Основы экологии человека

Следовательно, в основе явлений канцерогенеза и тератогенеза, в конечном счете, лежат мутации. Канцерогенное и тератогенное действия не исчерпывают всех последствий мутирования. Степень наносимого мутациями вреда в значительной мере определяется видом мутации (генная, хромосомная или геномная: две первые – изменение структуры генов и хромосом, третья – изменение числа хромосом). Объем поломки генетического материала как следствие мутаций может быть различным. При точковой мутации может произойти замена одного азотистого основания на другое. Такие замены крайне редко приводят к усовершенствованию генетического кода. Некоторые из них могут стать летальными. Чаще встречаются нейтральные мутации, не приводящие к каким-либо последствиям благодаря наличию избыточной информации (явление вырожденности генетического кода, когда одной аминокислоте соответствует несколько кодонов). Но большинство мутаций вредны. Реализация в фенотипе10 таких часто встречающихся мутаций, как сдвиг рамок считывания, возникающих в результате вставки или выпадения одного нуклеотида (или нескольких в количестве, не кратном трем), может вызвать значительные изменения в структуре кодируемого белка, особенно в том случае, если это явление происходит в начале или середине гена. Достаточно часто встречается также и такая мутация, как делеция, т.е. утрата части гена. Даже если подобные изменения и не приведут к канцерогенному или тератогенному эффекту, то вполне вероятны нарушения, затрагивающие обмен веществ. Это происходит в случае миссенс-мутаций (мутации, изменяющие смысл кодона, приводящие к фенотипическому изменению признака). Особенно опасны нонсенс-мутации (мутации, превращающие кодон в один из терминальных, – УАА, УАГ или УГА, из-за чего преждевременно прекращается синтез полипептидной цепи). Если такие мутации происходят в начале или середине гена, то, как и при сдвиге рамки считывания, полноценный белок не может быть синтезирован (Л. Зенгбуш, 1982).

^ Хромосомные мутации (аберрации) иногда могут не изменять наследственной информации, если структура гена окажется ненарушенной. Но при этом могут измениться локализация гена, его "соседство" с другими генами, их взаимоотношения и отсюда – фенотипические проявления.

^ Геномные мутации приводят к изменению количества генетической информации. Нерасхождение хромосом при мейозе11, как одна из главных причин их возникновения, в значительной мере обусловлено состоянием эндокринной системы родителей (отца – во взрослом состоянии, а матери – не только во взрослом, но и в периоде ее собственного внутриутробного развития – на первой стадии овогенеза). На течение беременности, на синтез и соотношение гормонов в организме человека огромное влияние оказывают повреждающие факторы среды. Так, заболевания щитовидной железы, которая является чувствительным индикатором наличия загрязнений в средах жизни, повышают вероятность таких мутаций. Установлено также опосредованное влияние гормональных (оральных) контрацептивов на частоту появления геномных мутаций (Ф. Фогель, А. Мотульский, 1990).

Таким образом, в условиях антропогенного давления на среды жизни те защитные и адаптационные механизмы, которые были созданы эволюционным процессом, не всегда способны защитить организм самого человека от обусловленного его деятельностью в биосфере пагубного влияния.

Лекция 4. Адаптация, ее формы и механизмы

Понятие адаптации – условия существования – техногенные условия – формы адаптации – фенотипическая адаптация – кратковременная и долговременная адаптация – социальные условия адаптации человека

Адаптация (от лат. adaptatio – приспособлять, прилаживать) – это совокупность морфофизиологических, поведенческих, популяционных и других особенностей вида, обеспечивающая возможность существования в определенных условиях среды.

В понятие "адаптация" входят:

– процессы, с помощью которых организм приспосабливается к окружающей среде;

– состояние равновесия между организмом и окружающей средой;

– реализация нормы реакции в конкретных условиях среды с помощью изменения фенотипа;

– результат эволюционного процесса – адаптациогенез (отбор и закрепление генов, кодирующих информацию о развившихся изменениях).

Явление биологической адаптации присуще всем живым организмам и особенно такому высокоорганизованному, как человеческий. Условия существования любого живого организма могут быть:

– адекватными (те, которые в данный момент позволяют организму все процессы жизнедеятельности осуществлять в пределах нормы реакции);

– неадекватными (те, которые не соответствуют диапазону свойств организма, определяемых нормой реакции).

В адекватных условиях организм испытывает состояние комфорта, т.е. оптимального уровня работы всех систем. В неадекватных условиях организму приходится включать дополнительные механизмы для обеспечения состояния устойчивости (резистентности), активизировать все процессы. Это состояние носит название "напряжения". Если с помощью напряжения организм не достиг состояния устойчивости, то развивается состояние "предболезни", а затем "болезни". Состояния комфорта, напряжения и адаптации составляют состояние здоровья (но не патологии); состояние адаптации – это нормальная физиологическая реакция.

