Гетеротрофы. Гетеротрофное питание. Характеристика автотрофных и гетеротрофных организмов Гетеротрофные растения

Автотрофы никого не едят, органические вещества делают сами из неорганических.

• Автофототрофы - энергию получают из света (фотосинтез). К фототрофам относятся растения и фотосинтезирующие бактерии.
• Автохемотрофы - энергию получают при окислении неорганических веществ (хемосинтез). Например,
  • серобактерии окисляют сероводород до серы,
  • железобактерии окисляют двухвалентное железо до трехвалентного,
  • нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты.

Сходство и различие фотосинтеза и хемосинтеза

• Сходства: все это пластический обмен, из неорганических веществ делаются органические (из углекислого газа и воды - глюкоза).
• Различие: энергия для синтеза при фотосинтезе берется из света, а при хемосинтезе - из окислительно-восстановительных реакций.

Гетеротрофы

Гетеротрофы получают органические вещества в готовом виде, с пищей. К гетеротрофам относятся животные, грибы и большинство бактерий.

Тесты и задания

Выберите один, наиболее правильный вариант. Что представляет собой микориза?
1) грибокорень
2) корневую систему растения
3) грибницу, распространившуюся в почве
4) нити гриба, образующие плодовое тело

Ответ

Выберите три варианта. К автотрофам относят
1) споровые растения
2) плесневые грибы
3) одноклеточные водоросли
4) хемотрофные бактерии
5) вирусы
6) большинство простейших

Ответ

1. Установите соответствие между группой организмов и процессом превращения веществ, который для нее характерен: 1) фотосинтез, 2) хемосинтез
А) папоротникообразные
Б) железобактерии
В) бурые водоросли
Г) цианобактерии
Д) зеленые водоросли
Е) нитрифицирующие бактерии

Ответ

2. Установите соответствие между примерами и способами питания живых организмов: 1) фототрофный, 2) хемотрофный. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) спирогира
Б) нитрифицирующая бактерия
В) хлорелла
Г) серобактерии
Д) железобактерии
Е) хлорококк

Ответ

Установите соответствие между характеристикой организмов и способом их питания: 1) фототрофный, 2) хемотрофный. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) используется энергия света
Б) происходит окисление неорганических веществ
В) реакции протекают в тилакоидах
Г) сопровождается выделением кислорода
Д) присущ водородным и нитрифицирующим бактериям
Е) требует наличия хлорофилла

Ответ

Ответ

Ответ

1. Установите соответствие между примером и способом питания: 1) автотрофный, 2) гетеротрофный. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) цианобактерии
Б) ламинария
В) бычий цепень
Г) одуванчик
Д) лисица

Ответ

2. Установите соответствие между организмом и типом питания: 1) автотрофное, 2) гетеротрофное. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) сосна сибирская
Б) кишечная палочка
В) амебa человеческая
Г) пеницилл
Д) хвощ полевой
Е) хлорелла

Ответ

3. Установите соответствие между одноклеточным организмов и типом питания, который для него характерен: 1) автотрофный, 2) гетеротрофный. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) холерный вибрион
Б) железобактерия
В) малярийный плазмодий
Г) хламидомонада
Д) цианобактерия
Е) дизентерийная амёба

Ответ

4. Установите соответствие между примерами и способами питания: 1) автотрофный, 2) гетеротрофный. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) спирогира
Б) бычий цепень
В) хвощ полевой
Г) серобактерия
Д) зеленый кузнечик

Ответ

5. Установите соответствие между примерами и способами питания: 1) автотрофный, 2) гетеротрофный. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) хлорелла
Б) лягушка
В) шампиньон
Г) папоротник
Д) ламинария

Ответ

СОБИРАЕМ 6:
А) мукор
Б) нитрифицирующие бактерии
В) трутовик

Выберите один, наиболее правильный вариант. По способу питания подавляющее большинство бактерий
1) автотрофы
2) сапротрофы
3) хемотрофы
4) симбионты

Ответ

1. Установите соответствие между организмом и способом его питания: 1) фототрофный, 2) гетеротрофный, 3) хемотрофный. Запишите цифры 1, 2 и 3 в правильном порядке.
А) спирогира
Б) пеницилл
В) серобактерия
Г) цианобактерия
Д) дождевой червь

Ответ

2. Установите соответствие между организмами и типами их питания: 1) фототрофный, 2) гетеротрофный. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) лямблия
Б) гриб спорынья
В) хламидомонада
Г) цианобактерия
Д) сфагнум

Ответ

Установите соответствие между особенностью обмена веществ и группой организмов, для которых она характерна: 1) автотрофы, 2) гетеротрофы
А) выделение кислорода в атмосферу
Б) использование энергии, заключенной в пище, для синтеза АТФ
В) использование готовых органических веществ
Г) синтез органических веществ из неорганических
Д) использование углекислого газа для питания

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Какие организмы преобразуют энергию окисления неорганических веществ в макроэргические связи АТФ?
1) фототрофы
2) хемотрофы
3) гетеротрофы
4) сапротрофы

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Сходство хемосинтеза и фотосинтеза состоит в том, что в обоих процессах
1) на образование органических веществ используется солнечная энергия
2) на образование органических веществ используется энергия, освобождаемая при окислении неорганических веществ
3) в качестве источника углерода используется углекислый газ
4) в атмосферу выделяется конечный продукт - кислород

Ответ

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Какой организм по способу питания относят к гетеротрофам?
1) хламидомонаду
2) ламинарию
3) пеницилл
4) хлореллу

