takya.ru страница 1страница 2 ... страница 9страница 10
скачать файл
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное образовательное учереждение высшего профессионального образования
КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра органической, физической и коллоидной химии


ИЗБРАННЫЕ ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ ХИМИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИИ

(УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ)

Краснодар, 2009
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное образовательное учереждение высшего профессионального образования
КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра органической, физической и коллоидной химии


ИЗБРАННЫЕ ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ ХИМИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИИ

(УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ)
(Допущено Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качесве учебного пособия для студентов агрономических специальностей сельскохозяйственных вузов)

Краснодар, 2009

Составители :проф., д.х.н. В.Н. Заплишный

доцент Н.Я.Губанова

доцент, к.х.н. В.С. Заводнов
Под общей редакцией д.х.н.,проф. С.П.Доценко
Рецензенты:д.б.н., профессор, зав.кафедрой прикладной экологии КубГАУ В.В.Стрельников;

д.б.н.,профессор кафедры генетики, микробиологии и биотехнологии КГУ С.Н.Щеглов.

Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры органической и физколлоидной химии Кубанскуого госагроуниверситета ( протокол № 8 от 23.06.2009г) и на заседании методического Совета факультета агрохимии, агропочвоведения и защиты растений ( протокол №6 от 29.06. 2009г)


В пособии приведены избранные лекции по актуальным темам относительно новой для аграрного профиля вузов дисциплины- химической экологии. Такие важные для студентов аграрных вузов темы, как: термодинамика, супертоксиканты-диоксины, стерины, стероиды, пестициды, боевые отравляющие промышленные вещества, антибиотики рассмотрены с точки зрения характеристики их пространственого строения, экологии и возможности их реального влияния на нарушение экологического равновесия на региональные экосистемы и биоту в целом. Можно также рекомендовать в качестве дополнения и для студентов биологических специальностей других вузов.

Т Е М А 1

Термодинамика экосистем
Введение в теорию открытых систем

Вторую половину XX века по праву считают новой эрой в науке — эрой биологии. Если рассмотреть наихарактерные и универсальные признаки живой природы, то они заключаются, во-первых, в том, что все живое на Земле расходует энергию с достаточно высокой степенью эффективности, а во-вторых - для живого организма характерны все признаки самоорганизующейся системы.

Древние философы считали, что вещь не существует, пока она не названа. В этом смысле определение понятия системы существует с 1929 года, когда бельгийский физик Р.Дефей предложил все известные материальные системы клас­сифицировать по характерным особенностям их связи с внешней средой. Исходя из предложенной классификации, он назвал изолированными такие системы, которые полностью обособлены от окружающего мира (например, вулкан в состоянии покоя). Закрытыми называл системы, имеющие с внешней средой только лишь энергетический обмен (например, светящаяся электрическая лампочка или живой светлячок). И, наконец, к открытым относил системы, обменивающиеся с внешней средой и энергией и веществом (вулкан в стадии извержения или функционирующий живой организм). Этот, на первый взгляд сугубо терминологический шаг, оказался для развития термодинамики -принципиальным.

Конечно же, открытые системы существовали и до Дефея. Окружающий мир с момента зарождения состоял из того, что просто существует без движения (камень, стол, забор...) и из того, что существует за счет движения (волна, ветер, река...). К последним и относится все живое (в т.ч. и биота - совокупность растительных и животных организмов, объединенных общей территорией их распространения), поскольку, как известно: «Жизнь - это движение».

Одним из первых биологов, кого привлекла концепция открытых систем, был австрийский ученый Людвиг фон Берталанфи. В начале 30-х годов прошлого века он создал новое научное направление, получившее название «общей теории систем». Правда, еще в 1913 году в России (а в 20-х годах в Германии) была издана книга А.А. Богданова «Всеобщая информационная наука» с аналогичными взглядами, но прямых ссылок на нее у Берталанфи, к сожалению, нет.

Один из соратников Берталанфи - экономист К. Боулдинг попытался дать первую классификацию типов существующих систем, где последние расположены по возрастающей, в зависимости от степени сложности взаимосвязей и организации. В его представлении она выглядела следующим образом:

статистические системы => простые динамические системы => простые кибернетические системы => открытые системы=> царство растений => царство животных => человек => социальные организации.

При этом даже он, экономист, понимал, что открытые системы служат рубежом, отделяющим живое от неживого. Вместе с тем, между жизнью биологической и жизнью «технической» всех других открытых систем есть, как известно, кардинальное отличие. Начиная жить, все живое непрестанно удлиняет свое прошлое и сокращает будущее. Все открытые системы и, в частности, все живое существуют до тех пор, пока функционируют. Но лишь для жизни биологических систем конец функционирования означает и полное исчезновение. В технике же (неживая материя) открытые системы могут неоднократно переходить из состояния активной «жизни» в неактивное состояние «энергетической смерти» и обратно.

Первоначально исследования открытых систем проводились в рамках классической термодинамики Карно, такими известными учеными физиками, как Клаузиус, Больцман и Гиббс. Однако развиваемые ими представления оказались несовершенным инструментом для изучения открытых систем. Появилась настоятельная необходимость в новой методологии. Так были заложены основы термодинамики необратимых процессов для изучения собственно открытых систем. Существенный вклад в это направление внес и наш соотечественник И.Р. Пригожий - автор фундаментальных работ по неравновесной термодинамике. Теория открытых систем сыграла большую роль в понимании физической сущности биоэнергетических процессов, которые трудно объяснимы с точки зрения термодинамического равновесия.

Основные законы химической термодинамики

Как известно, движение является неотъемлемым свойством материи, это форма ее существования. Движение материи проявляется в разных физических и биологических формах, качественно отличающихся друг от друга, но взаимосвязанных между собой и превращающихся друг в друга.

Мерой движения является энергия. Внутренняя энергия () системы есть сумма потенциальной энергии взаимодействия всех частиц тела между собой (включая электроны) и кинетической энергии их движения. Абсолютная величина внутренней энергии тела неизвестна, так как до сих пор неизвестна величина энтропии (S), однако для применения законов химической термодинамики к изучению химических явлений достаточно знать только изменение внутренней энергии () системы при переходе из одного состояния в другое.

Во многих процессах передача внутренней энергии может осуществляться частично в виде теплоты (Q), а частично в виде выполненной работы (А). Таким образом, физические понятия теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи энергии от одного тела к другому, от одного организма к другому.

Взаимосвязь между внутренней энергией, теплотой и выполненной работой устанавливает первое начало термодина­мики. Постулат, вытекающий из многовекового практического опыта человечества, связанный законом сохранения энергии, гласит: энергия никуда не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую в строго эквивалентных количествах. Математически это выражают так:



Q = ∆U+A (1)

При этом величиныU ,Q и А могут иметь как положительное, так и отрицательное значения в зависимости от характера изучаемого процесса. Если, например, все три величины отрицательны, то это означает, что отданная системой внешней среде теплота равна убыли внутренней энергии плюс выполненная системой работа. Для различного характера процессов, протекающих в системах, вышеприведенное уравнение 1 можно записать следующим образом:

при P=const - Qp=∆U+p∆V=∆H

при V=const - Qv=∆U

при T=const - QT=∆U+RTlnV1/V2 или

QT=∆U+RTlnP1/P2
Первое начало термодинамики позволяет решить многие практические вопросы, связанные с количественным определением теплоты и работы в различных физических, химических и биохимических процессах и в различных типах систем. Различают процессы обратимые и необратимые. К необратимым относят такие процессы, после протекания которых систему и окружающую среду нельзя одновременно вернуть в исходное состояние. Все биологические процессы - всегда необратимы и, следовательно, в биологических системах, стремящихся к максимальной энтропии ^происходит выравнивание интенсивных параметров, т.е. осуществляется более равномерное распределение энергии и вещества. Эти процессы называют диссипацией (рассеиванием) энергии. Необратимые процессысвязаны с передачей теплоты или беспорядочным движением молекул и протекают в направлении, которое приближает систему к состоянию равновесия.

Энергетические процессы у высших организмов развиваются в экзотермических условиях, когда вся теплота не может переходить в работу, поэтому известная часть энергии биосистемы должна быть связанной - о чем говорит второе начало термодинамики. Однако, известно, что: «никакая совокупность процессов не может сводиться только к превращению теплоты в работу, тогда как превращение работы в теплоту может быть единственным результатом процессов» (Томпсон).