Современные антропогенные (техногенные) условия включают, как правило, не один неблагоприятный фактор, а целый комплекс факторов, к которым должен приспособиться организм. Поэтому и ответ организма должен быть не только многокомпонентным, но и интегрированным. Эта интеграция создается взаимосвязанной и взаимообусловленной работой регулирующих, энергетических и неспецифических компонентов адаптации и составляет стратегию адаптации.

В основе адаптации лежит ряд общих закономерностей протекания реакций в организме. В зависимости от того, какие системы вовлекаются в создание состояния адаптации и какова протяженность этого процесса, различают две его главные формы:

– эволюционную (или генотипическую) адаптацию; этот процесс является основой эволюции, так как имеющийся комплекс видовых наследственных признаков становится исходным пунктом для изменений, вносимых условиями среды и закрепляемых на уровне генотипа; данный процесс занимает тысячи и миллионы лет;

– фенотипическую адаптацию (возникающую в ходе индивидуального развития организма, в результате чего организм приобретает устойчивость к определенным факторам среды).

Фенотипическая адаптация тоже обусловлена генетической программой, но не в виде заранее запрограммированной адаптации, а в виде нормы реакции, т.е. диапазона протекания метаболических процессов, потенциальных возможностей для обеспечения ответа организма на изменения условий среды. Вместе с тем превращение таких потенциальных возможностей в реальные, т.е. обеспечение ответа организма на требования среды, также невозможно без активизации генетического аппарата (усиления синтеза нуклеиновых кислот, белков и других соединений). Данное явление называют структурным следом адаптации. При этом растет и масса мембранных структур, ответственных за восприятие сигналов, ионный транспорт, энергообеспечение. После прекращения действия фактора среды активность генетического аппарата снижается и происходит исчезновение структурного следа адаптации. Это свидетельствует о том, что в обеспечении состояния адаптации взаимосвязь между функциями и генетическим аппаратом – ключевое звено. Необходимо подчеркнуть также, что изменения метаболизма, направленные на обеспечение состояния фенотипической адаптации, составляют биохимическую стратегию адаптации, являющуюся одним из главных компонентов общей стратегии адаптации.

Различают две формы фенотипической адаптации: кратковременную (в том числе немедленную, срочную) и долговременную (акклиматизация).

^ Кратковременная (срочная) адаптация:

– возникает непосредственно после действия раздражителя;

– осуществляется за счет готовых, ранее сформировавшихся структур и физиологических механизмов. Это означает, что: а) в организме всегда имеется некоторое количество резервных структурных элементов, например митохондрий, лизосом, рибосом; б) работа клеток и тканей может осуществляться по типу дублирования; в) имеется некоторое количество готовых веществ: гормонов, нуклеиновых кислот, белков, АТФ, ферментов, витаминов и др.; это так называемый структурный резерв адаптации, который может обеспечить немедленную реакцию. В связи с тем, что этот резерв невелик, деятельность организма происходит на пределе физиологических возможностей.

При срочной адаптации:

– ведущими факторами являются деятельность неспецифических компонентов и формирование стереотипного ответа, независимо от природы раздражителя;

– развивается острый адаптационный синдром (Ганс Селье назвал его "стресс", что в переводе с английского означает "напряжение") при этом:

- активизируется система гипоталамус–гипофиз;

- усиливается выработка адренокортикотропного гормона (АКТГ);

- усиливается синтез надпочечниками глюкокортикоидов и адреналина;

- сморщиваются тимус и селезенка;

- мобилизуются энергетические и структурные ресуроы;

- состояние адаптации достигается быстро, но она будет устойчивой только в том случае, если фактор перестал действовать; если фактор продолжает действовать, то адаптация оказывается несовершенной, так как резервы исчерпаны и требуется их пополнение.

Срочная адаптация проявляется генерализованными двигательными реакциями или эмоциональным поведением (например, бегство животного в ответ на боль; увеличение теплопродукции в ответ на холод; увеличение теплоотдачи в ответ на тепло; рост легочной вентиляции и минутного объема кровообращения в ответ на недостаток кислорода).

^ Долговременная адаптация развивается на основе реализации этапа срочной адаптации, когда включились системы, реагирующие на данный раздражитель, но не обеспечили устойчивого состояния, или если раздражитель продолжает действовать.

