факторов, находящихся вне организма и определяющих его жизнедеятельность. Производственная среда – это часть окружающей среды, образованная природно-климатическими и профессиональными (физическими, химическими, биологическими и социальными) факторами, воздействующими на него в процессе трудовой деятельности. Социальная среда – та часть окружающей человека среды, которая определяет общественные, материальные и духовные условия его формирования, существования и деятельности (быт, жилье, образование, культура, наука, спорт, искусство, производство, здравоохранение, социальное обеспечение и т.д.).
Человек с начала периода эмбрионального развития до окончания жизни соприкасается со всеми перечисленными факторами окружающей среды. Следует четко различать «этиологический фактор» и «этиологический фактор риска».
Этиологический фактор – причина возникновения патологического процесса, определяющая его характер или отдельные черты. Например, причиной инфекционного заболевания является живой возбудитель, этиологическим фактором отравления ртутью является ртуть, для вибрационной болезни – вибрация.
Этиологический фактор риска – дополнительное воздействие (экзо- или эндогенное) на человека, которое способствует появлению заболевания или смерти, не являясь их непосредственной причиной. Например, гиподинамия способствует росту заболеваемости сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Загрязнитель – любой природный или антропогенный физический агент, химическое вещество или биологический вид, попадающий в окружающую среду или возникающий в ней в количествах, выходящих за рамки обычного своего наличия. Под загрязнителями окружающей среды, согласно определению принятому ООН, следует понимать экзогенные химические вещества, встречающиеся в ненадлежащем месте, в ненадлежащее время в ненадлежащем количестве.
Человечество в повседневной жизни использует более 60 тыс. разнообразных химических веществ, а общее количество известных новых соединений достигает 5 млн. Загрязнители окружающей среды, в сочетании с внутренними, наследственными факторами могут оказывать влияние на формирование здоровья населения.
Здоровье населения – статистическое понятие, достаточно полно характеризуемое комплексом социально-экономических и демографических показателей, уровнем физического развития. Заболеваемостью инвалидностью определенных групп людей.
Болезнь – общее или частичное ограничение жизнедеятельности организма, обусловленное срывом компенсаторно-приспособительных механизмов под воздействием внешних и внутренних факторов и характеризующихся стеснением свободы деятельности.
Заболевание – факт возникновения болезни у отдельного человека. Понятие «заболевание» относится к конкретному человеку, в отличие от понятия «болезнь», которое употребляется для обозначения абстрактной нозологической единицы.
Действие неблагоприятных факторов на организм чрезвычайно многообразно.
Комплексное – это такое воздействие, при котором одно и тоже вещество поступает в организм человека из разных сред.
Комбинированное – воздействие, при котором из одной среды в организм поступает несколько загрязнений.
Сочетанное – это воздействие, при котором на организм человека влияют два и больше факторов разной природы (например, химическое вещество и шум одновременно).
Действие химических загрязнений внешней среды на организм человека весьма разнообразно и зависит от большого количества обстоятельств (Рис. 14).
Рис. 14. Схема воздействия ксенобиотика на организм человека.
Уровень загрязнения окружающей среды зависит от объема поступления (валового выброса), способности ксенобиотика миграции, трансформации и накопления в объектах живой и неживой природы под воздействием множества факторов. Эффект воздействия развивается после экспозиции, которая зависит от концентрации (дозы) и времени воздействия.
Способность проникать во внутренние среды человека (биодоступность) определяет уровень внутренней дозы, а эффект воздействия зависит от трансформации, обезвреживания и кумуляции внутри организма.
Влияние химических веществ на здоровье людей наиболее четко проявляется в сфере производства. При высокой экспозиции к химическим веществам в производственных условиях у рабочих наблюдается поражение многих органов. В качестве примеров можно привести разные хронические болезни легких (силикоз, асбестоз, биссиноз), болезни почек (возникающие под влиянием кадмия или ртути), заболевания центральной нервной системы (связанные с органическими растворителями, свинцом, ртутью, марганцем) и злокачественные новообразования разных органов (вызванные экспозицией к асбесту, мышьяку, никелю, ароматическим аминам, бензолу).
Появляются данные о том, что некоторые факторы внешней среды влияют на резистентность человеческого организма, повышая его чувствительность к болезням; однако выявление таких эффектов является весьма затруднительным. Существует настолько большое число разнообразных факторов, влияющих на здоровье отдельного человека, что отличить роль агентов внешнего окружения от той роли, которую играют другие факторы, - это задача, связанная с большими трудностями.
На рис. 15 изображена схема уровней биологических ответов на воздействие загрязнителей биосферы. Из этой схемы видно, что степень влияния вредного вещества может быть различной, начиная от той, которая характеризуется сдвигами в организме, биологическая значимость которых еще не получила оценки, до такой, которая вызывает смертельные исходы. Поперечная пунктирная линия отделяет уровни воздействия, приводящие к появлению заболеваний, от уровней, последствия которых состоят в появлении сдвигов неясной биологической значимости. Такие сдвиги оцениваются как защитно-приспособительные. Приведенная схема показывает, что не все население реагирует в равной степени на воздействие вредных факторов, имеются разные по чувствительности группы населения.
Рис. 15. Схема спектров биологических ответов на воздействие загрязнения: 1 – смертность; 2 – заболеваемость; 3 – физиологические признаки болезни; 4 – сдвиги неизвестного значения; 5 – накопление загрязнений в органах и тканях.
Таблица 2
Группировка факторов риска и их вклад в формирование уровней здоровья населения
| Группа факторов риска | Факторы риска, входящие в группу | Удельный вес факторов, % |
| 1. Образ жизни | Курение, нерациональное питание, употребление алкоголя, вредные условия труда, дисстрессы, адинамия, гиподинамии, плохие материально-бытовые условия труда, употребление наркотиков, злоупотребление лекарствами, непрочность семей, одиночество, низкий образовательный и культурный уровень, чрезмерный уровень урбанизации | 49-53 |
| 2. Генетические факторы | Предрасположенность к наследственным болезням, предрасположенность к дегенеративным болезням | 18-22 |
| 3. Окружающая среда | Загрязнение воздуха, воды и почвы канцерогенами, другие загрязнения, резкие смены атмосферных явлений, повышенное гелиокосмическое, магнитное и другие излучения | 17-20 |
| 4. Медицинские факторы | Неэффективность профилактических мероприятий, низкое качество медицинской помощи, несвоевременная медицинская помощь | 8-10 |
Таким образом, на современном этапе развития общества роль профилактических мероприятий в улучшении здоровья людей будет высока, если они будут направлены на совершенствование здорового образа жизни и защиту окружающей среды от загрязнения.