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Микориза гриба представляет собой
1) грибницу, на которой развиваются плодовые тела
2) множество вытянутых в длину клеток
3) сложные переплетения гифов
4) сожительство гриба и корней растений

Ответ

Ответ

Установите соответствие между характеристикой и способом питании организмов: 1) автотрофный, 2) гетеротрофный. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) источником углерода служит углекислый газ
Б) сопровождается фотолизом воды
В) используется энергия окисления органических веществ
Г) используется энергия окисления неорганических веществ
Д) поступление пищи путем фагоцитоза

Ответ

Установите соответствие между особенностью питания организма и группой организмов: 1) автотрофы, 2) гетеротрофы. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) захватывают пищу путём фагоцитоза
Б) используют энергию, освобождающуюся при окислении неорганических веществ
В) получают пищу путём фильтрации воды
Г) синтезируют органические вещества из неорганических
Д) используют энергию солнечного света
Е) используют энергию, заключённую в пище

Ответ

Хемосинтезирующие бактерии способны получать энергию из соединений всех элементов, кроме двух. Определите два элемента, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) Азот
2) Хлор
3) Железо
4) Магний
5) Сера

Ответ

1. Определите два организма, «выпадающих» из списка автотрофных организмов, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) Амеба обыкновенная
2) Венерина мухоловка
3) Пинуллярия зеленая
4) Инфузория туфелька
5) Спирогира

Ответ

2. Все приведённые ниже организмы, кроме двух, по типу питания относят к автотрофам. Определите два организма, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) хламидомонада
2) хвощ полевой
3) подосиновик
4) кукушкин лён
5) дрожжи

Ответ

3. Все приведённые ниже организмы, кроме двух, по типу питания относят к автотрофам. Определите два организма, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) серобактерия
2) спирогира
3) мухомор
4) сфагнум
5) бактериофаг

Ответ

4. Все приведённые ниже организмы, кроме двух, по типу питания относят к автотрофам. Определите два организма, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) цианобактерия
2) амёба
3) ламинария
4) сфагнум
5) пеницилл

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Бактерии гниения являются по способу питания организмами
1) хемотрофными
2) автотрофными
3) гетеротрофными
4) симбиотическими

Ответ

Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Микоризу образуют
1) береза и подберезовик
2) береза и березовая чага
3) осина и подосиновик
4) сосна и боровик
5) кукуруза и головня
6) рожь и спорынья

Ответ

1. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Примерами симбиотических отношений являются:
1) гриб трутовик и береза
2) росянка и насекомые
3) клубеньковые бактерии и бобовые растения
4) целлюлозоразрушающие бактерии и растительноядные животные
5) каннибализм у хищных рыб
6) актиния и рак-отшельник

Ответ

2. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. В экосистеме смешанного леса симбиотические отношения устанавливаются между
1) берёзами и елями
2) берёзами и грибами-трутовиками
3) тлями и муравьями
4) ежами и насекомоядными птицами
5) берёзами и подберёзовиками
6) черемухой и опыляющими её мухами

Ответ

Установите последовательность этапов круговорота азота в природе, начиная со свободного азота атмосферы. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) поглощение атмосферного азота бактериями
2) превращение свободного азота в связанные формы
3) потребление связанного азота животными
4) денитрификация связанного азота бактериями
5) усвоение соединений азота растениями

Ответ

© Д.В.Поздняков, 2009-2019

Для обозначения таких организмов иногда используют другие термины, означающие, однако, то же самое – сапрофиты (сапрофитное питание) и сапробионты (сапробионтное питание). Многие грибы и бактерии являются сапротрофами, например грибы Mucor, Rhizppus и дрожжи. Для переваривания сапротрофы выделяют в пищу ферменты, а затем поглощают и усваивают продукты этого внеклеточного переваривания.

Сапротрофы уничтожают органические остатки путем их разложения. Многие из образующихся простых веществ не используются самими сапротрофами, поэтому они поступают в пищу растениям. Следовательно, активность сапрофитов обеспечивает весьма важные связи между круговоротами биогенных элементов, делая возможным возврат этих элементов живым организмам.

Третья группа гетеротрофов - голозои . Голозойное питание включает три этапа: поедание, переваривание и всасывание переваренных веществ. Оно чаще наблюдается у многоклеточных животных, имеющих пищеварительную систему.

Голозойно питающихся животных можно подразделить на плотоядных , растительноядных и всеядных .
Однако пути превращения пиши в удобную для усвоения форму у многих организмов сходны и состоят из следующих процессов:

1. Заглатывание , которое обеспечивает захват пищи.
2. Переваривание – это расщепление крупных органических молекул на более мелкие и легче растворимые в воде. Переваривание можно разделить на два этапа. Механическое переваривание, или механическое разрушение пищи, например зубами. Химическое переваривание – это переваривание при помощи ферментов. Реакции, осуществляющие химическое переваривание, называются гидролитическими. Переваривание может быть как внеклеточным (происходит вне клетки), так и внутриклеточным (происходит внутри клетки).
3. Всасывание представляет собой перенос растворимых молекул, полученных в результате расшепления питательных веществ, через мембрану в соответствующие ткани. Эти вещества могут попадать либо непосредственно в клетки, либо сначала в кровяное русло, а уже затем переноситься в разные органы.
4. Усвоение (ассимиляция) – это использование поглощенных молекул для обеспечения энергией или веществами всех тканей и органов.
5. Выделение (экскреция) – эвакуация из организма непереваренных остатков пищи и выведение конечных продуктов обмена.