При долговременной адаптации:

– высшие регуляторные центры активизируют гормональную систему и в действие вступают специфические компоненты адаптации;

– происходит мобилизация энергетических и структурных ресурсов организма; это возможно только при активации генетического аппарата, который обеспечивает усиленный биосинтез структур на молекулярном (индукция синтеза гормонов, ферментов, РНК, белка и т.д.), органоидном (биосинтез и гиперплазия органелл клетки), клеточном (усиление размножения клеток), тканевом и органном (увеличение компонентов органов и тканей) уровнях;

– биохимическая стратегия адаптации осуществляется за счет синтеза необходимых веществ, координации их количества и взаимных превращений;

– ведущую роль в обеспечении долговременной адаптации играют центральная нервная система, гормональная система, генетический аппарат;

– образовавшийся структурный след адаптации (вследствие биогенеза структур) при прекращении усиленной деятельности генетического аппарата постепенно исчезает; состояние устойчивости достигается благодаря существованию обратной положительной и отрицательной связи;

– результатом процесса адаптации является достижение организмом состояния устойчивости, обеспечивающей организму возможность существования в новых условиях.

Если интенсивность фактора превышает адаптивные возможности организма и состояние устойчивости не наступает, то организм переходит в состояние истощения (истощаются его структуры, системы, функции); затем следует состояние предболезни и болезни.

Обсуждая вопрос об особенностях адаптации у человека, необходимо подчеркнуть, что человек имеет и биологическую, и социальную природу. Поэтому механизмы достижения состояния адаптации у человека более сложные, чем у других видов живых существ. С одной стороны, у человека, как существа биологического, действуют все приспособительные процессы, определяемые нормой реакции и направленные на достижение устойчивости организма. При этом организм человека, достигший в процессе эволюции наивысшей специализации своих органов и систем, наиболее высокого уровня развития нервной системы, в наибольшей степени способен и к приспособлению к меняющимся условиям среды. В то же время социальная природа человека создала ряд особенностей процессов адаптации, присущих только человеку:

– количество антропогенных факторов среды резко возросло в последние десятилетия, тогда как системы адаптации формировались в течение миллионов лет при отсутствии этих факторов или значительно меньшей их интенсивности и поэтому в современных экологических условиях оказываются недостаточно эффективными;

– человек меньше связан с природой, меньше зависит от нее; подчинен социальным ритмам, регулирует свое поведение сознанием; сознательно выбирает иногда неадекватное поведение;

– человек имеет дополнительные (социальные) механизмы адаптации (одежда, обувь, жилище, организация труда, медицина, физкультура, искусство и др.);

– в адаптации человека ведущую роль играет вторая сигнальная система.

ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ ОТНОШЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА И ПРИРОДЫ

Пути устойчивого развития – использование вторичных ресурсов – экологически чистые технологии – природоохранное законодательство

Природа Земли едина: не имеет границ – государственных, национальных или поли­тических. Поэтому ухудшение экологической ситуации в одной стране неизбежно ухудшает среду обитания в других регионах. Земля – наш общий дом. Все человечество переживает сейчас решающий момент в своей истории. Мир столкнулся с парадоксальным эффектом – с угрозой нищеты, голода, болезней, оскудения экологических систем на фоне небывалого технического и научного прогресса. Люди, наконец, стали осознавать, что здоровое общество и развитая экономика не возможны при ухудшении состояния окружающей среды.

Все глобальные экологические проблемы и пути их решения обсуждались на Встрече на высшем уровне по проблемам планеты Земля в 1992 г. в Рио-де-Жанейро во время Конференции ООН по окружающей среде и развитию. Главный вывод форума: экономическое развитие не может остановиться, но оно должно пойти по иному пути, перестав активно разрушать окружающую среду. Повестка дня на XXI век – обозначить путь к устойчивому развитию, основные принципы для выработки деловой и государственной политики в этой области. Основы такого подхода были заложены еще в 1972 г. на первой Всемирной встрече – Стокгольмской конференции по окружающей человека среде. В 1983 г. была создана Всемирная комиссия по окружающей среде и развитию.

Перед человечеством стоит сложная задача – научиться решать проблемы окружающей среды и экономического развития в комплексе и согласованно, удовлетворять основные нужды людей, повышать уровень жизни и в то же время защищать и сохранять экологические системы. Добиться такого устойчивого развития можно, только соединив усилия всех стран и народов.