Человек создал особую среду обитания – жилище, в котором проводит значительную часть времени. ВОЗ выделяет 9 особенностей жилого окружения, которые оказывают существенное воздействие прямого и косвенного характера на физическое и психическое здоровье жильцов:
1) Структура жилого помещения (включая степень защиты жильцов от экстремального воздействия холода и жары, шума, пыли и других факторов);
2) Обеспеченность водой в достаточном количестве и надлежащего качества;
3) Эффективность средств удаления твердых и жидких отходов;
4) Качество места расположения жилья;
5) Последствия перенаселения, включая несчастные случаи в быту, инфекции, передаваемые через воздух;
6) Загрязнении воздуха внутри помещений, вызываемое сжиганием топлива для обогрева и приготовления пищи;
7) Уровень гигиены питания, включая условия хранения и защиту продуктов от порчи и контаминации;
8) Наличие переносчиков возбудителей заболеваний, связанных с жилищем и окружающей обстановкой;
9) Использование жилища как места работы, включая использование химических веществ и оборудования и его влияние на состояние здоровья.
Здоровье по оценкам специалистов на 20%, а может быть и больше зависит от генетических факторов. Генетические особенности популяции (генетический полиморфизм, уровень гетерозиготности, генетический груз) существенно влияют на здоровье ее членов. Известны факторы, которые формируют генетический состав популяции (Рис. 16)
Рис. 16 Генетический гомеостаз популяции
В современных условиях искусственное вмешательство в процессы естественного отбора заключается в следующем:
- снижение перинатальной и детской смертности;
- технологии искусственного оплодотворения, возможность клонирования;
- планирование семьи;
- прогресс в фармакотерапии инфекционной и другой патологии;
- улучшение медицинской помощи лицам с врожденной патологией и повышение их фертильности (плодовитости).
Существование человека как вида на протяжении большей части его эволюции происходило в частично изолированных популяциях, которые характеризовались определенным уровнем инбридинга и миграции генов. На протяжении периода жизни всего нескольких поколений важные экологические и социальные параметры среды, которая окружает человека, претерпели значительные изменения. Особая роль в этом принадлежит урбанизации, которая привела к интенсификации миграции, в том числе и брачной. Это привело к большему генетическому разнообразию популяции. Население большого города это популяция со значительным репродуктивным объемом, где вследствие интенсивных брачных миграций смешивается наследственная информация множества популяций, генофонд которых формировался в разнообразных условиях окружающей среды.
С биологической точки зрения наиболее существенный вклад процессов миграции в формирование более гетерозиготных популяций, что в свою очередь изменяет их исторически сложившуюся адаптивную структуру и обуславливает переход к малоизученному состоянию аутбридинга.
Учитывая генетическую составляющую здоровья все заболевания можно разделить на 3 группы:
- наследственные – проявление мутации, которая обуславливает заболевание, практически не зависит от воздействия окружающей среды;
- мультифакторные – частота их возникновения и исход зависит от комбинации наследственных и внешних факторов, для некоторых из них считается, что большее значение имеет наследственная предрасположенность (подагра, диабет), для других большее значение имеет действие среды (гипертоническая, язвенная болезни):
- болезни, которые возникают вследствие действия факторов среды (травмы, отравления), в этой группе действие генетических факторов влияет только на течение заболевания.
Необходимо отметить, что большинство зигот человека в результате «вредных» мутаций погибают или утрачивают способность к делению. Однако через ослабление процессов естественного отбора число патологических генов в популяции человека увеличивается. Необходимо отметить, что врожденная наследственная патология в последние годы занимает значительное место в детской заболеваемости, инвалидности и смертности.
С целью предупреждения вредного воздействия загрязнения окружающей среды обществом проводится комплекс мероприятий. Существует несколько подходов к предупреждению неблагоприятных эффектов вредных факторов: полный запрет производства и применения; запрет поступления во внешнюю среду и воздействия на человека; замена вредного фактора менее токсичным и опасным; ограничение (регламентация) содержания в объектах окружающей среды и уровней воздействия на работающих и население в целом. Во многих странах запрещено производство и применение особо опасных веществ, например, бензидина, бета-нафтиламина, обладающих канцерогенным действием, ряда пестицидов и пищевых добавок. Для нескольких десятков химических веществ, в том числе для некоторых высокоактивных лекарственных препаратов, введен запрет любых контактов с организмом работающих в условиях производства, а также поступления этих веществ в окружающую среду.
В связи с несовершенством технологий и невозможностью полностью предотвратить воздействие на человека необходимых для цивилизации природных и антропогенных факторов наиболее реальная профилактика вредного влияния на человека и биосферу состоит в снижении воздействия потенциальных вредных факторов до безопасного уровня на основе гигиенического нормирования. Данная система базируется на установлении в законодательном порядке уровней воздействия вредных факторов: предельно допустимых концентраций (ПДК) химических веществ, предельно допустимых доз (ПДД), предельно допустимых уровней (ПДУ) воздействия физических факторов и др. ПДК – это та наибольшая концентрация вещества в среде и источниках биологического потребления (воздухе, воде, пище, почве), которая при более или менее длительном воздействии на организм (контакте, вдыхании, приеме внутрь) не оказывают влияния на здоровье и не вызывают отдаленных эффектов (не сказывается на потомстве и т.п.). При обосновании ПДК используются различные критерии вредного действия химических веществ (табл. 3).
Поскольку возможный эффект зависит от длительности действия, особенностей обстановки, чувствительности реципиентов и других обстоятельств, различают ПДК средне суточные (ПДКсс), максимально разовые (ПДК мр), ПДК рабочих зон (ПДК рз), ПДК для растений, животных и человека. Данные гигиенические регламенты нельзя отождествлять с понятием нормы – большинство нормативов представляют собой максимально допустимые, а неоптимальные величины. По природе и назначению гигиенические нормативы антропоцентричны, основаны на медико-биологических критериях, так как направлены на защиту здоровья человека от прямых и опосредованных через экологические системы воздействий.