Мутуализм

Мутуализм представляет собой тесные отношения между двумя живыми организмами различных видов, взаимовыгодные для обоих «партнерои». Например, актиния Calliactis прикрепляется к раковине, в которой живет рак-отшельник. Актиния питается остатками пищи рака-отшельника и «путешествует» вместе с ним. В то же время актиния маскирует жилище рака и обеспечивает его защиту при помощи стрекательных клеток, расположенных в щупальцах. По-видимому, актиния не может существовать, не прикрепившись к раковине рака-отшельника, но и тот, если актиния вдруг покинет его, начинает искать другую, которую и перенесет на свою раковину.

Травоядные жвачные животные содержат в пищеварительном тракте великое множество бактерий и ресничных инфузорий, переваривающих целлюлозу. Эти микроскопические организмы способны выживать только в анаэробных условиях пищеварительного тракта жвачных животных. Здесь бактерии и инфузории питаются целлюлозой, в большом количестве содержащейся в пище хозяина, превращая ее в более простые соединения, которые жвачные уже способны переварить дальше и усвоить. В качестве важного примера мутуализма можно привести образование корневых клубеньков бактерией Rhizobium. Другими примерами служат микориза и эндосимбиоз.

Размытые границы

Интересно, что четкой границы между различными категориями организмов нет, ведь все живое постоянно приспосабливается к условиям существования, вырабатывая новые, порой совершенно невероятные механизмы выживания. Существует большая группа миксотрофов, занимающих промежуточное положение между гетеротрофами и автотрофами.

К ним относятся, в частности, насекомоядные растения, например – венерина мухоловка. Это растение образует органику с помощью фотосинтеза, но часть питательных веществ получает из тел насекомых, которых успешно заманивает в особые ловушки.

История с гетеротрофами и автотрофами лишний раз показывает, насколько сложно и интересно устроена жизнь на нашей планете и как бережно человек должен относиться к ней.

Определения гетеротрофов в научной литературе

• Гетеротрофы – организмы, не способные синтезировать сложные органические вещества своих тел из простых неорганических соединений. Они извлекают из внешней среды и потребляют готовую пищу. В качестве источника питания им служит живая и мертвая масса разных видов организмов, продуктов их жизнедеятельности. К гетеротрофам относят животных, грибы, актиномицеты, некоторые виды бактерий и водорослей, бесхлорофилльные высшие растения. Сельскохозяйственные млекопитающие и птицы – гетеротрофы.
• Гетеротрофы – организмы, использующие для питания органические вещества, произведенные другими живыми организмами, и не способные синтезировать органические вещества из неорганических.
• Гетеротрофы – разлагают органическое вещество до углекислого газа, воды, минеральных солей и возвращают их в окружающую среду. Этим обеспечивается круговорот веществ, который возник в процессе эволюции как необходимое условие существования жизни. При этом световая энергия солнца трансформируется живыми организмами в другие формы энергии – химическую, механическую, тепловую.
• Гетеротрофы (от гетеро… и греч. – питание) – организмы, использующие в качестве источника питания органические вещества, произведенные автотрофами. К ним относятся все животные (включая человека), грибы и большинство микроорганизмов. В пищевой цепи экосистем они составляют группу консументов.
• Гетеротрофы (питающиеся другими) – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это все животные, грибы и ббльшая часть бактерий.
• Гетеротрофы (от греческого geteг – другой) – организмы, нуждающиеся для своего питания в органическом веществе, образованном другими организмами. Гетеротрофы способны разлагать все вещества, образуемые автотрофами, и многие из тех, что синтезирует человек.
• Гетеротрофы потребляют в пищу либо живые, либо отмершие ткани других организмов. Эта органика обеспечивает химической энергией гетеротрофные организмы для осуществления реакций вторичного фотосинтеза.
• Гетеротрофы (от греч. heteros-другой) – это организмы, использующие для своего питания чужие тела (живые или мертвые), то есть готовые органические вещества. Очевидно, что жизнедеятельность гетеротрофов полностью определяется синтетической активностью автотрофов.

«...все растения обладают способностью растворять белковые вещества... Это должно происходить при помощи растворителя, вероятно, состоящего из фермента вместе с кислотою».

Ч. Дарвин

Автотрофные организмы (от греч. «autos» - сам и «trophe» - питание) способны самостоятельно синтезировать органические питательные вещества из неорганических, гетеротрофные - питаются готовыми органическими веществами. К автотрофам принадлежат зеленые растения и некоторые бактерии, использующие в ходе фотосинтеза энергию света (фототрофы), а также бактерии, способные утилизировать энергию окисления веществ для синтеза органических соединений (хемосинтез).

Таким образом, гетеротрофный способ питания клеток и тканей столь же обычен для растений, как и фотосинтез, поскольку присущ любой клетке. В то же время этот способ питания растений изучен крайне недостаточно. Знакомство с физиологией растений, питающихся гетеротрофно, позволяет ближе подойти к пониманию механизмов питания клеток, тканей и органов в целом растении.