Второе начало термодинамики - это общий закон природы, действие которого распространяется на самые разные системы. Оно носит статистический характер и применимо только к системам из бесконечно большого числа частиц, т.е. к системам, поведение которых подчиняется законам статистики. Из второго начала термодинамики следует вывод о существовании у термо­динамических систем новой функции состояния -энтропии , имеющей размерность [кДж /град]. Она представляет собой тепловую энергию, рассеянную при определенной температуре или сумму энергетических потерь, приходящихся на градус в данном температурном интервале. Энтропия - это мера беспорядка системы и для необратимых процессов она равна:

dS > δQ/T (2)

Интересно, что взаимосвязь между энтропией и вероятностью описывается математическим уравнением вида:



S=AlnW + B (3)

где А и В - постоянные, W- вероятность события.

Это уравнение помогает оценить также и вероятность ожидаемого биологического процесса.

Если известно изменение энтропии системы и ее внешней среды, то возможно предсказание самопроизвольно протекающих процессов. Другими словами для этого мы должны измерить и соотнести значения Sсистемы (∆SС) и S внешней среды (∆S cр).

С учетом вышесказанного становится вполне очевидным, что если для данной системы сумма SС+S ср=0, то система находится в состоянии равновесия; если же сумма SС+S ср >0, то превращение может протекать даже самопроизвольно без дополнительного расходования энергии; если же SС-S ср< 0, то самопроизвольно процесс вообще не может протекать.

В то же время, несмотря на то, что знание функции энтропии чрезвычайно полезно при решении вопроса возможности протекания процессов, практические трудности, связанные с экспериментальным измерением обратимых изменений в системе и внешней среде, делают ее использование в высшей степени неудобным. Например, растения и животные самопроизвольно развиваются в весьма сложно организованные структуры, что казалось бы, противоречит второму началу термодинамики и самому понятию энтропии. Однако, не следует забывать, что все живые организмы - системы самоорганизующиеся и по мере роста земных организмов, беспорядок (энтропия) таких систем все время уменьшается. Это кажущееся противоречие нивелируется беспрестанным расходом огромного количества внутренней энергии живых биосистем.

По-видимому, всем известно, что такая открытая система как Солнце, первичный источник почти всей энергии на Земле, самопроизвольно, беспрерывно и расточительно расходует себя (и энергию и вещество). Только мизерная часть энергии Солнца улавливается биосферой Земли и утилизируется, а остальная, большая часть, попавшей на Землю энергии рассеивается в далекие области Вселенной, где она практически навсегда теряется для нас. Какие именно изменения во внешней среде (Вселенной) вызывает эта рассеянная энергия мы, пока еще, не знаем.

Всякие естественные процессы сопровождаются возрастанием энтропии Вселенной, что соответствует запасанию энергии при все более низких температурах, таким образом можно сказать, что естественные процессы характеризуются понижением качества энергии. Любое действие ведет к понижению качества энтропии Вселенной. Поскольку в промышленном развитом (урбанизованном) обществе процесс использования природных ресурсов стремительно растет, то и общая энтропия Вселенной также беспрерывно возрастает. Если бы возбуждения атомов переносились целенаправленно, то система могла бы вернуться в прошлое, но они происходят беспорядочно, а хаос не может преодолеть хаос - разве что по закону случайных чисел.

Как уже отмечалось ранее, энергия реальной Вселенной способна рассеиваться столь многочисленными способами, что при этом могут возникать и образовываться самые необычные структуры, тогда как Вселенная в целом необратимо движется к достижению максимальной энтропии и состоянию равновесия. Но необратимость естественных изменений определяется не строго механической, а скорее вероятностной детерминированностью; вот почему, при этом всегда остается некая лазейка для разного рода околонаучных "чудес".

Из вышесказанного следует, что использование функции энтропии в качестве единственного критерия само­произвольности процесса часто становится некорректным и абсолютно невозможным, поскольку для этого необходимо учесть еще и изменения, происходящие во внешней (окружающей изучаемую систему) среде.

Еще первые исследователи в области термодинамики
обнаружили и другие термодинамические функции, которые при
некоторых небольших ограничениях могут служить критерием
самопроизвольности происходящих в системах превращений.
Самой полезной из них оказалась свободная энергия (предложенная Дж. Уилордом Гиббсом) - полезная часть внутренней энергии, которая способна произвести работу. Свободная энергия Гиббса (G) согласно этому определению математически выражется так::

G = Н-Т·S (4).

Приращение (изменение) же свободной энергии системы в изотермических условиях (при T=const) будет равняться:

G=∆H-TS (5).

Отсюда следует, что приращение свободной энергии зависит от суммы приращений энтальпии (∆Н) и энтропии (S). В биологических же системах, где благодаря саморегуляции, обычно постоянны и давление и объем, можно записать, что ∆Н = ∆U. Отсюда следует, что как уменьшение энтальпии (внутренней энергии), так и увеличение энтропии безусловно способствуют уменьшению величины свободной энергии данной системы, от чего и зависит возможность самопроизвольного протекания реакции (процесса) в данном направлении.

Определенная таким образом свободная энергия является функцией, которую естественно можно использовать в расчетах состояния изотермических и изобарических биологических систем при T и Р - const. При этом, нужно помнить, что если для данной системы G < 0, то реакция (процесс) может протекать самопроизвольно; если же G > О, то реакция (процесс) вообще не идет; если же G = 0, то система находится в равновесии и вообще не может ни приобретать, ни терять свободную энергию.

Понятно также, что если уменьшается свободная энергия, то совершается работа; ее принято называть полезной работой. Она может быть химической, электрической, фотохимической, осмотической. Однако, для того, чтобы система совершила работу, необходимо наличие градиента (теплового, электрического, концентрационного или любого др.).



Термодинамика открытых систем.

Одним из общих и фундаментальных свойств материи ( в том числе и живой) является самоорганизация ее в форме различных более или менее упорядоченных фаз. Эти фазы известны и реально существуют не только для воды при разных температурах (лед-жидкость-пар). Переход между агрегатными состояниями не исчерпывает бесконечного многообразия форм упорядоченности. Даже для воды, как известно, существует далеко не одна форма кристаллического состояния ее - вплоть до «горячего» льда. Полимеры, а особенно – биополимеры (например, белки и углеводы), могут, пребывая в одной твердой фазе, находиться в различных состояниях, которые характеризуются степенью упорядоченности: это могут быть как спутанные хаотически клубки, так и фибриллы или глобулы, или даже жидкокристаллические образования.

В живых системах вопрос о работе, сопровождающейся изменением свободной энергии, имеет особо важное значение. Известно, что и растительные, и животные клетки и организмы беспрестанно совершают механическую работу, собственно и необходимую им для поддержания их жизни, однако, чаще всего, за счет собственных (внутренних) источников энергии, а не за счет поглощения тепла из внешней среды.

В случае же самоорганизующихся теплокровных животных (млекопитающих) совершение работы при постоянной температуре ( в изотермических условиях) за счет поглощения тепла вообще запрещено вторым началом термодинамики. Выполняемая же живой клеткой или организмом в целом полезная работа зависит от величины химической энергии, которую она, в свою очередь, получает из энергии расщепления поглощенных ею питательных веществ. Следовательно, такой вид работы осуществляется за счет изменения свободной энергии - ДО всей живой системы. Иллюстрируются эти рассуждения при помощи нижеприведенного рисунка, где приведены разные виды возможной полезной работы, характерные для разного уровня организации живых биологических систем (организмов).



Рисунок 1. Некоторые результаты полезной работы (∆G) в живых биологических системах. А. - светлячок излучает свет для привлечения полового партнера; Б. - электрический угорь убивает врагов-хищников электрическим разрядом; В. - почки животных концентрируют растворенные вещества против градиента концентрации; Г. - сила мышечнолго сокращения предвигает тяжелый груз.

Таким образом, процессы жизнедеятельности живых организмов регулируются за счет полезной работы, энергия для выполнения которой может быть получена при протекании огромного количества разнообразных биохимических реакциий.

Как уже отмечалось, с термодинамических позиций живая природа от клетки до биосферы являет собой пример открытой, неравновесной системы. Вихрь метаболических превращений осуществляет непрерывный обмен веществ между организмом и внешней средой. Для живого характерны упорядоченности двух типов: статическая в виде сложно организованных молекул и надмолекулярных структур, а также динамическая как результат организованной последовательности биологических процессов. Им присуща неразрывная слитность, но, в то же время, необходимо фиксировать и их различие.

Человек многообразнее и гораздо интенсивнее других организмов, использует доступные ему потоки химической, биологической и др. энергии из внешней среды. Одноклеточные же организмы в благоприятных условиях окружающей среды виртуозно наращивают свою биомассу и размножаются с фантастической скоростью. Однако, процессы эволюционного совершенствования организмов можно охарактеризовать и с точки зрения принципа интенсивности их развития, т.е. критерием прогресса следует считать отношение общего количества потребляемой организмами энергии к той ее доле , которая идет на нужды самые примитивные - наращивание и поддержание биомассы.