Таблица 3. Некоторые показатели вредности химических веществ
| Показатель вредности | Неблагоприятное воздействие |
| Органолептический | Появление посторонних запахов и привкуса, изменение цвета, окраски |
| Рефлекторный | Раздражающее действие на органы дыхания, глаза, наличие запаха |
| Общесанитарный | Изменение численности сапрофитной макрофлоры, ее видового состава, снижение способности к самоочищению |
| Санитарно-бытовой | Изменение климата, прозрачности атмосферы, бытовых условий, ландшафта и др. |
| Водно-миграционный | Миграция вещества из исследуемой среды в воду |
| Воздушно-миграционный | Миграция вещества из исследуемой среды в воздух |
| Транслокационный | Накопление вещества в растительных продуктах |
| Токсикологический (резорбтивный) | Неблагоприятное (токсическое) действие на организм |
На основании ПДК с помощью специальных программ вычисляют значения предельно допустимых эмиссий – предельно допустимые выбросы в атмосферу (ПДВ), предельно допустимый сброс в водоемы (ПДС) тех или иных веществ, выделяемых конкретными источниками (предприятиями) данной территории. При этом учитываются характеристики источников и условия распространения эмиссий. ПДВ и ПДС непосредственно регламентируют интенсивность и качество технологических процессов и приобретают свойство экологических нормативов. ПДВ и ПДС не удовлетворяют многим требованиям экологического нормирования, так как существуют серьезные сомнения в пригодности ПДК к качестве основы этих нормативов. Данный подход не соответствует потребностям решения экологических проблем:
- не для всех реальных загрязнителей установлены гигиенические регламенты (ПДК и т.д.), их разработка отстает от процессов внедрения химических веществ в производственные процессы;
- нет регламентов для множества разнообразных сочетаний различных агентов (комбинированное, комплексное, сочетанное действие); возможные взаимодействия между ними, образование вторичных продуктов и совмещенные эффекты не позволяют рассчитать «комплексные» ПДВ;
- ПДК одного и того же вещества для растений и животных могут быть существенно меньше, чем для человека, это заставляет делать очень ответственный экологический выбор.
Экологическое нормирование не ограничивается лишь регламентацией хозяйственной деятельности. В его задачи входит воздание системы экологических кадастров территорий, которые учитывают природные ресурсы, устойчивость природных комплексов, их экологическую ценность, биоразнообразие, способность быть резерватами чистой природной среды.
Вопросы для самоконтроля:
1. Загрязнения биосферы и его значение. Основные типы загрязнения окружающей среды.
2. Влияние загрязнения окружающей среды на здоровье человека.
3. Роль факторов различной природы в развитии патологии человека.
4. Система гигиенического нормирования факторов окружающей среды.
Атмосфера и человек.
Атмосфера – газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг планеты, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Масса ее составляет 5,15*1015 т. Современная атмосфера имеет вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твердой оболочкой (литосферой). Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими, геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов.
Деятельность живых организмов, оказавшая большое влияние на развитие атмосферы, сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. Газовая оболочка задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород необходим для дыхания аэробным организмам, углекислый газ необходим растениям. Климатические факторы влияют на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических условий сельское хозяйство.
Атмосфера имеет четкое слоистое строение (тропосфера – до 15 км, стратосфера до 50 км, мезосфера до 80 км, термосфера - 80-1000 км, экзосфера – 1000-2000 км). В тропосфере сосредоточено до 80% массы газов. В этой части наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание и температура снижается в среднем на 60С на 1 км высоты. Слоистая структура атмосферы обладает значительной пространственно временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.). Химический состав атмосферы приведен в табл. 4.
Наиболее важная переменная составная часть атмосферы – водяной пар. Его концентрация колеблется в широких пределах от 3% в тропиках до 2*10-5% в Антарктиде. Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают осадки в виде дождя, града и снега.
Влияние на атмосферные процессы, особенно тепловой режим стратосферы, оказывает озон. Он в основном сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение ультрафиолетовой солнечной радиации, является главным фактором нагревания воздуха в этой части атмосферы.
Таблица 4. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности
| Компоненты атмосферы | Объемная концентрация, % |
| Азот | 78,084 |
| Кислород | 20,948 |
| Аргон | 0,934 |
| Углекислый газ | 0,04 |
| Неон | 0,0018 |
| Гелий | 0,0005 |
| Метан | 0,0002 |
| Криптон | 0,0001 |
| Водород | 0,00005 |
| Закись азота | 0,00005 |
| Ксенон | 0,000009 |
| Двуокись серы, озон, двуокись азота, аммиак, окись углерода, йод | Следы |
Существенная переменная компонента атмосферы – углекислый газ, содержание которого связано с жизнедеятельностью растений, индустриальными загрязнениями и растворимостью в воде. Наличие СО2 обеспечивает накопление солнечной энергии в биосфере за счет фотосинтеза сложных органических соединений, которые непрерывно возникают, изменяются и разлагаются. Последние десятилетия наблюдается рост содержания СО2, обусловленное антропогенным загрязнением, что приводит к парниковому эффекту. Атмосфера слабо поглощает коротковолновую солнечную радиацию (большая часть ее доходит до земной поверхности), но задерживается длинноволновое тепловое излучение (инфракрасное) поверхности Земли, что значительно уменьшает теплоотдачу Земли в космос и повышает ее температуру.
Неравномерность нагревания атмосферы приводят к развитию воздушных течений – общей циркуляции атмосферы, которая создает горизонтальный перенос тепла, в результате чего различия в нагревании отдельных районов заметно сглаживаются. Общая циркуляция осуществляет влагооборот в атмосфере, в ходе которого происходит увлажнение континентов. С планетарным распределением давления связана сложная система воздушных течений, некоторые из них сравнительно устойчивы, а другие постоянно меняются в пространстве и во времени. К устойчивым воздушным течениям относятся пассаты, которые направлены от субтропических широт обоих полушарий к экватору. Сравнительно устойчивы также муссоны – воздушные течения, возникающие между океаном и материком и имеющие сезонный характер. В умеренных широтах преобладают течения с запада на восток. Эти течения включают крупные вихри – циклоны и антициклоны.
Различия в количестве солнечной радиации, приходящей на разные широты земной поверхности, и сложность ее строения, включая распределение океанов, континентов и горных систем, определяют разнообразие климатов Земли.
Загрязнение атмосферы обусловлено как природными, так и антропогенными факторами (Рис. 17).
Рис. 17. Источники загрязнения атмосферы
Естественными источниками загрязнения атмосферы является вулканическая деятельность, лесные пожары, пыльные бури, выветривание земных пород и пр. Эти факторы не угрожают отрицательными последствиями природным экосистемам, за исключением некоторых катастрофических природных явлений. Извержение вулкана Кракатау в 1887 г. привело к выбросу в атмосферу 18 км3 пепла, после извержения вулкана Катмай (Аляска) в 1912 г. в атмосферу попало 20 км3 пыли. Пепел этих извержений распространился на большую поверхность Земли, вызвал уменьшение притока солнечной радиации на 10-20%, что привело к снижению среднегодовой температуры воздуха в Северном полушарии на 0,50С.