^ Принципы устойчивого развития, выработанные на конференции в Рио-де-Жанейро, включают следующие основные идеи:

право человека на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой;

несовместимость развития и вреда окружающей среде, необходимость учета интересов не только нынешних, но и будущих поколений;

недопустимость нанесения ущерба окружающей среде за пределами государства;

разработка каждым государством такого законодательства, которое гарантировало бы ограничение и ликвидацию нежизнеспособных моделей производства и потребления; развитие производства только при обеспечении охраны окружающей среды от его воздейст­вий; объективную оценку экологических последствий предпринимаемых действий и ответственность за загрязнение окружающей среды; поощрение участия населения в решении экологических проблем и предоставление широкого доступа к экологической ин­формации; уведомление других государств о стихийных бедствиях или деятельности, которые могут иметь вредные трансграничные последствия; уважение международного права, укрепление мира.

Декларация по окружающей среде и развитию, принятая Конференцией ООН, особо подчеркивает, что устойчивое развитие требует глубокого научного понимания проблем, обеспечения просвещения и образования по вопросам развития и сохранения окружающей среды, подготовки компетентных кадров. Как один из важнейших путей достижения устойчивого развития Декларация отмечает изменение структуры потребления. В это понятие входят направления и способы экономического роста при одновременном уменьшении расхода энергии и сырья, а также отходов, т.е. увеличение эффективности производства; применение в этих целях ценовых стимулов и рыночных механизмов.

Главный принцип организации любого производства, исходя из этих положений, должен заключаться в его построении по типу биогеохимических циклов миграции веществ и энергии в биосфере. С этой целью первостепенное внимание должно уделяться созданию экологически чистых технологий, внедрению таких процессов, которые превращали бы отходы в ресурсы.

^ Использование вторичных ресурсов (отходов) – одно из наиболее перспективных направлений ресурсосбережения, один из реальных и прогрессивных способов одновременного решения экологических и экономических проблем. В развитых странах накоплен опыт применения таких технологий. Производство алюминия, например, с использованием вторичного сырья по сравнению с производством на базе первичных ресурсов может дать экономию 90-97 % энергии, уменьшение выбросов в атмосферу зольных веществ – до 95 % (В. И. Соколов, 1990). В целях повторного использования алюминия в США разработаны специальные автоматы-сборщики для сбора использованных алюминиевых банок, за счет чего удовлетворяются наполовину нужды этого вида производства. Удельный вес использования в производстве вторичного сырья в США составляет для меди, цинка и свинца около 50 %, для никеля, сурьмы и серебра – около 1/3. Нидерланды занимают среди стран Западной Европы первое место по эффективности вторичного использования стекла (48 %), Германия – второе (33 %). Значительна доля вторичного сырья в производстве бумаги (45 % – в США, 43 % – в Германии). В Германии создана специальная фирма, занимающаяся проблемами сбора, обработки и вторичного использования пластмассовых отходов, а также с 1990 г. действует специальное предписание об отходах упаковочных материалов. Сбор и использование стекольного боя позволили произвести по 15 бутылок в расчете на каждого жителя в год во Франции. Очень больших успехов в рециклизации строительных и потребительских товаров добилась Япония (степень утилизации отходов достигла 60 %) (А. Н. Лебедева, О. Л. Лаврик, 1993). В Швеции созданы специальные законы, регламентирующие весь комплекс мер по сбору, обработке, вторичному использованию и удалению отходов, система морального и материального поощрения фирм, предприятий и населения, участвующих в решении этих проблем.

Однако решить проблемы охраны окружающей среды только путем сбора и вторичной переработки отходов невозможно. На первом месте должна стоять такая организация промышленности, при которой сводилось бы к минимуму само производство отходов, особенно опасных, и тем самым устранялась бы необходимость их сбора, переработки и обезвреживания. Но такой подход к технической политике, ориентированный на ресурсосбережение, на безотходные технологии, требует дополнительных капиталовложений. Так, если в США в 1986 г. на охрану окружающей среды потрачено 65 млрд долларов, то в нашей стране – лишь 9,5 млрд (а федеральный экологический фонд, создаваемый за счет отчислений, составил в 1993 г. всего около 3,5 млрд рублей). В 1995 г. общая сумма затрат на проведение природоохранных мероприятий в России составила 6403,6 млрд рублей, что в долларовом эквиваленте на 60 % меньше, чем в 1992 г. Опыт США (В.И. Соколов, 1990) показывает, что на внедерние малоотходных технологий нужно тратить не менее 20-25 % всех капиталовложений, направляемых на развитие производства. В условиях рынка преимущество имеют те предприниматели, которые занимаются внедрением новых технологий, созданием экологически чистых продуктов. В числе таких технологий, применяемых в Российской Федерации, можно отметить улавливание газов и их адсорбцию, замену мартеновских печей электропечами, применение способов химического извлечения металлов из руд (Новолипецкий, Новооскольский, Новокузнецкий, Нижнетагильский металлургические комбинаты), использование шлаков для изготовления строительных материалов и удобрений, для получения цветных металлов и др. Примерами организации малоотходных производств могут служить также Пикалевский и Волховский глиноземные заводы, производящие глинозем, соду, поташ, цемент (РФ), Первомайское объединение "Химпром" (Украина), производящее хлор и каустик, пластмассы, химические средства защиты растений, синтетические моющие средства и др. (В.А. Зайцев 1990).