Целые растения или органы могут усваивать как низкомолекулярные органические соединения, поступающие извне или из собственных запасных фондов, так и высокомолекулярные белки, полисахариды, а также жиры, которые необходимо предварительно перевести в легкодоступные и усвояемые соединения. Последнее достигается в результате пищеварения, под которым понимают процесс ферментативного расщепления ма-кромолекулярных органических соединений на продукты, лишенные видовой специфичности и пригодные для всасывания и усвоения. Различают три типа пищеварения: внутриклеточное, мембранное и внеклеточное. Внутриклеточное - самый древний тип пищеварения. У растений оно происходит не только в цитоплазме, но и в вакуолях, пластидах, белковых телах, сферосомах. Мембранное пищеварение осуществляется ферментами, локализованными в клеточных мембранах, что обеспечивает максимальное сопряжение пищеварительных и транспортных процессов. Оно хорошо изучено в кишечнике ряда животных. У растений мембранное пищеварение не исследовалось. Внеклеточное пищеварение происходит тогда, когда гидролитические ферменты, образующиеся в специальных клетках, выделяются в наружную среду и действуют вне клеток. Этот тип пищеварения характерен для насекомоядных растений; он осуществляется и в других случаях, в частности в эндосперме зерновок злаков.

В настоящее время грибы относят к самостоятельному царству, однако многие стороны физиологии грибов близки к физиологии растений. По-видимому, сходные механизмы лежат и в основе их гетеротрофного питания.

В плазмалемме гиф грибов, клеток дрожжей функционирует Н + -помпа, и в окружающую среду гриб выделяет различного рода кислые гидролазы. Это приводит к гидролизу сложных органических соединений в окружающем субстрате (внеклеточное кислое пищеварение) и всасыванию продуктов их распада.

Механизм всасывания также связан с работой Н + -помпы в плазмалемме. При закислении наружной примембранной зоны снижается диссоциация органических кислот и они проникают в клетки в виде нейтральных молекул. Сахара и аминокислоты поступают в цитоплазму гифы в симпорте с ионами Н + с помощью специальных липопротеиновых переносчиков. Источником энергии для переноса органических веществ в симпорте с ионами Н + служит протондвижущая сила, включающая как ΔрН, так и электрический мембранный потенциал, возникающие благодаря работе Н + -помпы в плазмалемме (см. рис. 6.8).

Среди растений сапрофитный способ питания довольно обычен у водорослей. Например, диатомовые водоросли, живущие на больших глубинах, куда не достигает свет, питаются, поглощая органические вещества из окружающей среды. При большом количестве растворимых органических веществ в водоемах легко переходят к гетеротрофному способу питания хлорококковые, эвгленовые и некоторые другие водоросли. Причем и в этом случае перенос Сахаров в клетки осуществляется в симпорте с ионами Н + , т. е. с использованием про-тондвижущей силы плазмалеммы.

У покрытосеменных растений сапрофитный способ питания относительно редок. Такие растения не имеют или имеют мало хлорофилла и не способны к фотосинтезу, хотя встречаются и фотосинтезирующие виды. Для построения своего тела они используют гниющие остатки растений и животных. Как пример можно привести Gidiophytum formicarum - полукустарник, стебель которого образует крупный клубень, пронизанный многочисленными ходами, в которых поселяются муравьи. Этот вид использует в пищу продукты жизнедеятельности муравьев, что было доказано с помощью радиоактивной метки. Меченые личинки мухи, которых муравьи занесли в полость стебля, были переварены растением через месяц, а радиоактивность была обнаружена в листьях и подземных частях растения.

Некоторые виды, не содержащие хлорофилла, для обеспечения себя органической пищей используют симбиоз с грибами; это микотрофные растения. Особенно много таких видов в семействе орхидных. На ранних этапах развития все орхидеи вступают в симбиоз с грибами, так как запаса питательных веществ в их семенах недостаточно для роста зародыша. Гифы грибов, проникающие в семена, поставляют растущему зародышу органические вещества, а также минеральные соли из перегноя. У взрослых орхидей с микотрофным типом питания гифы грибов внедряются в периферическую зону корней, но дальше проникнуть не могут. Их дальнейшему росту препятствует фунгистатическое действие клеток глубинных тканей корня, а также слой довольно больших клеток с крупными ядрами, похожих на фагоциты. Эти клетки способны переваривать гифы грибов и усваивать освобождающиеся органические вещества. Возможен, вероятно, и прямой обмен между растением и грибом через наружную мембрану гифы.

Микориза большинством растений используется главным образом для увеличения поглощения воды и минеральных солей.

В настоящее время известно свыше 400 видов покрытосеменных растений, которые ловят мелких насекомых и другие организмы, переваривают свою добычу и используют продукты ее разложения как дополнительный источник питания. Большинство из них встречается на бедных азотом болотистых почвах, есть эпифитные и водные формы.

Ловчие механизмы. Листья насекомоядных растений трансформированы в специальные ловушки. Наряду с фотосинтезом они служат для поимки добычи. По способу ее ловли насекомоядные растения можно разделить на две большие группы.

При пассивном типе ловли добыча может а) прилипать к листьям, желёзки которых выделяют липкую слизь, содержащую кислые полисахариды (библис, росолист), или б) попадать в специальные ловушки в виде кувшинов, урн, трубочек, окрашенных в яркие цвета и выделяющие сладкий ароматный секрет (саррацения, гелиамфора, дарлингтония).

Для активного захвата насекомых используются: 1) приклеивание добычи липкой слизью и обволакивание ее листом или волосками (жирянка, росянка), 2) ловля по принципу капкана - с захлопыванием ловчих листьев над добычей (аль-дрованда, венерина мухоловка), 3) ловчие пузырьки, в которые насекомые втягиваются с водой благодаря поддерживаемому в них вакууму (пузырчатка).