Хозяйственно-производственная деятельность человека влияет, прежде всего, на химический состав атмосферы. Промышленные предприятия могут в различной степени загрязнять атмосферный воздух. Это зависит от характера предприятия, его мощности, производственной технологии, используемого сырья. К числу предприятий, сильно загрязняющих атмосферу, относятся ТЭЦ, заводы черной и цветной металлургии, химические и коксохимические предприятия, предприятия по добыче и переработке нефти, цементные заводы. Одним из главных источников загрязнения воздушной среды является сжигание топлива, которое широко присутствует в технологическом процессе многих предприятий. При сжигании 1 тонны угля в атмосферу может поступать до 23 кг золы в виде пыли, 15 кг SO2, значительные количества окислов азота, сажи окиси углерода и других веществ.
В крупных городах на первом месте по загрязнению воздуха стоит автотранспорт. В состав выхлопных газов автомобилей входит значительное количество самых разнообразных веществ: СО, окислы азота, непредельные углеводороды, свинец и др.
Антропогенное загрязнение атмосферы с последнее время стало превышать по масштабам естественное, приобретя глобальный характер. Оно может оказывать различное воздействие на атмосферу: непосредственное – на состояние приземных слоев (нагревание, изменение влажности и др.); воздействие на физико-химические свойства (изменение состава, увеличение концентрации СО2, аэрозолей, фреонов и других химических веществ) (Табл. 5); воздействие на свойства подстилающей поверхности (изменение величины альбедо, системы «океан-атмосфера»).
Загрязнение атмосферного воздуха диоксидами серы и оксидами азота приводит к появлению кислотных дождей, которые имеют рН менее 5,6. Кислотные дожди приводят к огромному экономическому ущербу, в основном для лесного и рыбного хозяйства (результате подкисления водоемов). От этого в различных регионах погибают леса, значительно снижается урожайность некоторых сельскохозяйственных культур (хлопчатника, томатов, винограда, цитрусовых – в среднем на 20-30%), страдают водоемы от закисления, что приводит к сокращению запасов лососевых и сиговых рыб, гибели гидробионтов. Кислотные дожди отрицательно воздействуют на почвы, уменьшение рН почвы менее 5,0 приводит к прогрессивному уменьшению плодородия. Повышенная кислотность осадков ускоряет коррозию металлических конструкций зданий, мостов, плотин, наносит значительный ущерб памятникам мировой архитектуры (Колизей в Риме, собор Св. Марка в Венеции и др.).
| Антропогенные изменения в атмосфере | Основные газовые примеси в атмосферном воздухе | |||||||
| СО | СО2 | СН4 | NO, NO2 | N2O | SO2 | Фреоны | О3 | |
| Парниковый эффект | + | + | + | - | + | + | ||
| Разрушение озонового слоя | + | |||||||
| Кислотные дожди | + | + | ||||||
| Фотохимический смог | + | + | ||||||
| Пониженная видимость атмосферы | + | + | ||||||
| Снижение самоочищения атмосферы | + | - | - | |||||
Таблица. 5. Антропогенные загрязнители атмосферы и связанные ними изменения (+ усиливающие данный эффект, - ослабляющие данный эффект).
Если неблагоприятное воздействие кислотных осадков на экологические системы видно достаточно четко, то в отношении их непрямого воздействия на здоровье людей остается много неясного. Подкисление почвы приводит к активации, увеличению подвижности содержащихся в них металлов, и они легче проникают в организм пресноводных рыб и другие пищевые продукты; следствием этого являются отравления людей, употребляющих эти продукты. В подкисленной воде озер Швеции обнаружены повышенные концентрации ртути, следствием чего являются повышенные и потенциально опасные уровни метилртути в органах людей, употребляющих в пищу большие количества рыбы.
Загрязнение атмосферы антропогенными примесями (СО2, СН4, N2O, O3, фреоны) сопровождается парниковым эффектом Земли. Загрязненный воздух аэросферы пропускает солнечные инфракрасные (тепловые) лучи, но препятствует длинноволновому инфракрасному излучению от нагретой земной поверхности рассеиваться в космическом пространстве. Основным источником СО2 является сжигание ископаемого органического топлива (нефть, уголь, газ и др.). Ежегодно в мире сжигается более 9 млрд. тонн условного топлива, что сопровождается выбросом в атмосферу около 6 млрд. т СО2 (более 1 т на каждого жителя планеты). Это привело к увеличению содержания углекислого газа в атмосферном воздухе. В последние десятилетия стало отмечаться постепенное возрастание в атмосфере содержания метана (в среднем 1% в год). Это связано как с природными факторами (разложение органических веществ в болотах), так и с антропогенными причинами (сжигание биомассы, рисовые поля, крупный рогатый скот, горная промышленность и т.д.).
Увеличение содержания в атмосфере оксида азота (примерно 0,3% ежегодно) объясняется в основном возрастанием производства и применения азотных удобрений в сельском хозяйстве. Фреоны (хлорфторуглероды) широко используются в промышленном производстве и их выброс достигает 1,4 млн. т (при ежегодном росте 4%).
Увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере привело к повышению температуры воздуха на Земле, отмечается уменьшение площади ледников. Парниковый эффект имеет как отрицательные, так и положительные экологические последствия.
Отрицательные последствия парникового эффекта это, прежде всего изменение климата, повышение уровня Мирового океана, увеличение частоты стихийных бедствия, подтаивание районов вечной мерзлоты, что создает угрозу дорогам, коммуникациям, зданиям. Ввиду предполагаемого повышения к 2025 г в Средиземноморье температуры на 1,50С, здесь усилятся испарения, вследствие чего на юге снизится, а на севере увеличится количество осадков. Чаще будут наблюдаться такие явления, как жаркое сухое лето, сильная засуха или наводнения, ураганы, внезапные приливы и отливы.
Повышение температуры может вызывать более выраженное разрушение почвы, снижение качества водных ресурсов, падение продуктивности сельского хозяйства и повреждение наземных и водных экосистем. Может наступить изменение циркуляции воды в Средиземном море и Атлантическом океане, что окажет влияние на продуктивность морской среды и распространение загрязнений.