Известно, что производство и потребление энергии являются источниками самых серьезных экологических проблем, и дальнейшее их увеличение с помощью существующих источников практически исключается. И не только потому, что на Земле иссякают запасы традиционных невозобновляемых видов топлива (нефти, угля, газа), но и потому, что производимый энергетическими комплексами выброс парниковых газов создает опасность глобального потепления. Более безопасным для Земли стало бы освоение возобновляемых и альтернативных источников энергии. К их числу относятся солнечная, ветровая, геотермальная энергия, энергия морских приливов, биотопливо жидкое (спирты) и газообразное (биогаз, синтетический газ). США являются пионером в области освоения таких видов энергии, крупнейшим производителем, например, солнечных коллекторов, из них 85 % – солнечные батареи, используемые для обогрева зданий. Как многообещающие оцениваются результаты применения фотоэлементов в качестве источников небольшой мощности. В общемировом масштабе производство энергии с использованием солнечной еще незначительно. В некоторых странах отдается предпочтение такому далеко не экологически чистому виду энергетики, как использование дровяных отходов: стоимость полученной с их помощью электроэнергии на 20 % ниже по сравнению с ис­пользованием угля. Быстро растет применение ветряных турбин. В США их количество с 1981 по 1987 г. возросло со 150 до 16 800, а мощность – в 200 раз. Использование энергии Мирового океана включает энергию волн, перепадов солености, источников геотер­мальных вод на морском дне. В общей сложности за счет альтернативных источников энергии уже сегодня человечество получает до 21 % всей производимой энергии, в будущем же они заслуживают более высокой степени приоритета. Тем не менее осваиваются эти источники медленно, и поэтому очень большое значение сохраняют в энергетике ресурсосберегающие меры и методы обезвреживания выбросов. Остаются важными такие направления, как рациональное использование воды, внедрение систем оборотного водоснабже­ния, очистка сточных вод.

Значительный вклад в решение проблем ресуроосбережения вносит внедрение биотехнологий. С их помощью сегодня перерабаты­ваются отходы животноводства (с использованием синезеленых водорослей и образованием белковой биомассы и биогаза), произво­дятся расщепление целлюлозы, очистка вод, извлечение и накопление с помощью микроорганизмов металлов (железа, цинка, меди, кобальта, урана, золота и др.), извлечение серы из угля. Следует, однако, при этом учитывать не только преимущества, но и риск, связанный с применением биотехнологий (попадание используемых микроорганизмов в среду обитания человека, вызываемые ими болезни). В этих целях необходимо разработать вакцины и методы предотвращения распространения болезней и ядов, усилить сопро­тивляемость сельскохозяйственных культур и животных.

Вместе с тем осуществление всех этих сложных процессов переориентации производства на экологически безопасные технологии, сокращение опасных отходов, сбережение природных ресуроов невозможно без создания в каждой стране системы природоохранных мер и разработки природоохранного права. Опыт человечества показывает, что попытки решить проблемы охраны природы, опираясь только на моральные принципы, бесперопективны. Уровень развития общественного сознания недостаточен для того, чтобы обойтись без системы правового и экономического регулирования, регламентирования деятельности человека по отношению к природе.

^ Экологическое (или природоохранное, или природоохранительное) право – это совокупность правовых норм, свод юридических положений по основам сохранения природных ресурсов и сред жизни. Ведущими в природоохранном праве разных стран являются следующие направления:

защита естественной природной среды (консервативная охрана, заповедная охрана);

рациональное использование природных ресурсов;

борьба с загрязнениями среды, охрана экологического равновесия;

ответственность за нарушения, за деформацию среды.

Основная особенность экологического права по сравнению с другими его видами заключается в его комплексности. Оно имеет целый ряд разделов, входящих в состав других видов права: земельного, горного, лесного, воздушного, а также специальные разделы, характерные именно для природоохранения.

Так, экологическое право осуществляет регламентацию отношений в следующих областях:

право собственности на природные объекты (земля, леса, недра и др.);

право природопользования в целом и по видам природных ресуроов (землей, минеральными ресурсами, водой, лесами и другими растительными объектами; животным миром; атмосферным воздухом; ценными природными объектами и комплексами);