У микроорганизмов этот показатель невелик и находится в
пределах 1,7 -2,3. Насекомые же, тратящие уйму сил и энергии
на поиск пищи, маскировку, сигнализацию, и др.,характеризуются более солидным коэффициентом, равным 7 -10. У млекопитающих его величина достигает 50 и даже ( у некоторых высокоорганизованных видов) до 100.

Функционирование живых, упорядоченных структур, в том числе и динамики фаз, невозможно без существования процессов обмена и переносчиков информации как внутри организмов, так и между ними. Передача информации всегда связана с затратами и переносом энергии и массы. Носителями информации могут быть фотоны и электроны, а в предельно усложненных формах специальные органические молекулы: нуклеиновые кислоты, гормоны, очень часто феромоны и другие «информеры». Чем выше организованность живого приемника и источника! информации, тем сложнее должен быть построен и переносчик информации.

Из вышеизложенного, вполне очевидно, что рассмотренные! законы термодинамического равновесия, сформулированные для закрытых систем, внутри которых происходит обмен только энергией, а также и для изолированных систем, в которых вообще нет обмена ни энергией, ни веществом, вообще невозможно применить к биологическим системам и процессам .

Вот почему, основополагающие термодинамические уравнения, 1 вышеописанные нами для закрытых систем, должны быть модифицированы, посколько в них необходимо дополнительно ввести члены, которые по крайней мере отражают изменения массы живой системы.

С учетом этого, дифференциальные уравнения для термодинамических функций величин U, Н и G будут иметь следующий вид:

dU=TdS-PdV+µ1dn1+ µ2dn2+ µ3dn3+ … (6)

dH=TdS+PdV+µ1dn1+ µ2dn2+ µ3dn3+ … (7)

dG=-TdS+PdV+ µ 1dn1+ µ2dn2+ µ3dn3+ … (8)

где µ-химический потенциал, а п – число молей соответствующего компонента.

Из вышеприведенных уравнений 6-8 следует, что в зависимости от того, какие величины остаются постоянными, химический потенциал может представлять собой либо парциальную молярную внутреннюю энергию, либо энтальпию, или же свободную энергию системы.

Неравновесное же состояние биологических систем за счет поступления свободной энергии извне непрерывно поддерживается различными градиентами (температурными, диффузными, концентрационными и др.), что и позволяет живым клеткам сохранять свою жизне- и работоспособность.

Наиболее фундаментальным свойством живого является гомеостаз динамическое постоянство внутренней среды организма, поддерживаемое в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. Особенно четко внутренние границы гомеостаза выражены в виде параметров, определяющих функциональную активность ферментов, что является обязательным условием осуществления мета­болических процессов в клетках и тканях. Внутри экосистем гомеостаз характеризует способность биологической системы сохранить основные параметры в определенных пределах на неизменном уровне. В случае биологических систем основной их силой и величиной энергообеспеченности является химическая активность. Эти силы вызывают появление потоков. Наиболее важным в химических и биологических системах является поток диффузии вещества, вызываемый протеканием химических реакций. Химический потенциал, определяющий скорость реакции, снижая концентрацию потребляемого ею вещества во внутренней среде, вызывает появление диффузионного градиента и диффузного потока вещества из внешней среды. В то же время диффузный поток, питающий реакцию, влияет на скорость химической реакции внутри системы и обеспечивает возникновение| противоположно направленного потока веществ-одтодов.

Это означает, что в открытых системах одновременно! происходит тесное взаимодействие многих сил и потоков.) Например, химические силы вызывают не только поток диффузии вещества клетки, но одновременно создают поток тепла и| обратный поток энергетически деградированных продуктов реакции. Реакции окисления в живых клетках снижают концентрацию в них кислорода и создают приток кислорода в клетках; одновременно эта же сила создает диффузный отток углекислоты из клетки наружу, поток тепла и целый ряд других] потоков, связанных с окислением промежуточных продуктов.

Вполне естественно, что биологические системы должны! совершенствоваться в направлении наиболее экономного расходования свободной энергии для поддержания стационарного состояния, т.е не производить изменении энтропии в те периоды, когда организм выполняет минимальную работу. В открытых системах, вследствие поступления энергетически емких веществ из внешней среды, скорость химических реакций может в стационарных условиях удерживаться на одном уровне так же, как и концентрации участвующих в них! веществ, и поэтому сила химического сродства биосистем сохраняется все время постоянной.

Клетки живых организмов способны сохранять сложную порядоченность своей хрупкой структуры благодаря непрерывному потреблению энергии. Как только поступление энергии прекращается, сложная структура клетки распадается и она переходит в неупорядоченное и лишенное организации состояние. Кроме поддержания целостности клетки, поступающая энергия обеспечивает осуществление разнообразных механических, электрических, химических, осмотических процессов, связанных с жизнедеятельностью организма.

Превращение энергии в живой клетке подчиняется законам термодинамики. Согласно ее второму закону, энергия может существовать в двух формах: полезной и рассеиваемой. При любом физическом изменении наблюдается тенденция к рассеиванию энергии, к уменьшению количества полезной энергии, а также к возрастанию энтропии - степени разупорядоченности системы. Поэтому живая клетка нуждается в постоянном притоке свободной (полезной) энергии. Эту энергию клетка получает за счет запаса энергии химических связей органических веществ. Сложен и многообразен путь энергетического обмена в организме. Так, даже, в казалось бы, такой простой реакции как биохимическое превращение глюкозы в молочную кислоту по известной схеме:

С6Н12О6 → 2СН3-СНОН-СООН

необходимо последовательное действие на глюкозу одиннадцати ферментов и пяти присущих им коферментов или кофакторов. В ходе этого превращения образуется десять промежуточных органических соединений-метаболитов, девять из которых соединены с одной или двумя молекулами фосфата. Основными центрами образования энергии в клетках являются митохондрии, которые часто называют силовыми станциями. Клетки животного организма относятся к гетеротрофным, т.е. они могут существовать только в тех случаях, если получают питательные высокомолекулярные вещества, в которых аккумулирована солнечная энергия. Гетеротрофные клетки используют эту энергию для выполнения своих биологических функций и выделяют в качестве конечных продуктов углекислый газ и воду. К основным процессам в живых биосистемах, требующим дополнительных затрат энергии относят:



  • - биосинтез более сложных молекул из относительно простых, происходящий в среде, термодинамическинеблагоприятной для синтеза (образование гликогена из)глюкозы);

  • - выполнение механической работы (сокращениемышц);

  • - накопление веществ или их активный перенос против градиента химического потенциала;

  • - процессы проведения или передачи нервного импульса;

  • - биолюминесценция.

Превращения энергии в живых системах подчиняются тем же! законам термодинамики, которые действуют в неживой природе, т.е. переход одного вида энергии в другой в условиях замкнутой системы и использование свободной или полезной энергии для осуществления жизненно необходимых процессов. В клетках! животных совершаются процессы превращения и распределения этой энергии для нужд живого организма. Совокупность всех этих! процессов и называется обменом веществ или метаболизмом} Последний сопровождается распадом веществ, которые используются двояко: как источник энергии и как источник! углеродных скелетов молекул, которые служат строительным материалом для различных более сложных процессов биосинтеза,протекающих в живых клетках.

Тепловой баланс в организме базируется на двух функциях -теплообразовании и теплоотдаче. Если теплопроизводство равняется теплоотдаче, температура животного будет постоянной. Изменение соотношения между величинами производства и отдачи тепла за определенный промежуток времени ведет к колебаниям температуры тела. Если образование тепла превышает теплоотдачу, температура тела поднимается, если теплоотдача данного организма превышает теплопродукцию - температура в организме неизбежно падает. Наглядная схема образования и рассеивания тепла в живых организмах представлена ниже.

Способность животных организмов поддерживать постоянную температуру тела, несмотря на внешние изменения и температуры и других факторов внешней среды, представляет собою уникальное и удивительное биологическое явление -сложный (подчиненный законам термодинамики) продукт длительной эволюции биоты и всей экосистемы планеты нашей.

Вообще же все животные организмы Земли делятся на пой-килотермные (с изменяющейся температурой тела) и гомойтермные (с постоянной температурой тела, не зависящей от состояния окружающей среды).

Существующие приспособления животных организмов к резким термоперепадам (высоким и низким температурам окружающей среды) позволяют осуществлять нивелирование вредных последствий от них при помощи химической и физической терморегуляции.