Положительные экологические последствия парникового эффекта могут выразиться в увеличении испарения воды с поверхности океанов и связанное с ним возрастание увлажнение климата, особенно важное для аридных областей. Повышение концентрации СО2 может увеличить интенсивность фотосинтеза и способствовать увеличению продуктивности как естественных лесных экосистем, так и культурных растений. При удвоении концентрации СО2 возрастает урожайность хлопка на 124%, помидоров и баклажан – на 40%, пшеницы, риса и подсолнечника – на 20%, фасоли, сои и гороха - на 43% и т.д. Значить в целом парниковый эффект будет иметь положительный момент в развитии сельского хозяйства.
Загрязнение атмосферного воздуха сопровождается влиянием на здоровье населения. Реальная опасность для здоровья определяется следующими факторами:
1. Высокий уровень существующего загрязнения и продолжающееся увеличение выбросов в атмосферу.
2. Разнообразие загрязнений атмосферы. Здоровье человека, проживающего в промышленном центре, находится под угрозой многих тысяч веществ. Это приводит к потенцирующему и другим видам комбинированного воздействия.
3. Антропогенные загрязнения характеризуются необычностью воздействия на организм. Человек эволюционно формировался в относительно постоянном составе воздуха. В последние несколько сотен лет он сталкивается с условиями, изменяющими состава воздуха. Перед воздействием многочисленных ксенобиотиков человек беззащитен, так как раньше он не подвергался их воздействию.
4. Вещества, содержащиеся в воздухе, могут легко поступать в организм. Поверхность легких у взрослого около 100 м2. Установлено, что яд при ингаляционном поступлении действует в 80-100 раз сильнее по сравнению с его поступлением через желудочно-кишечный тракт. Около 80% профессиональных отравлений и 60% инфекционных заболеваний возникают аэрогенно.
5. От атмосферных загрязнений трудно защищаться. Человек не может перестать дышать или запасти чистый воздух. Загрязнение атмосферного воздуха действует универсально, круглосуточно, на все группы населения (старики, дети и др.).
6. Данный фактор действует постоянно, часто незаметно и медленно. Это ведет к недооценке опасности, люди плохо и с опозданием принимают меры по охране воздуха.
Уровень современных знаний о влиянии атмосферных загрязнений на здоровье человека позволяет сделать ориентировочное заключение об уровне здоровья в зависимости от состояния воздушной среды (Табл. 6).
Таблица 6.Ориентировочная шкала оценки здоровья населения в зависимости от стояния атмосферного воздуха.
| Кратность превышения ПДК атмосферных загрязнений. | Ожидаемое состояние здоровья |
| ≤ 1 | Отрицательные изменения в состоянии здоровья населения отсутствуют |
| 2-3 | Изменения в состоянии здоровья по некоторым функциональным показателям |
| 4-7 | Выраженные физиологические сдвиги |
| 8-10 | Рост специфической и неспецифической заболеваемости |
| до 100 | Острые отравления |
| 500 и > | Смертельные отравления |
Примером острого воздействия на человека атмосферных загрязнений может быть воздействие смога. В 1952 году в результате безветрия, наличия температурной инверсии в атмосфере и наличия многочисленных источников загрязнения атмосферного воздуха в Лондоне возник смог. Уровень загрязнения атмосферы пылью, сернистым газом, окислами азота значительно повысился. В результате двухнедельного смога уровень обычной смертности в городе был превышен на 4000 случаев. Смоговые ситуации повторяются во многих городах мира.
3 декабря 1984 г. ночь призошла авария на заводе межденародной фирмы «Юнион Карбайд» в г. Бхопале (Индия), которая производила пестициды на основе очень ядовитого соединения метилизоционата. Облако ядовитого газа накрыло большую территорию города. Официальные данные свидетельствуют, что на конец 1988 г в результате трагедии умерло 3150 человек, стали инвалидами более 20 тыс., пострадали с долговременными последствиями - более 200 тыс. человек. Компенсации были определены судом США в 500 млн. долларов. Плата за 1 умершего составила 1000 дол., а за заболевание чуть больше 100 дол.
Система мероприятий направленная на защиту атмосферного воздуха от загрязнения включает следующие группы:
- организационно законодательные (разработка и законодательное утверждение гигиенических регламентов, принятие законов по охране природы);
- планировочные (рациональная планировка городов с учетом розы ветров, зонирование территории населенных пунктов, зеленные насаждения, санитарно-защитные зоны);
- технологические (изменение технологических процессов с целью уменьшения выбросов в атмосферу – замена вредных веществ на безвредные, внедрение безотходных и малоотходных технологий и др.);
- санитарно-технические (применение герметизации процессов, строительство пыле- и газоулавливающих сооружений).
Вопросы для самоконтроля:
1. Атмосфера, ее строение и роль в биосфере.
2. Источники загрязнения атмосферы.
3. Экологические последствия загрязнения атмосферы, влияние на состояние здоровья человека.
4. Система мер предупреждения загрязнения атмосферы.
Гидросфера и человек
Гидросфера прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и литосферой и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. В более широком смысле в состав гидросферы включают подземные воды, лед и снег Арктики и Антарктики.
Таблица 7. Виды вод гидросферы
| Виды вод | Название | Объём, млн. км3 | Количество по отношению к общему объёму гидросферы, % |
| Морские воды | Морская | 1370 | 94 |
| Подземные (за исключением почвенной) воды | Грунтовая | 61,4 | 4 |
| Ледники | Лед | 24,0 | 2 |
| Поверхностные воды суши | Пресная | 0,5 | 0,04 |
| Атмосферные воды | Атмосферная | 0,015 | 0,001 |
| Воды, содержа-щиеся в живых организмах | Биологическая | 0,00005 | 0,00003 |
Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляет сложный круговорот воды на земном шаре. Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе, тем не менее, играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь источником водоснабжения, орошения и обводнения.
Значительные изменения в окружающей среде наблюдаются при проведении работ по орошению. Можно выделить основные виды изменений связанных с ирригацией:
- расширение возможностей для появления биотопов переносчиков;
- расширение площадей покрытых водой;
- повышение уровня стояния подземных вод;
- изменение скорости тока воды;
- изменение параметров микроклимата;
- засоление почвы.
Одним из видов наиболее прямого воздействия земледелия на состояние окружающей среды и здоровье человека является загрязнение грунтовых вод, водосборных бассейнов и наземных водоемов удобрениями, пестицидами и другими биоцидными субстанциями, отходами животноводства.