Общим для всех типов ловчих приспособлений является привлечение насекомых с помощью полисахаридных слизей или ароматного секрета (нектара), выделяемых или самими ловчими аппаратами, или желёзками вблизи от ловушки. Быстрые движения ловчих органов, как правило, осуществляются путем изменений в них тургора и запускаются с помощью распространяющихся потенциалов действия в ответ на раздражение чувствительных волосков, вызванное движениями насекомого (см. 13.6.1).

Пищеварение. Попавшее в ловушку или приклеившееся к липкой поверхности листа насекомое переваривается под действием секрета многочисленных желёзок (рис. 7.1). Некоторые насекомоядные парализуют добычу алкалоидами, содержащимися в выделяемой слизи. Так, росянка выделяет алкалоид ко-нитин, парализующий насекомое. Липкая слизь, секретируемая стоячими, или стебельчатыми, желёзками насекомоядных растений, содержит много кислых полисахаридов, состоящих из ксилозы, маннозы, галактозы и глюкуроновой кислоты. Кислая реакция слизи обеспечивается и находящимися в ней органическими кислотами. Слизь, выделяемая стоячими желёзками, содержит ряд гидролаз, активных в кислой среде. Например, у жирянки в слизи содержится кислая амилаза.

Кислые слизистые выделения, азот- и фосфорсодержащие продукты распада стимулируют работу сидячих желёзок, которые начинают выделять кислоты (муравьиную, бензойную), а также протеазы и ряд других гидролаз. Довольно подробно изучена протеолитическая активность секрета у мухоловки. Большая часть протеаз из ее секрета относится к тиоловым протеазам, среди них - карбоксипептидаза, хитинолитическая активность. Кроме протеаз в секрете обнаружены кислая фос-фатаза и эстераза, а у некоторых видов насекомоядных - рибо-нуклеаза, липаза, а также пероксидаза.

Секреторные клетки насекомоядных растений имеют хорошо развитый ЭР и аппарат Гольджи, которые продуцируют большое количество секрета. Секреция слизи, кислот и гидролаз носит активный характер и зависит от дыхания. Дыхательные яды - арсенит, цианид, а также хлороформ прекращают процесс секреции и продуцирование пузырьков с секретом в аппарате Гольджи.

Всасывание продуктов распада осуществляется теми же желёзками, соединенными с проводящей системой, и происходит довольно быстро, что было показано на примере мухоловки с помощью метиленовой сини. Через 5 мин краска проникала в цитоплазму всех клеток головки желёзок. Количественный ультраструктурный анализ показал доминирующую роль симпласта в транспорте продуктов пищеварения у мухоловки. Из всего сказанного следует, что процесс пищеварения у насекомоядных растений осуществляется принципиально так же, как в желудке животных. В том и другом случае секретируются кислоты (НС1 - в желудке, муравьиная кислота - у насекомоядных растений). Кислая реакция пищеварительного сока уже сама по себе способствует перевариванию животной пищи, так как в ее клетках активируются кислые лизосомные гидролазы. Выделение секреторными пищеварительными желёзками гидролаз (протеаз, фосфатаз, эстераз и др.), имеющих оптимум активности в кислой среде, создает благоприятные условия для переваривания пищи. На принципиальное сходство процесса кислого внеклеточного пищеварения у животных и растений впервые указал Дарвин в книге «Насекомоядные растения» (1875).

Сходство физиологии пищеварения у животных и растений уже не вызывает сомнения. В настоящее время известно, что закисление среды в желудке животных осуществляется в результате функционирования Н + помпы в плазмалемме клеток слизистой желудка. Вслед за ионами Н + в полость желудка поступают анионы хлора, компенсирующие выход протонов. Для растений хлор не является необходимым макроэлементом и не накапливается в больших количествах в клетках. Поэтому вслед за ионами Н + из секреторных клеток пищеварительных органов насекомоядных растений выходит не хлор, а анионы органических кислот, прежде всего муравьиная кислота. Свойства кислой протеазы насекомоядных растений также сходны с пепсином желудка, максимальная активность которого наблюдается при рН 1-2.

Значение насекомоядное™. Многие насекомоядные растения живут на почвах, бедных минеральными элементами. Их корневая система слабо развита. У этих растений в отличие от других болотных растений, как правило, нет микоризы, поэтому усвоение минеральных элементов из пойманной добычи имеет для них большое значение. Из тела жертвы насекомоядные растения получают азот, фосфор, калий, серу. Углерод, содержащийся в аминокислотах и других продуктах распада, также участвует в метаболизме насекомоядных растений. Еще Дарвин показал, что если растения росянки подкармливать кусочками мяса, то через три месяца они значительно превосходят контрольные растения по ряду показателей, особенно репродуктивных. Установлено, что растения пузырчатки зацветают только после получения животной пищи.

В основе свойства насекомоядных растений питаться плотоядно лежит способность любой растительной клетки использовать для своего питания органические вещества, освобождаемые из запасной формы или притекающие из других частей растения. В целом растительные организмы, как правило, автотрофны, но углеродные соединения, синтезируемые в ходе фотосинтеза из СО 2 и воды, затем поступают из листьев во все другие части растения, которые питаются за счет этих готовых органических веществ, т. е. гетеротрофно. В тех случаях, когда растительный организм использует запасные органические вещества (углеводы, белки, жиры) или биополимеры цитоплазмы (например, из стареющих листьев), эти вещества должны быть предварительно гидролизованы и таким образом превращены в транспортабельную и усвояемую форму. Этот процесс принципиально не отличается от пищеварения у насекомоядных растений.