Естественно, что основная роль в химической терморегуляции животных организмов принадлежит процессам обмена веществ в кожных покровах, скелетных мышцах и в печени. Особенности такого обмена обусловлены морфологическими данными животного (толщиной и массой мышц, подкожным слоем, развитием потовых желез) его физиологическими данными, а так же акклиматизацией и приспособленностью животных к сезонным изменениям в течение года,



Схема образования и рассеивания тепла:

организмы

пища(корм) → дают в результате ←резервы тепла

__________________________________________________________



  • - тепло для поддержания температуры тела, при дыхании, выделении побочных продуктов, мышечном тонусе;

  • повышение обмена веществ при молокообразовании;

  • тепло реакций ферментации; т

  • епло активности мышц;

  • солнечная радиация и тепло окружающей среды._______________________________________________________

  • Тепловую энергию для:




излучения, испарения,

проводимости, конвекции






на них оказывает влияние:


температура окружающей среды

температура и влажность воздуха

движение воздуха


выведение зависит от:

-площади поверхности тела; - типа покрова тела; -испарения влаги кожей и легкими; -водного обмена; -теплопроводности тканей и перифе­рических кровеносных сосудов.

Физическая терморегуляция это совокупность физиологических отправлений и процессов, ведущих к повышению и понижению интенсивности рассеивания тепла из живого организма. В терморегуляции большую роль играют тепловые и холодовые рецепторы кожных покровов, слизистых .оболочек дыхательных путей (терморецепторы кожи), а также и внутренних органов.

Тонкая регуляция теплообмена осуществляется подкорковыми центрами под общим регулирующим контролем коры больших полушарий головного мозга. Процесс регуляции тепла в организме является ярким примером постоянной и тесной взаимосвязи организма и окружающей среды. У новорожденных младенцев терморегуляторные функции, как относящиеся к безусловно-рефлекторной деятельности, проявляются уже с первых часов жизни. Эксперименты показывают, что даже слабый холод интенсифицирует проявление терморегуляторных реакций у детей и это воздействие сопряжено с отчетливой реакцией всей сердечно­сосудистой системы. При снижении температуры среды потребление кислорода может увеличиваться почти на 50% (с 9,7 до 14,5 м/кг • мин).

Под влиянием систематических закаливающих процедур (обливание холодной водой, купание, контрастный душ, босоножие и т.д.) наблюдается характерное для адаптации к холоду, увеличение реакционности кожных сосудов и снижение чувствительности к холоду. Исследование на живых организмах показало, что в процессе закаливания наблюдается постепенное усиление метаболического ответа на холодовое воздействие при одновременном ,

снижении амплитуды электрической активности мышц. На основании этого делается вывод, что в общем процессе терморегуляции реакции химической терморегуляции усиливаются за счет термогенеза, не связанного с сократительной активностью мышц. Подобно тому, что известно для взрослого человека, адаптация к природным факторам различных географических регионов, а также к различным сезонам года связана у детей с изменением интенсивности энергетического обмена - основного обмена или обмена состояния покоя.

Таким образом закономерности развития в онтогенезе механизмов терморегуляции и перестройки, связанные с адаптацией к изменению температурных условий среды, являются общими и для человека и животных. В этой связи следует обратить внимание на то, что нормальная реакция на тепло и холод, достаточно быстро выравнивающая температуру тела, осуществляется только в условиях выработанного стереотипа -сочетания раздражителей, эволюционно возникших в процессе индивидуальной жизни и отклоняющихся в результате флуктуации от установившегося равновесного термодинамического состояния.
Новые подходы к изучению открытых систем

В последнее время все внимания в исследовании открытых систем уделяется другому, альтернативному подходу - системе дифференциальных уравнений. С их помощью открытие системы окончательно вычленены из лона классической термодинамики, и началась их самостоятельная жизнь в науке.

Так, например, открытую систему, в которой идет простая химическая экзотермическая (+Q) или (-∆Н) можно математически описать такими общими уравнениями:

dx/dt =-хе-1/y ��о-х) (9)

dy/dt = -хе1/уβ(у0-у) (10)

Из них первое уравнение это уравнение материального баланса организма, а второе - уравнение теплового баланса. Эти уравнения можно рассматривать,, как математическую модель открытой системы. Уравнения отражают процессы, которые происходят в биохимическом реакторе, где протекает простейшая реакция (превращение) типа: А → В и скорость протекания которой

определяется величиной концентрации реагента и температурой. При этом (х0-х)- материальный поток; β(уо-у)- тепловой поток. Химические процессы в таком реакторе подчиняются кинетике реакции типа: x·e-1/e

Найти решение вышеприведенных уравнений в аналитическом выражении невозможно, но косвенными, качественными методами можно выяснить все, что в них заложено. Выясняется, что такая открытая система предпочитает

функционировать в режиме постоянства, когда значения х и у не меняются во времени. Такой режим называют стационарным состоянием. Однако, это не термодинамическое равновесие, неумолимо ведущее к тепловой смерти в неживых системах; а наоборот такое стационарное состояние находится вдали от достижения равновесия и может только бесконечно к нему приблизиться, чем и обеспечивается жизнеспособность биологической системы.

Вообще говоря, все подобные системы могут иметь несколько стационарных состояний, но их число всегда будет нечетным.

Вышерассмотренная система имеет три стационарных состояния и может переходить из одного в другое. Переходы из одного состояния в другое возможны при таких внешних условиях, когда стационарное состояние лишается устойчивости и временно теряет способность к самосохранению. При этом переход сопровождается скачкообразным изменением температуры, а также состава и концентрации веществ, что в обычном химическом реакторе почти всегда чревато возможной аварией. В обычном, но не в биохимическом, в живом организме.

Иногда неустойчивость системы и ее стремление к самосохранению вступают в противоречие, которое далее протекает с переменным успехом. Внешне это проявляется, например, в беспрерывных, незатухающих колебаниях концентраций и температуры. Ритмический режим роднит техническую открытую систему с живым организмом в котором, как известно, периодические колебания - основа основ (пульсация крови, колебания сердечной мышцы, пульсация

нервных окончаний). Другое удивительное свойство биологических открытых систем - неожиданное, при совершенно спокойных внешних условиях, возникновение резких, казалось бы, ничем не спровоцированных хаотических (и нерегулярных) колебаний.

Однако в системах, которые удовлетворительно описываются двумя уравнениями и им подчиняются, такое невозможно; это проявляется только, в системах , которые подчиняются системе трех таких уравнений.

Следует отметить, что все открытые системы индивидуальны, однако, как и все точные науки, термодинамика открытых систем пытается выяснить не индивидуальные, а общие их свойства.

В физике окружающего нас мира буквально на каждом шагу возникает нечто новое: нитка при натяжении рвется, сосуд лопается, трение может привести к самовозгоранию и т.д. Но, в любом явлении существует допустимый порог, превышение которого ведет к качественным скачкам. Иными словами, жизнь не укладывается в систему линейных уравнений, она не линейна. Система сама может адаптироваться к условиям, в которые она поставлена; она как бы ищет собственные решения и ответы на внешние воздействия. Причем, ответная реакция системы может быть различной - либо стационарной, либо колебательной. При дальнейшем усилении неустойчивости системы неизбежно происходит переход к хаотическому поведению - система как бы забывает свое стационарное состояние, т.е. если внешнее воздействие превышает «порог возбуждения», то дальше процесс поддерживает сам себя, пока не исчезнет запас свободной энергии.Понимание сущности термодинамики и поведения открытых биологических систем необходимо и для управления сложными,многоуровневыми промышленными объектами. Специально построенный саркофаг Чернобыльской АЭС с термодинамической точки зрения - открытая система; сколько бы его не закрывали свинцово-бетонными и прочими перефытиями, эта однажды вышедшая из равновесного состояния система неизбежно будет продолжать выделять избыточную энергию и вещество (продукты распада) в окружающую среду.

Однако, следует отметить, что вышерассмотренные общие закономерности поведения открытых систем вполне приложимы и к еще более сложным биологическим явлениям и даже к социальным. В целом, открытость систем в широком смысле - необходимое условие преодоления застоя, деградации и смерти любой системы. Совсем не плохо было бы, если бы это, наконец, стало учитываться и в нашей общественной жизни, в российских реалиях.
Понятие о химическом равновесии, равновесии в экосистемах и его нарушение.

Известно, что в процессе протекания химических реакций через некоторое время устанавливается равновесное состояние (химическое равновесие). При достижении системой химического равновесия число молекул составляющих вещество, перестает изменяться и остается постоянным во времени, но при неизменных внешних условиях.