Взаимосвязь между состоянием водных ресурсов и здоровьем человека характеризуется следующими аспектами:
1. Недостаток водных ресурсов приводит к появлению трудностей развития (экономического, социального), что отражается на деятельности людей.
2. Увеличение потребления воды приводит к ухудшению её качества, а необходимо обеспечение населения доброкачественной водой.
3. Существует прямая связь между здоровьем и водой, особенно в отношении болезней, возникновение которых обусловлено нехваткой и низким качеством воды, неудовлетворительным состоянием систем удаления и обезвреживания сточных вод.
Нерациональное использование водных ресурсов планеты характеризуется резким опережением потребления и расхода воды над уровнем увеличения численности населения. В США забор воды составляет 2000 м3/год на 1 человека, а в бедных странах только 20-50 м3/год.
Антропогенная деятельность приводит к интенсивному загрязнению водных ресурсов планеты. Можно выделить 4 важнейших источника загрязнения водоемов;
1. Фекальные сточные воды населенных пунктов (канализация и неорганизованный сброс).
2. Промышленные стоки.
3. Поверхностный сток (ливневые, талые воды).
4. Сельскохозяйственные стоки.
От загрязнения страдают все океаны, но загрязненность прибрежных вод выше чем в открытом море, из-за намного большего числа источников загрязнения: от береговых промышленных установок до интенсивного движения морских судов. Кроме того, на шельфах ведутся работы по добыче нефти, что увеличивает риск розлива нефти и загрязнения.
В различных регионах удельный вес указанных источников загрязнения водоемов различен.
Среди инфекционных заболеваний, которые передаются через воду можно выделить следующие группы:
1. Болезни возникающие при попадании в желудочно-кишечный тракт (дизентерия, холера, брюшной тиф, вирусный гепатит А и др.).
2. Болезни, вызываемые паразитами, промежуточные формы которых обитают в воде (шистозомоз,
3. Болезни, передаваемые насекомыми, выплод которых происходит в воде (лихорадка Денге, малярия).
4. Болезни, связанные с дефицитом воды, невозможностью соблюдения личной гигиены (контактные инфекции, заболевания с фекально-оральным механизмом передачи).
В настоящее время 80% всех заболеваний в мире связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды и нарушением санитарных норм водоснабжения. Распространенность заболеваний, связанных с водой, очень велика (Табл. 8).
Таблица 8. Распространенность в мире заболеваний, связанных с водой
| Контингент | Гастроэнтерит | Трахома | Шистозоматоз | Малярия |
| Число людей, страдающих заболеваниями, млн. человек | 400 | 500 | 200 | 800 |
Загрязнение воды ксенобиотиками приводит к разнообразным массовым заболеваниям у людей. Болезнь Минамата – хроническое поражение нервной системы, вызванное метилртутью. Это заболевание обнаружено в районе бухты Минамата в Японии и официально было признано в 1968 г. Сточные воды от производства ацетальдегида, поступавшие в залив, содержали органическую ртуть. Данная субстанция накапливалась в живых водных организмах – ракообразных, рыбе, которую употребляло в пищу население, проживающее на берегах залива. Официально признано пострадавшими от болезни Минамата к 1990 г 2248 человек, из них 1004 к этому времени умерли.
При поступлении сточных вод загрязненным кадмием на рисовые поля зарегистрировано заболевание «итай-итай» (больно-больно) при котором поражается костная система.
Высокие уровни нитратов в питьевой воде могут приводить к серьезным (даже фатальным) последствиям у детей в возрасте до 6 лет. Нитраты восстанавливаются до нитритов, вступают в связь с гемоглобином, образуя метгемоглобин, который не переносит кислород из легких в ткани. В результате наступает выраженный цианоз (синдром «синюшного ребенка»), который может приводить к летальному исходу, если содержание метгемоглобина в крови превышает 20%.
Нитриты могут вызвать образование нитрозаминов и других активных канцерогенных веществ. Высказывается предположение, что долгосрочная экспозиция к нитритам может приводить к повышению частоты различных видов раковых заболеваний (например, рака желудка), однако эпидемиологические исследования еще не подтвердили этих предположений.
Недостаток или избыток в воде некоторых микроэлементов вызывает у человека разнообразные патологические процессы. Низкое содержание фтора в воде приводит к распространению кариеса, высокое – флюороза. Высокое содержание солей приводит увеличению распространения мочекаменной болезни, низкая минерализация способствует увеличению сердечно-сосудистых заболеваний.
Примерами экологических нарушений, связанных с хозяйственной деятельностью, могут быть глубокие нарушения на территориях и акваториях крупных бассейнов. Азовское море 50 лет назад было одним из самых продуктивных: с 1 км2 акватории вылавливали в год до 10 т рыбы, причем больше половины ценных и деликатесных видов. В 1952 г. Дон был перекрыт Цимлянской плотиной, а спустя 20 лет была зарегулирована Кубань. В низовьях обеих рек возникли мощные системы орошения, на Кубани – рисосеяние. Быстро нарастало применение пестицидов и развивалась промышленность Приазовья.
В результате оказался сильно нарушенным естественный режим Азовского моря: на 40% уменьшился материковый сток, в полтора раза возросла соленость, загрязнение бассейна сточными водами дренажных систем и промышленности многократно превысили рыбохозяйственные нормы, резко сократилась площадь нерестилищ, большое количество молоди рыбы стало гибнуть на водозаборах. Все это привело к деградации экосистемы Азовского моря. Его общая биопродуктивность уменьшилась в 3 раза, уловы сократились в 5-6 раз, а добыча наиболее ценных рыб в 20-30 раз. Приазовье стало крупным регионом, где пренебрежение состоянием экологических систем привело к большим экономическим потерям, которые полностью перекрывают продукцию агропромышленного комплекса региона.
Арал имеет еще более трагическую историю. В начале 60-х гг. был достигнут предел гидрологического равновесия бассейна. В это время озеро имело площадь 61 тыс. км2, объем 1000 км3, глубину до 65 м. Реки Сыр-Дарья и Аму-Дарья имели сток около 30 км3 воды в год. Море давало 35 тыс. т рыбы в год. С целью увеличения производства хлопка, орошаемые площади увеличились до 7,2 млн. га, а суммарный водозабор на орошение достиг 118 км3 в год. Арал стал быстро высыхать. Из-за избыточного обводнения и плохого дренажа происходило подтопление и засоление больших площадей. Их деградация усугубилась растущим применением пестицидов.