Процессы пищеварения в эндосперме. Наиболее удобный объект для изучения процесса пищеварения у растений - прорастающие семена, имеющие эндосперм с отложенными в нем запасами органических питательных веществ. В зрелых зерновках злаков зародыш непосредственно не контактирует с тканями эндосперма. Для мобилизации и всасывания запасных органических веществ (полисахаридов, белков) служит видоизмененная семядоля - щиток (рис. 7.2). По существу, функциональная роль щитка аналогична функции желудка животных. Можно ожидать, что и механизм переваривания нерастворимых запасных полисахаридов и белков эндосперма при прорастании семян принципиально сходен с тем, что происходит при переваривании животных тканей у насекомоядных растений и с пищеварительными процессами в желудке животных.

Действительно, в эпителиальных клетках щитка функционирует Н + -помпа, и щиток выделяет в эндосперм органические кислоты (лимонную и др.). В результате закисления клеток эндосперма, являющихся полумертвыми (ядра и многие органоиды в запасающих клетках эндосперма при созревании зерновок разрушаются), в них активируются кислые гидролазы, прежде всего α-амилазы, и крахмал разлагается до мальтозы и глюкозы. Вслед за секрецией кислот эпителиальные клетки щитка выделяют в эндосперм кислые гидролазы: α- и β-амилазы, цел-люлазу, протеазы, различные глюканазы, фосфатазу, РНКазу и др.

Вслед за щитком на третьи-четвертые сутки прорастания к пищеварительной деятельности щитка подключается и единственный живой слой клеток в эндосперме - периферический алейроновый слой (рис. 7.2). Алейроновые клетки также выделяют в эндосперм органические кислоты и кислые гидролазы (α-амилазу, протеазы, РНКазу и др.). Совместная деятельность щитка и алейронового слоя приводит к растворению запасных веществ эндосперма.

Щиток является также всасывающим органом. Плазмалеммой эпителиальных клеток щитка, граничащих с эндоспермом, осуществляется перенос Сахаров, аминокислот, неорганических катионов и анионов из эндосперма в цитоплазму клеток щитка с последующим поступлением транспортируемых питательных соединений в проводящие пучки, которые доставляют эти соединения в растущий зародыш. Этот процесс связан с работой мембранных Н + -помп, создающих протондвижущую силу. Перенос органических веществ через плазмалемму эпителиальных клеток щитка происходит в симпорте с ионами Н + .

Важно отметить, что процессы мобилизации запасных веществ в эндосперме находятся под гормональным контролем. Секреторная активность щитка активируется цитокинином и ауксином, а синтез и секреция гидролаз в алейроновых клетках полностью находятся под контролем гиббереллина, который поступает в алейроновые клетки из щитка и зародыша.

Растворение и отток запасных веществ из других запасающих органов, например из семядолей двудольных при прорастании семян, по-видимому, происходит сходным образом. Однако в этом случае осуществляется не внеклеточное, а внутриклеточное кислое пищеварение. Эти процессы изучены еще недостаточно.

Мобилизация запасного белка в прорастающих семенах. Сезонная периодичность развития растений включает периоды покоя, перед наступлением которых ассимиляты, оттекающие из листьев, откладываются в запас. Эти запасенные питательные вещества необходимы для начала роста в следующий вегетационный период. Запасающие ткани семян, корней, стеблей, клубней представляют собой вместилища резервов питательных веществ. Накопление в клетках большого количества азота, углерода и других элементов требует образования осмотически неактивных или слабоактивных компонентов. Таковыми и являются макромолекулярные формы запасных питательных веществ: белки, полисахариды, триглицериды. Содержание белка в семенах довольно высоко. Больше всего белка в семенах бобовых (20 - 30%) и масличных (17 - 42%). В семенах злаков его 7-14% на сухую массу. Запасные белки локализованы в алейроновых зернах и белковых телах и представлены глобулинами (основная форма у двудольных) и альбуминами. Имеются также проламины и глютелины.

Алейроновые зерна - запасающие органеллы клеток размером от 0,1 до 25 мкм. Окружены одинарной мембраной. Содержание белка 70 - 80% на сухую массу. В состав алейроновых зерен входят также углеводы, фосфолипиды, фитин, РНК, соли щавелевой кислоты. Встречаются сложные и простые алейроновые зерна. Сложные алейроновые зерна характерны для некоторых двудольных и имеют включения двух типов - глобоидные и кристаллоидные, окруженные аморфным материалом. В кристаллоиде сосредоточено около 60%, в аморфной зоне - 35 -40 % и глобоиде - 3 - 5% белка от общего его содержания в алейроновых зернах. Часть запасных белков в алейроновых зернах образует комплексы с фитином, углеводами и липидами, которые при прорастании гидролизи-руются в первую очередь. В глобоиде локализован фитин - кальций- магниевая соль инозитфосфорной кислоты. В алейроновых клетках крахмалистого эндосперма злаков представлены простые алейроновые зерна. По размеру они меньше сложных и не содержат включений. Фитин локализован у них в белковом аморфном матриксе. В алейроновых зернах содержатся некоторые кислые гидролазы.

Белковые тела находятся в крахмалистом эндосперме зерновок злаков. Эти гетерогенные системы, включающие кроме различных групп запасных белков крахмал, липиды и ряд кислых гидролаз, имеют размеры в несколько микрометров.