Достижение системой состояния химического равновесия еще вовсе не означает, что она переходит в состояние покоя (носит нестатистический характер). При изменении внешних условий равновесие сдвигается в ту или иную сторону, но если внешние условия приобретают первоначальные значения, то вследствие буферности, система вновь возвращается в

исходное состояние. Бесконечно малое изменение внешних условий влечет за собой и бесконечно малое состояние равновесия. Отсюда следует, что большинство химических и биохимических реакций могут протекать как термодинамически равновесные процессы, т.е. они подчиняются общим условия достижения термодинамического равновесия. Химическая термодинамика позволяет предсказать концентрации реагентов в равновесной системе, влияние на них изменения внешних условий, также предвидеть или рассчитать максимальный выход полезного продукта, что имеет большое практическое значение.

Связь между равновесными концентрациями или парциаль­ными давлениями веществ - реагентов выражается законом действующих масс, который эмпирическим путем был установлен К. Гульбергом и П.Вааге еще в 1867 г.

Если химическая реакция достигла состояния равновесия, то это означает, что главные термодинамические константы будут равны:

G=0, ∆S=0 и ∆Н=0.

Химическое равновесие характеризуется основными термо­динамическими константами равновесия Кfа, КР, Кc, Кx которые зависят только от температуры процесса. Например, для реакции типа:



АА + ЬВ ↔ lL + еЕ

вышеуказанные константы соответственно можно будет рассчитать из нижеследующих выражений:



(11)

где fL ,fE ,fAfB это равновесные фугитивности (летучести) компонентов в смеси реальных газов:



(12)

где аL аЕ, аА и ав - равновесные активности реагирующих компонентов в растворах;



(13)

где PL, PE, PA и PB - равновесные парциальные давления компонентов;



(14)

где CL, CE, CA и СB- равновесные молярные концентрации реагентов;



(15)

где nL, nE, nA и nB - количество молей реагентов и продуктов реакции, а V - изменение количества компонентов в реакции.

Как известно, для качественного определения направления сдвига в химическом процессе используют эмпирическое правило Ле-Шателье - Брауна или принцип смещения равновесия, который гласит: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывают внешнее воздействие, то в системе происходит такое смещение равновесия, которое ослабляет это воздействие.

Допустим, например, что при окислении SО2 в SО3 в газовой фазе установилось химическое равновесие:



2SО22 ↔ 2SО3

Как будет влиять на установившееся равновесие увеличение давления Р от добавления инертного вещества N2 ? Для выяснения этого вопроса рассуждаем следующим образом.

Если V = 2-3 = -1, тогда (∑ni)-1 и

Отсюда получится, что Кх зависит от Р обратнопропорционально, поэтому при добавлении N2 давление увеличится, ∑ni также увеличиться, а количество (число) п2(SO3)- уменьшится. Или по принципу Ле-Шателье от увеличение давления равновесие сместиться в противоположную сторону , т.е. - влево, а выход S0з при этом уменьшиться.


или же

Для изучения влияния температуры на состояние равновесия, учитывая принцип Ле-Шателье, а также используя закон Вант-Гоффа можно записать, что:

(16 )

где КТ1 и КТ2 - соответстветствующие термодинамическим температурам Т1 и Т2 константы скорости реакции.

Обязательное и неизбежное влияние условий внешней среды на состояние равновесия биологических (или в целом экологических) систем, и необходимость приспособления к условиям среды обитания привела к возникновению и становлению сложнейшей системы взаимосвязей и взаимных влияний между всеми членами экологических сообществ. Периодичность, вызванная суточными или сезонными изменениями, также является фактором, влияющим на структурную организацию экосистемы. Если, например, растения какого-либо вида появляются на свет на неделю раньше обычного - это может ограничить развитие, зависящих от этого растения и питающихся им, насекомых-консументов. Второй пример. Динамичность естественного равновесия между колорадским жуком и поедаемыми им пасленовыми растениями была нарушена человеком путем небывалого увеличения концентрации посевов картофеля и томатов, что привело к небывалой вспышке численности этого жука. В природных условиях равновесие быстро восстановилось бы за счет уменьшения количества (концентрации) съеденных жуком растений. Но, этому-то и препятствует человек с его ненасытной системой интенсивного земледелия.

Ниже мы рассмотрим подробнее примеры установления и нарушения экологических равновесий, а главное – методы устранения дисбаланса.





В природе существует около 500 тысяч различных видов растительноядных насекомых и большинство из них живут только на растениях одного вида, либо семейства. Это связано с постоянством пищевого рациона насекомых, обусловленного спецификой их метаболизма. Развитие бабочки-белянки зависит от растений семейства крестоцветных, ибо последние содержат необходимые им изотиоцианты и их глюкозидные предшественники. Несмотря на неудобную форму цветка пчелы все же собирают пыльцу и нектар с цветков клевера, так как в ней содержится нужная им октадекатриеновая кислота. Гусеницы тутового шелкопряда распознают нужную им пищу по присутствию в ней линалоола и его ацетатов:

и терпена - терпинеола, которые присутствуют в листьях тутовника. Многие насекомые (особенно тли) поедают лишь пищу содержащую сладкие углеводы и сахароподобные вещества. Так капустная моль и тля в присутствии специальных веществ -фагостимуляторов поедают содержащие глюкозу листья только тогда, когда в них содержится привлекающий ее глюкозид синигрин , строения :




Экспериментально установлено, что капустная тля будет питаться и другими растениями, если их предварительно через стебель подкормить синигрином. Гусеницы красивейшей бабочки махаона питаются только зонтичными растениями, содержащими метилхавикон или карвон. Вот почему с большим аппетитом они съедают и клочок бумаги, пропитанный карвономом.

Цветы орхидей рода Орпшз способны продуцировать смесь терпеноидов ( в том числе фарнезол), имитирующую половой феромон перепончатокрылых рода (З.Оогу^ез. Привлеченные им самцы садятся на цветок и пытаются с ним спариться, что приводит к опылению орхидеи. У последней же других способов опыления и продолжения вида просто нет и сохранение этого рода орхидей целиком зависит от этой взаимосвязи.

В природе есть и противоположные примеры, когда растения продуцируют и выделяют для сохранения вида вещества -репелленты, отпугивающие насекомых. Так, растения вида Мерена со!ап'а активно продуцируют терпеноид непеталактон, строение которого очень близко к иридодиолю:


и его аналогам, которые в природных условиях используются муравьями в качестве защитных средств.

Целый ряд иридоидов, почти полностью защищающих ее от посягательств насекомых, продуцирует и Рсйгно!а роНдата. В то же время златоглазка поселяется и питается именно этими растениями только лишь благодаря привлечению совершенно безвредных для нее иридоидов.

Весьма любопытно и существование плотоядных («хищных») растений консументов , способных привлекать, ловить и поедать много видов насекомых, а также их взаимодействие с насекомыми. Оказывается, что специализированные клетки таких растений могут продуцировать не только запаховые и вкусовые вещества, но также и протеолитические ферменты для «переваривания» привлеченных и захваченных насекомых.

Известно немало известных примеров сознательного или случайного внедрения животных и растений в новые для них природные условия. Главным виновником таких непреднамеренных перемещений в мире фауны и флоры чаще бывает транспорт: корабли, поезда, самолеты, автомобили, а также животные и птицы.

Другой пример. Любое современное судно имеет на борту груз для улучшения его устойчивости и мореходных качеств. Балластом же обычно служит вода, взятая прямо из-за борта. Огромные современные грузовозы заполняют свои балластные цистерны сотнями тысяч тонн этой забортной воды. Вместе с ней насосы закачивают не только несметные количества микроорганизмов, но и более крупную живность: крабов, моллюсков, рачков, икру. Подсчитано, что в среднем в балластных водах одного судна присутствует свыше 400 разновидностей животных, микроорганизмов и растений. Если же эту балластную воду сбрасывают там, где соленость, температура, питательная среда устраивают эту привнесенную биологическую систему, то она начинает борьбу с местными обитателями за право существовать. Это, в конечном итоге, приводит к нарушению равновесия и возникновению нового экотона.

Так, учеными-экологами показано, например, что в бухте Сан-Франциско около 99% биомассы в настоящее время уже состоит из организмов ранее здесь вообще не живших, т.е. все они привнесены из других регионов.

Из Америки, лет 15 назад с балластной водой в Черное море случайно завезли беспозвоночное животное - гребневик ( внешне он похож на медузу); это кишечнополостной хищник, который питается планктонными мелкими животными, мальками рыб и икрой. Здесь он нашел благоприятные условия для существования и настолько размножился, что уже за несколько лет подорвал основы местного рыболовства (за счет резкого уменьшения количества планктона, а следовательно и питающийся им рыбы - хамса, ставрида).