К концу 80-х годов Арал потерял 2/3 объема и 50% площади поверхности, уровень упал на 14 м, вода отступила от прежних берегов на десятки километров. Высохшее дно Аральского моря получило название новой пустыни – Арал-кум. Приморские в прошлом города Аральск, Муйнак, Казалинск, Усчай оказались в пустыне, люди их покинули. Произошло сильное обеднение фауны Приаралья: из 178 видов позвоночных осталось только 38.
Мероприятия по предотвращению загрязнения водоемов включают:
1. Организационно законодательные (разработка законодательства по охране водоемов, обоснование и утверждение гигиенических регламентов).
2. Технологические (изменение технологии, применение замкнутых оборотных циклов)
3. Санитарно-технические (применение различных систем очистки сточных вод – механической, биологической, обеззараживания, физико-химических).
4. Вспомогательные (регулирование сброса сточных вод в водоемы).
Вопросы для самоконтроля:
1. Гидросфера, ее строение и роль в биосфере.
2. Источники загрязнения гидросферы.
3. Экологические последствия загрязнения гидросферы, влияние на состояние здоровья человека.
4. Система мер предупреждения загрязнения гидросферы.
Литосфера и человек
Литосфера – внешняя сфера «твердой» оболочки Земли, включающая земную кору и верхний слой мании. Наиболее значимым для биосферы является почвенный слой. Почва природное образование, состоящее из эволюционно связанных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоев земной коры под воздействием климатических факторов (воды, температуры, солнечной радиации, воздуха) и живых организмов.
Свойства почвы определяют само существование высших и низших растений, многих животных, образование и распространение сообществ. Жизненно необходимый обмен минеральными веществами между биосферой и неорганическим миром происходит именно в почве. Основные свойства почвы как экологической среды – это ее физическая структура, механический, химический состав, рН, окислительно-восстановительные условия, содержание органических веществ, аэрация, влагоемкость и увлажненность. Различные сочетания этих свойств образуют множество разновидностей почв и разнообразие почвенных условий – эдафических факторов. На Земле по распространенности ведущее положение занимают четыре типологические группы почв:
1. почвы влажных тропиков и субтропиков, преимущественно красноземы и желтоземы, для которых характерно богатство минерального состава и большая подвижность органики (площадь более 32 млн. км2);
2. плодородные почвы саванн и степей – черноземы, каштановые и коричневые почвы с мощным гумусовым слоем (площадь более 32 млн. км2);
3. скудные и крайне неустойчивые почвы пустынь и полупустынь, относящиеся к разным климатическим зонам (площадь более 30 млн. км2);
4. Относительно бедные почвы лесов умеренного пояса – подзолистые, бурые и серые лесные почвы (площадь более 20 млн. км2).
Процессы почвообразования при первичных сукцессиях начинаются с физического и химического выветривания и разрыхления материнских пород – известняков, гранитов, базальтов, песчаников, глин. Слой выветривания постепенно заселяется микроорганизмами, растениями и животными, которые значительно ускоряют преобразование субстрата и обогащают его органическими веществами. Процесс распространяется от поверхности к более глубоким слоям земли. Поэтому большинство почв имеют более или менее выраженный слоистый почвенный профиль, разделяемый на почвенные горизонты.
При вертикальном разрезе почвы можно увидеть несколько слоев или горизонтов. Последовательность этих горизонтов называется почвенным профилем. Верхний или пахотный слой почвы содержит корни растений, грибы, микроорганизмы, множество различных почвенных насекомых и животных. В этом горизонте происходит основной круговорот органического вещества. Весь органический материал из различных трофических уровней утилизируется и распадается здесь до гумуса, а в конечном итоге до минеральных соединений.
Гумус продукт жизнедеятельности почвенных организмов, состоит из легнина, клетчатки, протеиновых комплексов и других органических соединений. Гуминовые кислоты, которые входят в состав гумуса, представляют собой высокомолекулярные соединения, образовавшиеся из продуктов распада лигнина, клетчатки, белков, жиров и углеводов. Гумус способствует сохранению воды в почве и поддержанию ее в рыхлом состоянии. Это соединение постепенно минерализуясь, обеспечивает плодородие почвы.
Подпочва, расположенная под верхним слоем, содержит неорганические соединения, которые образовались в результате разложения органических веществ.
Третий слой почвы – материнская порода, на основе которой образовалась почва. Этот слой состоит из глины, песка, ила и включает соли кальция, магния, алюминия и другие элементы.
Типы почв различаются определенными комбинациями почвенных горизонтов и элементов. В зависимости от соотношения песка и глины все почвы делятся на песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые.
Почвенная вода и воздух определяют пористость, воздухо- и водопроницаемость, влагоемкость, капиллярность, тепловой режим почвы.
Структура почвы зависит от взаиморасположения твердых минеральных и органических компонентов и степени заполнения пор воздухом и водой. Различают следующие структурные типы почвы: сыпучую, связанную (агрегатную), трещиноватую, комковатую.
Решающую роль в образовании почвы играют растения и комплекс почвенных организмов – эдафон. В его составе, например в почве смешанного леса, около 50% бактерий и актиномицетов, 25% грибов, 13% червей, остальные микро-, мезо- и макрофауна (от микроклещей и личинок насекомых до роющих млекопитающих) – 12%. Эдафон составляет 4-7% всей органики такой почвы и вместе с корнями растений (7-11%) участвует в образовании почвенного детрита – мертвого органического вещества (80-90% всей органики почвы). В разных почвах это соотношение широко варьирует, в целом в них содержится 3-6% (до 10%) органического вещества. На одном гектаре плодородной земли почвы может содержать до 10 т живой биомассы, в том числе 1 т червей.
Детритофаги почвы (черви и личинки насекомых) поглощают вместе с растительными остатками и минеральные частицы почвы, т.е. по существу питаются землей. Они пропускают через свой пищеварительный канал огромную массу почвы, наиболее ценные компоненты которой почти целиком состоят из их испражнений. На гектаре плодородной земли дождевые черви перерабатывают таким образом за год до 50 т и более почвы. Они придают почве мелкокомковатую структуру и вместе с другими почвенными животными разрыхляют ее, улучшают аэрацию и влагоемкость.
Значение почвы для человека определяется главным образом хозяйственной деятельностью человека. Обрабатывая почву для выращивания растений, человек уничтожает леса, изменяет её структуру, изменяет химический состав, внося в качестве удобрений и средств защиты растений органические и неорганические вещества. Влияя на почвенные процессы, человечество изменяет почву, от характера которой зависят условия жизни, питания и хозяйственной деятельности человека.