Распад белков в семенах начинается почти сразу же после начала набухания и осуществляется несколькими группами протеаз. Различают три стадии протеолиза запасных белков при прорастании. На первой стадии идет лишь ограниченный протеолиз основной массы запасных белков. Распадаются альбумины и глобулины, локализованные в осевых органах зародыша, в алейроновых зернах алейронового слоя. Повышаются подвижность и растворимость белков. Гидролиз белков на этой стадии поставляет аминокислоты, необходимые для синтеза новых ферментативных белков. На второй стадии, которая длится 5-10 дней, белки в запасающих органах быстро распадаются до аминокислот, которые транспортируются к растущему зародышу, обеспечивая его гетеротрофное питание. На заключительном этапе в запасающих органах полностью деградируют структурные и ферментативные белки, которые обеспечивали процесс пищеварения.

Для семян двудольных характерно внутриклеточное переваривание белков. Их распад происходит в тех же клетках, в которых они отложены в запас. Значительные изменения в структуре алейроновых зерен заметны уже через 3 - 5 дней с начала набухания. В них резко возрастает активность кислых гидролаз - фосфатазы, протеазы. В первую очередь исчезают белки аморфного матрикса, затем белковые кристаллоиды и в последнюю очередь глобоиды. Каким образом поддерживается кислый уровень рН в алейроновых зернах, неизвестно. Возможно, в подкислении участвует обнаруженная в них щавелевая кислота. Для полного гидролиза белков в алейроновых зернах недостает собственных протеаз. Дополнительная эндопептида-за синтезируется в эндоплазматическом ретикулуме, который примыкает к алейроновым зернам. По мере истощения белковых запасов алейроновые зерна превращаются в вакуоли.

В зерновках злаков наряду с внутриклеточным пищеварением в алейроновом слое, щитке и зародыше осуществляется и внеклеточное пищеварение неживых клеток крахмалистого эндосперма. Внеклеточное пищеварение идет под действием щитка и клеток алейронового слоя, выделяющих в эндосперм кислоты, а затем и ряд кислых гидролаз, в том числе протеазы (см. рис. 7.2). Выделение кислот в эндосперм приводит к его подкислению, чем создаются оптимальные условия для работы гидролаз, имеющих оптимум действия при рН 4 - 6, а также для транспортных систем в эпителиальных клетках щитка, прилегающих к эндосперму и осуществляющих транспорт продуктов гидролиза из эндосперма в проводящие сосуды щитка. Установлено, что аминокислоты и дипептиды транспортируются гораздо эффективнее при кислых значениях рН наружной среды. Секреция гидролаз щитками кукурузы также наиболее интенсивна при рН 5,4 - 6,0.

Таким образом, подкисление эндосперма - важный этап в прорастании зерновок, так как он настраивает всю систему кислого внеклеточного пищеварения и транспорта на рабочий ритм. Низкомолекулярные пептиды, образующиеся вместе с аминокислотами при гидролизе белков, поглощаются щитками и сразу же гидролизуются щелочной эндопептидазой до аминокислот.

В семядолях тыквенных и бобовых распад белков начинается в алейроновых зернах вблизи эпидермиса и проводящих пучков, затем в столбчатой паренхиме и в последнюю очередь - в клетках губчатой паренхимы. В эндосперме злаков белковые тела сначала распадаются вблизи щитка, потом в алейроновом слое. Заметная потеря азота в крахмалистом эндосперме наблюдается уже на вторые сутки с начала набухания. В клетках алейронового слоя гидролиз белка начинается позже, на 3 -5-е сутки.

Мобилизация запасенных углеводов. Углеводы - важнейшая группа запасных питательных веществ семян. Некоторые семена содержат небольшой запас сахарозы, а также другие сахара (в зависимости от вида): стахиозу, мальтозу, галактозу, рибо-зу, фруктозу, глюкозу. Часто эти сахара связаны с белками в гликопротеиновые комплексы. Однако основным запасным полисахаридом в семенах является крахмал. Семена злаков содержат 50 - 76% крахмала от сухой массы (кукуруза и сорго - до 76, пшеница и ячмень-до 70%), бобовые-50-60% (горох-до 50, бобы - до 60%). Крахмал откладывается в пластидах при созревании семян. Когда крахмальные зерна вырастают до полных размеров, ламеллярная структура пластид разрушается. Размеры крахмальных зерен в семенах различных растений варьируют в пределах примерно от 15 (рис) до 50 мкм в диаметре (бобы). Кроме Сахаров и крахмала в качестве резервных углеводов могут выступать полисахариды, входящие в состав клеточных стенок. Это прежде всего гемицеллюлозы (галакто-маннаны, глюкофруктаны и др.).

При прорастании быстро исчезают запасы свободных Сахаров. Крахмальные гранулы, находящиеся в тесном контакте с цитоплазмой, начинают распадаться. На их поверхности обнаруживается шероховатость, указывающая на начавшийся гидролиз. На ранних стадиях прорастания часть крахмала распадается под действием фосфорилазы. Постепенно скорость фосфоролиза уменьшается и включается другой, более мощный механизм расщепления крахмала с помощью амилаз - гидролитический. Чтобы полностью расщепить крахмал до глюкозы гидролитическим путем, требуется целый комплекс ферментов: важнейшие из них - α- и (β-амилазы, а также α-глюкозидаза и предельная декстриназа.