В Средней Европе такими же нежелательными новоселами стали американский енот-полоскун; тропическая жаба, куница, гигантские кавказские борщевики и др. Особо крупных, катастрофического для экосистемы масштаба событий из-за этих переселенцев в последние годы в Европе еще не случилось, но все же заметный урон природно-территориальные комплексы (фации) понесли.

В Новой Зеландии осы, по-видимому, завезенные из Германии, вместе с местными видами пчел съели почти всех гусениц в лесах. Теперь этот разбой грозит полным вымиранием местных видов бабочек, нарушением установившихся трофических связей и изменением всей экосистемы.

Завезенные из Австралии в Флориду деревья вида Ме1а1еиса попали там в благоприятные условия и быстро заняли большие территории, почти вытеснив аборигенные виды. Специалисты опасаются, что на острове будет нарушено экологическое равновесие.

Интенсификация международных транспортных связей и торговли, а также неуклонное потепление климата способствуют миграции различных видов животных и растений. Каждый комочек земли, прилипший к подошве, каждая складка в одежде могут стать транспортным средством для семян растений, готовых к переселению. В то же время борьба с переселившимися видами чрезвычайно сложна и итог ее может оказаться совсем не таким, на который мы рассчитываем.

Так, в свое время, в Северную Европу с предгорий Кавказа в качестве эксперимента, на специально отведенные опытные участки был специально завезен борщевик. Из-за высокой продуктивности и неприхотливости его рассчитывали использовать на корм скоту. Благодаря мощной корневой системе, неприхотливости, быстрому росту, способности к вегетативному размножению и полному отсутствию естественных врагов, борщевик в Европе занял огромные площади в том числе пахотных земель и продолжает интенсивно расселяться, захватывая все новые территории. А ведь это ядовитое растение вызывает у человека и животных тяжелейшие ожоги кожных покровов и слизистых, отеки Квинке и осложненные аллергические реакции. Сейчас в Германии, Чехии, Норвегии, Дании, Швеции и других странах на борьбу с борщевиком брошены огромные средства и силы, но безуспешно. Экспансия борщевика продолжается и чем закончится нарушенное равновесие пока неизвестно.

Однако, наиболее опасными организмами-переселенцами все же являются невидимые простым глазом бактериальные формы жизни и вирусы среди которых опасными являются не только болезнетворные. Рядом с ними можно поставить и многих насекомых. Так, специалисты-экологи считают опасными переселенцами паразитирующих на растениях щитовок, а также термитов и фараоновых муравьев, тараканов, клещей, малярийных комаров и т.д. В условиях тропического климата как сам носитель возбудителей болезней - «хозяин», так и переносчик - промежуточный «хозяин» перемещаются особенно легко. Например, переносчиками тропической лихорадки (малярии) являются комары анофелес. Глобальное потепление климата Земли способствует появлению этого комара не только в традиционных тропиках, но и во многих других климатических поясах. Сейчас отмечается их появление даже на широте умеренного пояса.

За свою историю планета Земля пережила немало природных катастроф, но, в конце концов, в согласии с законами термодинамики, подчиняющиеся им силы природы приводили все в состояние равновесия - не статическое, застывшее, а динамическое, подвижное и развивающееся. Сейчас же человек сознательно или невольно повсеместно вмешивается в веками эволюционно отлаженный природный равновесный порядок. И страдает от последствий такого насильственного вмешательства, прежде всего, сам человек.


Понятие о буферности, буферность экосистем.

Способность экологической системы сохранять свое исходное состояние, несмотря на вредоносное действие внешних сил определяет ее буферностъ. При этом, ее можно оценить и количественно, например, количество загрязнений способных поглотиться и обезвредитъся данной экосистемой определяет ее буферную емкость. Фактически это способность экосистемы активно противостоять вредному воздействию внешней среды. Благодаря эволюционно возникшим сложным механизмам обратной связи и буферности экологическая система под воздействием незначительных помех достаточно быстро может прийти в устойчивое равновесное состояние. Скорость же возвращения экосистемы во времени к устойчивому равновесию определяет ее упругость (релаксацию).

Каждая экологическая система обладает определенным запасом эволюционно наработанной инфюрмации (мера организованности системы). Очевидно, что чем более сложно устроена экологическая система, тем больше имеется и внутренних пищевых и других информативных цепей и, следовательно, выше ее инфюрмативность (организованность). Как известно, каждая открытая система (а экосистемы - это всегда открытые системы) получает информацию из внешней среды, причем эта информация стремится вывести систему за пределы, обеспечивающие ее выживание. Поэтому, стабильность системы будет зависеть от количества установившейся информации (от её организованности). Это означает, что экологические системы тем стабильнее, во времени и пространстве, чем они иерархически сложнее устроены, чем больше обратных связей установлено между отдельными объектами данной экосистемы.

Влияние человека на экосистемы в процессе его деятельности сказывается весьма интенсивно, поскольку своей деятельностью он неизбежно создает помехи в механизмах передачи обратной связи между отдельными компонентами экосистем. Это искусственные помехи и такие помехи существенно отличаются от естественных. Они не являются инструментом естественного отбора, поскольку в процессе эволюции организмы к ним не приспособились и приспособиться, как правило, не успевают. Отклонение от нормы некоторых активных параметров среды выходит в таких случаях за пределы, отвечающие естественным нормам реакции организмов на эти параметры. Так, бесконтрольное применение гербицидов вносит помехи в жизненные функции экосистемы в целом. Травостой, являющийся и продуцентом, и средообразователем, и источником энергии для последующих пищевых цепей, под воздействием передозировок гербицидов погибает. С гибелью травы исчезают целые популяции насекомых и животных. Часть, наиболее чувствительных особей сразу погибает, а оставшиеся оказываются в условиях неблагоприятных для их спаривания и обмена генетической информацией. На уровне отдельных особей (у оставшихся в живых) происходят необратимые изменения, приводящие к мутациям и вымиранию.

Выход из вышеописанной ситуации, по-видимому, заключается в разработке эффективных механизмов избежания вредного воздействия современного урбанизированного (индустриального) общества на экосистему. Очевидно, что наиболее простой выход -запретительные, хорошо работающие законы и административные меры противодействия. Но, достаточно ли лишь таких, «запретительных» мер? Думается, что нет, ибо вредные вещества в индустриальном обществе - вездесущи, а их производство и аккумулирование интенсивно продолжается.

К сожалению, в последнее время главными источниками загрязнения окружающей среды становится не столько производство, сколько

возрастающее в геометрической прогрессии активное потребление продукции. Процесс потребления выработанной продукции неизбежно сопровождается накоплением и необходимостью обезвреживания различных отходов. Например, токсичные вещества активно образуются и выделяются в окружающую среду при сжигании топлива, от внесения минеральных удобрений, при использовании химических добавок и разного рода пестицидов, растворителей, фармацевтических и парфюмерных средств, фасок, лаков, стройматериалов и т.д. Традиционные, обычно принятые в России, методы контроля «на сбросе» - к таким диффузным источникам загрязнения из-за их неэффективности вообще неприменимы. Да и польза от контроля за содержанием токсичных соединений в отходах при плохо, или вообще неработающих системах очистки на большинстве производств, честно говоря - весьма сомнительна.

Совершенно очевидно, что в центре внимания сейчас, по-


видимому, должен быть не столько «конечный» контроль, сколько
эффективная профилактика и предупреждение возможного
загрязнения окружающей среды и снижения количества
образующихся токсичных веществ в самих их источниках, а также в
изыскании возможностей замены таких источников на менее
токсичные и усовершенствование технологий производства и культуры
потребления самих продуктов производства.

Следует также отметить, что тропосфера, мировой океан и надводная атмосфера находятся в эволюционно установившемся динамическом общепланетарном равновесии. Последнее же поддерживается такими процессами, как выпадение в осадок солей и органических веществ, с которыми и выводятся из круговорота вредные для биоты вещества-токсиканты. Основным же двигателем и одновременно эффективным регулятором этого процесса является круговорот воды, химических элементов и других веществ..