Почва во многом определяет количество и состав продуктов питания. Наличие естественных макро- и микроэлементов в почве и различных экзогенных химических веществ, поступающих в нее в результате хозяйственной деятельности человека, определяет с одной стороны, плодородие почвы и питательность сельскохозяйственных культур, с другой – возможность возникновения болезней растений, животных и человека при отсутствии, недостатке или избытке некоторых микроэлементов, в том числе экзогенных химических веществ.
Почва является элементом биосферы, обеспечивающих циркуляцию химических веществ между различными средами и в системе окружающая среда-человек. Это относится не только к природным химическим соединениям, но и к веществам, поступающим с антропогенными загрязнениями. В зависимости от состава почвы формируется состав подземных и поверхностных вод. Почва оказывает влияние на состав атмосферного воздуха и может загрязнять его пылью, микроорганизмами и вредными химическими веществами. Химические соединения, содержащиеся в почве, поступают в растения, могут накапливаться в них, а затем по пищевым цепям поступать в организм животных и человека.
Почва имеет важное эпидемиологическое значение, т.к. может служить фактором передачи возбудителей кишечных инфекций (дизентерия, брюшной тиф и др.) и геогельминтов (аскариды), инфекций дыхательных путей (туберкулез, Ку-лихорадка и др.). Почва является средой созревания геогельминтов, в ней могут длительное время сохраняться споровые формы возбудителей столбняка, газовой гангрены, сибирской язвы.
Почва обладает способностью к самоочищению, т.е. способностью с помощью различных живых организмов (редуцентов) разлагать органические вещества, поступающие в нее извне, до минеральных веществ, синтезировать сложные гуминовые вещества и обезвреживать попадающих в нее гельминтов, патогенные бактерии и простейших.
В минеральный состав почвы в большем или меньшем количестве практически все элементы. Это обусловливает изменение состава почвенной воды и многих растений, что сказывается на поступлении минеральных веществ в животный организм. Обеспеченность организма человека минеральными веществами обусловлена их содержанием в почве, воде и пищевых продуктах, их соотношении и усвояемости. Большая часть микроэлементов поступают в организм людей с пищевыми продуктами растительного происхождения.
В зависимости от поведения в живых системах, 9 микроэлементов (железо, йод, медь, хром, кобальт, молибден, марганец, цинк, селен) признаны эссенциальными (жизненно необходимыми). При их недостаточном поступлении в организм возникают различные патологические процессы. К условно эссенциальным относятся фтор, никель, ванадий, мышьяк, кремний, литий, бор, бром. В группу токсичных элементов входят алюминий, ртуть, кадмий, свинец, бериллий, барий, висмут, таллий и др. В значительных количествах большинство химических элементов становится токсичными, ведут к функциональным нарушениям, патологическим процессам и смерти.
Разнообразие ландшафтов и географических зон определяют особенности круговорота и накопления химических элементов в почве. Это обстоятельство положено в основу учения о биогеохимических провинциях – неравномерности распределения химических элементов в соответствии с особенностями геологических и почвообразовательных факторов. В одних районах мало некоторых микроэлементов, в других, наоборот, отмечается их высокое содержание. Дефицит, избыток или дисбаланс содержания микроэлементов могут приводить к развитию специфических заболеваний (геохимических эндемий).
В настоящее время хорошо изучено эндемическое заболевание, вызванное недостаточным содержанием йода в почве – эндемический зоб. Суточная потребность организма человека в йоде составляет около 100 мкг. Основным источником йода являются продукты питания. При его недостаточном содержании в почве, йода мало содержится в растениях и продуктах животного происхождения произведенных в данном районе. Йод необходим для обеспечения функции щитовидной железы и его недостаток приводит к возникновению тиреотоксикоза – эндемического зоба. В настоящее время появляются данные о широком воздействии менее тяжелых форм недостаточности йода на физическое и умственное развитие детей, а так же на работоспособность взрослых. Этим заболевание поражено около 1 млрд. человек в более чем 80 странах мира. Недостаточность йода широко распространена в Адах, Альпах, бассейне Великих Американских озер и в Гималаях.
Высокое содержание молибдена в почве вызывает молибденоз (эндемическую подагру), свинца – поражение нервной системы, стронция – хондро- и остеодитрофию, бора - бористые энтериты.
При высоком содержании селена наблюдается селеновый токсикоз, типичными симптомами которого являются поражение ногтей и выпадение волос.
Интенсивное антропогенное воздействие на почву сопровождается ее массовой деградацией. В мире интенсивной эрозией охвачены 900 млн. га из 6 млрд. га обрабатываемых. За последние 30 лет потеряно 150 млн. га плодородных земель. Массовое применение минеральных удобрений истощает биопотенциал почв и загрязняет их тяжелыми металлами.
Особую тревогу вызывает перемещение отходов между разными странами. Возрастающие трудности, связанные с хранением опасных отходов в развитых странах мира, привели к тому, что эти отходы широко транспортируются в развивающиеся, бедные страны, и данный процесс до настоящего времени еще не регулируется в международном масштабе. Ряд промышленных предприятий находящихся под влиянием строгих национальных правил и отрицательного отношения населения к хранению таких отходов в собственной стране, транспортируют эти отходы в ненадежные и плохо охраняемые места их накопления за рубежом, выплачивая за это лишь часть суммы, которую им пришлось бы затрачивать, если бы они выбрали другие методы решения этой проблемы.
Санитарная охрана почвы представляет собой комплекс мероприятий, имеющие целью предупреждение и устранение таких изменений состава и свойств почвы, которые могут оказать вредное влияние на самочувствие и здоровье людей.
Основные задачи санитарной охраны почвы:
- Сохранение естественных свойств почвы, важных с точки зрения её плодородия и содержания микроэлементов. Мелиорация почвы, регулирование воздушно-влажностного режима, орошение и борьба с заболоченностью. Озеленение, благоустройство зеленых насаждений.
- Предупреждение внесения в почву токсичных, канцерогенных веществ с промышленными выбросами и отходами, пестицидами.
- предотвращение загрязнения почв твердыми и жидкими бытовыми отходами, рациональная очистка и канализование населенных мест.
Вопросы для самоконтроля:
1. Литосфера, ее строение и роль в биосфере.
2. Источники загрязнения литосферы.
3. Экологические последствия загрязнения литосферы, влияние на состояние здоровья человека.
4. Система мер предупреждения загрязнения литосферы.
Дата: 2019-02-25, просмотров: 256.