Хорошо известно, что основой основ эффективного развития
биосферы является процесс фотосинтеза. Он, одновременно
является и наиболее современным аккумулятором, итрансформатором свободной солнечной энергии; причем, более эффективный даже по сравнению с круговоротом воды в природе. Устойчивость же отдельных экосистем биосферы определяется качественными и количественными структурами внутривидовых и межвидовых взаимодействий. Экологическая система благодаря гомеостатическим механизмам саморегуляции стремится и способна, в пределах гомеостатического периода, изменить свое состояние к исходному в ответ на какие-либо возмущения или изменения внешних факторов. Обычно, такое изменение свидетельствует о наличии в системе некоторой концентрации энергии, которая в зависимости от величины концентрации и от особенностей данной, конкретной ситуации может быть израсходована на полезную работу или же превратиться в тепло.

Термодинамика живой природы имеет свои характерные и отличные от неживой природы особенности. Если , например, взять процесс питания такой открытой живой системы, как человеческий организм, то в соответствии с главным законом термодинамики - законом сохранения и превращения энергии в организме должны соблюдаться нижеследующие условия:

• материальный приток питательных веществ всегда
должен соответствовать и уравновешиваться их потерей;

• приток также энергии должен компенсировать ее расход.


Известно, что при средней интенсивности труда реальные

энергетические потребности взрослого человека составляют примерно 2500 - 3000 ккал/сут. Отсюда следует, что человек должен съедать в сутки такое количество пищи, которое при сжигании в калориметре давало бы эквивалентное же количество энергии. Однако чтобы набрать 3000 ккал в сутки человек должен съесть, например, около 20 кг овощей и фруктов, что практически невозможно себе даже представить.

Вместе с тем, известно, что вегетарианцы прекрасно обходятся только лишь растительной пищей. Многие из них, если считать по калорийности потребляемой пищи, потребляют всего лишь 600-700 ккал/сутки, хотя и ведут очень активный образ жизни. Это в 4-5 раз меньше необходимого расчетного количества энергии. Откуда же живой организм черпает дополнительную энергию? Только ли из пищи?

Одну из предположительных, рабочих гипотез высказал ещё в начале прошлого века швейцарский клиницист Бирхер-Беннер, когда обратил внимание на поразительное сходство структур хлорофилла и гемоглобина. Порфириновое ядро лежит в основе строения обоих этих сложных молекулярных образований, главное отличие которых сводится к строению хелатного узла. Здесь, в центре молекулы (в порфириновом ядре) у хлорофилла расположен атом Мд, а у гемоглобина - Ре. Поскольку все живые организмы буквально купаются в Солнечной энергии, за миллионы лет эволюции у них неизбежно и обязательно, по-видимому, должен был выработаться механизм связывания этой солнечной энергии в энергию химических химических связей различных химических соединений.

Но, так ли это? Пока еще экспериментальных доказательств сей смелой гипотезе нет. Но, мы не сомневаемся, что они обязательно будут найдены!!!
ТЕМА 2

Химические средства защиты живых организмов.
Яды в живых организмах

В повседневной и беспрерывной борьбе за сохранение вида у растений и животных выработались многочисленные приспособления и индивидуальные средства защиты и нападения – химическое оружие. Причем, химическое оружие эффективно действует как средство нападения только тогда, когда животное имеет соответствующий специализированный орган для нанесения, разбрызгивания или впрыскивания яда. Мы должны помнить, что беспричинное агрессивное поведение – явление в природе чрезвычайно редкое и у большинства животных нападение – это лишь защитная реакция. Имеющееся у живых организмов оружие может активно использоваться ими также и для добывания пищи.

В зависимости от способов вырабатывания и применения химического оружия все ядовитые животные могут быть разделены на три категории:

1) АКТИВНЫЕ – те виды ядовитых животных, которые используют свое оружие для нападения;

2) ПАССИВНЫЕ – те виды животных, у которых яд вырабатывается как средство обороны;

3) ЛАТЕНТНЫЕ (скрытые) – те виды ядовитых животных, у которых токсичные вещества находятся в самом организме – продуценте, либо когда вырабатываемые специальным органом яды – не выводятся из организма, а их действие проявляется лишь при нападении агрессора на организм – продуцент. Последнюю группу организмов М. Барбье называет отравленным.

В целом химическое оружие следует рассматривать как средство адаптации живых организмов к условиям внешней среды. Среди них до наших дней сохранялись лишь те, что обеспечивали их владельцам лучшие шансы на выживание.

Среди множества природных ядовитых веществ и способов их использования можно выделить нижеследующие основные их группы.



Микотоксины – яды грибов, токсичные для человека и животных. Отравление человека и домашних животных ядовитыми грибами (микотоксикоз) явление давно известное. Так, эрготизм, вызываемый алкалоидами спорыньи ржи, в былые времена иногда носил характер эпидемии. Употребление в пищу зерна и муки, содержащей эти алкалоиды, приводят к тяжелым поражениям организма: эпилептическим конвульсиям или к гангрене конечностей («антонов огонь»). Ядом в данном случае являются производные некоторые производные лизергиновой кислоты ,(например диэтиламид лизергиновой кислоты - ЛСД). Незрелые формы гриба спорыньи - паразита злаковых культур, содержат полицикличные эргоалкалоиды типа эрготамина строения:


Эрготамин

Эрготамин оказывает одновременно и стимулирующее действие на мускулатуру матки и обладает кровоостанавливающим эффектом.

Р
азличные виды сморчков содержат ядовитый гирометрин строения:

Гирометрин

Симптомы отравления гирометрином сходны с симптомами отравления ядом бледной поганки. Отравление ядом поганок тем опаснее, что симптомы его появляются лишь на поздней стадии, когда повреждения почек и печени уже необратимы, а летальный исход – неизбежен.

Отравление продуктов питания на основе зхерновых токсинами низших грибов (афлатоксинами) – явление давно известное и весьма распространенное. Однако, опасность его понята лишь недавно. Сегодня исследование таких продуктов как арахис, орехи, кофе, а также зернопродукты на безопасность обязательно включает в себя исследование на содержание афлатоксинов среди которых главные токсиканты – афлатоксины В1 и G1 строения:



Афлатоксин В1 Афлатоксин G1

Токсическое действие афлатоксинов на теплокровных животных и человека обусловлено их способностью взаимодействовать с нуклеотидными участками нуклеиновых кислот, блокировать их и вызывать изменения в генетическом коде. Употребление в пищу продуктов, содержащих афлатоксины вызывает также рак печени. Обработка пищевых продуктов аммиаком или Н2О2 снижает содержание афлатоксинов до относительно безопасного уровня.



Галлюциногенные свойства маленького мексиканского гриба «теонакатль» (божья плоть) были известны еще в древнее время жрецам ацтеков и майя. Оказалось, что веществами, вызывающими галлюцинации являются такие, как псилоцибин, псилоцин, буфотенин. Все они – производные гетероциклического амина - триптамина, общей формулы:

Триптамин



Например, у буфотенина значения R = OH, R1 = H; Все буфотенины обладают выраженным галлюциногенным и парализующим нервную систему

действием. Особенно же сильный галлюциноген – ароматический амин - диэтиламид лизергиновой кислоты строения:

Это и есть печально знаменитый ЛСД. Его легко выделяют из тех же видов грибов-галлюциногенов и используют в качестве чрезвычайно мощного наркотика-галлюциногена, отличающегося высокой токсичностью и быстрым привыканием.



Фитотоксины – ядовитые вещества, обычно вырабатываемые фитопатогенными грибами или некоторыми бактериями; фактически это продукты их жизнедеятельности.

Поскольку фитопатогенные организмы весьма часто поражают пищевые и кормовые сельскохозяйственные культуры, превращая их в совершенно непригодные для употребления продукты, то и установление природы фитотоксинов, а также определение их концентрации в продуктах и изыскание доступных и эффективных средств борьбы с ними (дезактивации) – это задачи жизненной важности.

Е
сть среди токсинов и вещества - полезные с точки зрения хозяйственной деятельности. Так грибы А. muscaria содержит токсин мусципол, строения:

Мусципол

который одновременно является и активным инсектицидом, весьма эффективным против мух:



Ликомаразмин и аспергиломаразмины А и В недавно были обнаружены у представителей разных видов грибов рода Fusarium. Эти токсины вызывают нарушение процессов водного обмена у различных растений и весьма ядовиты для большинства животных. Они представляют собой структуры из непептидной комбинации двух-трех аминокислот, например, такого строения :

СООН H Н

————N ———————-COOH



CH2 COOH NH

H2 C—С—-NH2

O
Грибы рода Рhoma синтезируют множество, иногда весьма своеобразных метаболитов – цитохалазинов, среди которых находится и фоменон, эффективно ингибирующий прорастание семян у многих растений. Его строение можно представить так:




Фоменон

Фитопатогенное действие бактерий может иметь и физико-химическую природу. Известно, что накопления полисахаридов затрудняет нормальную циркуляцию соков в растении и приводит к высыханию и гибели растений. Цитохалазины, представляют собой ненасыщенные макроциклические лактоны, например фомин (цитохалазин В), воздействующие на процесс цитокинеза и вызывающие разрушения (экструзию) клеточных ядер.

Вышеприведенные примеры показывают, сколь широк спектр биологического воздействия токсинов. Их изучение только начинается, поэтому биологическая активность пока еще малоисследованна. Не выяснено и не до конца осмысленно еще и биологическое действие мико- и фитоксинов для продуцирующих их организмов. Только для некоторых высших грибов установлено, что их ядовитость служит защитой от животных и человека. Для большинства же грибов и микроорганизмов никаких видимых преимуществ их токсичности, с точки зрения приспособленности к среде обитания, пока еще не установлено.

Согласно установившемуся мнению, фито- и микотоксины классифицируют как отбросы (продукты выделения) продуцирующих их организмов, отравляющие реципиента. Поскольку свое вредное действие токсины оказывают уже в мизерных концентрациях, то это представляет опасность не только для животных, но и для людей. Вот почему иметь надежные методы обнаружения их в растениеводческой продукции – задача первостепенной важности.

Следует отметить, что изначально греческое слово «токсин» означало экстракты для смазывания наконечников отравленных стрел.

Затем, к токсичным стали относить и некоторые бактериальные белки, а также мико- и фитотоксины. Токсические же вещества, выра-батываемые животными, обычно называют ядами и, в первую очередь, к ним относятся змеиные яды. В настоящее время слово «яд» понимается в более широком смысле применительно к токсическим веществам, вырабатываемым всеми позвоночными.

По общей классификации яды позвоночных относятся к алломонам. Последние обеспечивают передачу информации (химическое взаимодействие между животными разных видов. Токсичные алломоны могут служить и средством агрессии (например у ядовитых змей), и средством защиты от нападения хищных или потенциально хищных видов.

В состав ядов околощитовидных и кожных желез многих животных, рептилий и насекомых, чаще всего входят сложного строения алкалоиды, буфотоксины, сложные амины (адреналин, норадреналин и др.), а также некоторые стероиды, низкомолекулярные белки и другие соединения. Высушенная кожа жаб успешно использовалась для лечения некоторых болезней, еще в древней китайской медицине. Но, чаще всего, яд жаб использовали аборигены Южной Америки и Африки для отравления наконечников стрел. Так, лягушки Atelopidea в качестве средства защиты продуцируют и выделяют неогидрохинолиновый алкалоид строения:





Этот токсин воздействует на передачу нервного импульса и на активный транспорт ионов К+ и Na+ через клеточную мембрану. Он вызывает нарушение координации движения, судороги и паралич конечностей. В лечебных же дозах - это мощные кардиостимуляторы активизирующие деятельность сердечной мышцы,.

Ядовитые железы и кожа саламандр выделяют целый набор биологически активных соединений: биогенные амины, белки, стероиды и алкалоиды. Например, саламандры некоторых видов вырабатывают стероидный алкалоид самандарин:

Самандарин

Д
ействие самандарина на животных и человека подобно таковому у микотоксинов. Одновременно, это и мощные анальгетики (обезболивающие средства).

В то же время, вырабатываемые же специализированными железами токсины рыб имеют, как правило, белковую природу. Среди токсичных рыб встречаются такие группы, у которых ядовитость имеет сезонный характер: они опасны только в определенное время года. Это, вероятно, связано с тем, что токсины таких временно ядовитых рыб вырабатываются не в них самих, а в поедаемом ими фитопланктоне. В организме же рыб чаще всего лишь накапливаются съеденные яды, обычно это сложного строения циклические соединения. Наиболее простое строение у пахутоксина, выделяемого из слизи рыб lantegenosus. Он, представляет собой сложный аминоэфир холина и 3-окси-гексадекановой кислоты строения:

:



Пахутотоксин
Яды пресмыкающихся – это мутноватые жидкости, содержащие обычно три типа компонентов: смеси полипептидов, белков и ферментов. Иногда встречаются такие виды змей, у которых в яде ферментов мало, зато много нейротоксинов. По характеру действия их разделяют на две группы: нейротоксичные, обычно это яды аспидов и морских змей и гемотоксичные. Все они блокируют нервно-мышечную импульсацию (передачу) и могут вызвать остановку сердца, либо действуют на кровь, например яды гадюк и гремучих змей. Полагают, что ежегодно около 1 млн. человек подвергаются укусам ядовитых змей из которых до 24% получают тяжелые поражения, а 4% - со смертельным исходом. Ниже, в таблице 1 приведены данные о токсичности ядов некоторых наземных змей.

Как уже отмечалось, нейротоксины блокируют процессы нервно-мышечной передачи и могут вызвать остановку сердца. С химической точки зрения это полипептиды основного характера, в состав которых входит от 60 до 74 остатка аминокислот. Яды морских змей, гадюк и

кобр содержат множество ферментов-эстераз (холинэстеразу, гиалуронидазу, фосфолипазу), а также ферменты – коагулянты крови.

Таблица 1.

Токсичность ядов некоторых змей


Вид змеи

Вводимое количество яда

LD 100 мг/кг для человека

% смертельных случаев

Черная мамба

~ 10000

~ 1,6

100,0

Кобра

~ 200

~ 0,2

32

Тигровая змея

~ 60 – 80

~ 0,08 – 0,09

30

Песчаная эфа

10 –12

0,06

20

Морская змея

10 – 50

0,04 – 0,1

~ 17

Вообще, нужно отметить, что яды змей – одни из наиболее концентрированных источников ферментов, представляющие огромный интерес для ученых биохимиков и медиков. Кроме того, змеиные яды широко используются в медицине, как терапевтические и кровоостанавливающие средства. Если, например, яды морских змей вызывают коагуляцию крови, то яды кобры наоборот - разжижают ее. Последнее свойство таких ядов используют в медицине для получения гемолитических средств.


Т Е М А 3.

Токсины и яды у беспозвоночных, членистоногих и позвоночных.

Животные, в отличие от растений и насекомых, не могут позволить себе пожертвовать для отправления напавшего противника частью своего тела. Их защитная реакция должна обеспечить сохранение целостности организма, а оружие должно быть либо убедительным средством сдерживания, либо способным убивать на расстоянии. Если растение или животное отравляет своего врага, только будучи им съеденным, то такой способ химической защиты помогает выживанию вида в целом, но не спасает каждую особь в отдельности; это оружие действует лишь частично, да и то, только рикошетом. Разбрызгивание или впрыскивание яда с помощью специальных органов предполагает другой способ защиты, когда выживание особи каждый раз зависит от исхода встречи с противником и от поведения этого противника. Змея, укусившая кого-нибудь, может быть тут же убита спутниками своей жертвы Среди эффективных видов химического оружия животных имеется множество самого разнообразного строения токсичных продуктов. Однако, на чем основана эффективность этого оружия – во многих случаях еще не ясно, особенно в случаях пассивно ядовитых морских животных.



Токсины морских животных

Рассмотрение отдельных конкретных примеров начнем с морских червей. Они вырабатывают ядовитый нереистоксин строения:


СН 2 — S

Н3 С

N -CH

Н3 С

СН 2 – S

скачать файл


следующая страница >>
Смотрите также:
Лекции по курсу химической экологии (учебное пособие) Краснодар, 2009
2207.79kb.
Учебное пособие для студентов-нефилологов. Одобрено методической комиссией по гуманитарным и социально-экономическим
1800.17kb.
А. В. Афонина афонина А. В. Жилищное право: учебное пособие. М.: Дашков и Ко, 2008., 376 с
4245.62kb.
A. M. Лелюхнна Учебное пособие Технология оценки городских земель по курсу
827.32kb.
А. Г. Чернявский Маркетинг Учебное пособие Аннотация Учебное пособие
1447.94kb.
Естествознания учебное пособие
2081.37kb.
Учебное пособие Для подготовки частных охранников Часть Правовая подготовка
808.53kb.
С. Д. Якушева Основы педагогического мастерства Учебное пособие Оренбург 2004
3411.42kb.
Основная литература Кобелев О. А. Электронная коммерция: Учебное пособие
21.2kb.
Виноградова Елена Александровна г. Новочебоксарск, 2007. Используемые ресурсы: cd диск «Интерактивная математика. 5-9» электронное учебное пособие
123.4kb.
Учебное пособие для студентов технического отделения по дисциплине «Немецкий язык» //
757.97kb.
И. В. Дунаев основы лечебного массажа техника и методики учебное пособие
6500.1kb.