Переваривание крахмала происходит как внутри клетки, так и внеклеточным путем. Внутриклеточное пищеварение характерно для семян двудольных растений и начинается уже в первые часы набухания в осевых органах. Содержание крахмала в семядолях гороха начинает снижаться лишь с 4 -5-го дня прорастания.

Лучше всего ход распада крахмала изучен у зерновок хлебных злаков, где основная его масса вовлекается в обмен через внеклеточное пищеварение. Процесс гидролиза начинается от щитка и распространяется к дистальной части эндосперма. В зоне эндосперма, примыкающей к щитку, уже через 20 ч от начала набухания зерновок крахмальные зерна разрушаются. Эпителиальные клетки щитка выделяют α- и β-амилазы, сначала запасные формы, а затем и вновь синтезированные. Щиток обеспечивает до 17% всей амилазной активности эндосперма. Выделение з-амилазы клетками алейронового слоя в эндосперм начинается на 3 -4-е сутки. За этот срок крахмал эндосперма уже частично переварен, наблюдается деструкция клеточных стенок, что облегчает процесс секреции и пищеварение.

Усвоение жиров. Свыше 75% семян всех видов цветковых растений содержат жиры в качестве питательного резерва, используемого при прорастании. Запасы как нейтральных жиров, так и значительные количества полярных липидов сосредоточены в сферосомах. Это частицы сферической формы диаметром до 0,5 мкм, а иногда и больше, окруженные одинарной мембраной. В сферосомах обнаружена активность кислой липазы. Основные функции сферосом - запасание и переваривание жиров. У злаков этот процесс начинается сразу после начала набухания зерновок, хотя скорость его первоначально невысока и достигает максимума на 3 -4-й день от начала набухания. У семян масличных распад запасных жиров начинается на 2 -3-й сутки от начала набухания и проходит, как и у других групп растений, в три этапа. На первом этапе жиры под действием фермента липазы распадаются на глицерин и жирные кислоты; на втором - жирные кислоты расщепляются в ходе окисления до ацетил-СоА, который на третьем этапе может превращаться в другие соединения (см. 4.24 и 4.42) или подвергаться дальнейшему окислению.

Ключевая роль в переваривании жиров принадлежит кислой липазе, обладающей невысокой специфичностью и расщепляющей все глицериды. Она может депонироваться в созревающих семенах, а может синтезироваться вновь при прорастании семян в эндоплазматическом ретикулуме, а затем транспортироваться в сферосомы клетки. При прорастании семян отмечен тесный контакт сферосом с глиоксисомами, в которых под действием щелочной липазы происходит дальнейший распад моноглицеридов, а также β-окисление жирных кислот. Там же протекают реакции глиоксилатного цикла, в которых ацетил-СоА может превращаться в янтарную и щавелевоуксусную кислоты. Еще один продукт распада жиров - глицерин - восстанавливается до фосфодиоксиацетона и далее может превращаться в сахара путем глюконеогенеза (см. рис. 4.11).

Важность изучения гетеротрофного питания определяется тем, что все незеленые органы растений (корни, цветки, плоды) и все клетки растений в темноте питаются гетеротрофно.

Все живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой открытые системы, зависящие от поступления вещества и энергии извне. Процесс потребления вещества и энергии был назван питанием.

В 80-х гг. XIX в. немецкий биолог Вильгельм Пфеффер разделил все живые организмы по способу питания. Это деление сохранилось и до нашего времени.

Пфеффер исходил из того, что зеленое растение в природе не нуждается в притоке органического вещества извне, а само способно синтезировать его в процессе фотосинтеза. Растения, используя энергию солнечного света и поглощая минеральные вещества из почвы и воды, синтезируют органические вещества. Эти соединения служат растениям материалом, из которого они образуют свои ткани, и источником энергии, необходимой им для поддержания своих функций. Для высвобождения запасенной химической энергии растения разлагают произведенные органические соединения на исходные неорганические компоненты - диоксид углерода, воду, нитраты, фосфаты и другие, завершая тем самым круговорот питательных веществ.

Только исключительно зеленым растениям природой дано искусство создавать органические вещества из воды и воздуха, используя солнечную энергию. Пфеффер назвал их автотрофами, что означает «самопитающиеся, самокормящиеся» (от греч. «авто» - сам, «трофе» - кормиться, питаться). Автотрофные растения не только кормятся сами, но и кормят все остальные живые организмы.

В зависимости от источника энергии автотрофы были поделены на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для биосинтеза световую энергию (растения, цианобактерии), вторые используют для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений (хемотрофные бактерии: водородные, нитрифицирующие, серобактерии и др.).

По способу получения пищи гетеротрофы делят на фаготрофов и осмотрофов. Фаготрофы питаются путем заглатывания твердых кусков пищи (животные), осмотрофы поглощают органические вещества в растворенном виде непосредственно через клеточные стенки (грибы, большинство бактерий).

Некоторые живые организмы способны как к автотрофному, так и гетеротрофному питанию. Такие организмы называют миксотрофами. Они способны синтезировать органические вещества и питаться готовыми органическими соединениями. Например, насекомоядные растения, эвгленовые водоросли и др.

Среды жизни на планете Земля

Неживая и живая природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания (жизненная среда, внешняя среда). По определению Н. П. Наумова (1963), среда – «все, что окружает организмы и прямо или косвенно влияет на их состояние, развитие, выживание и размножение». Из среды обитания организмы получают все необходимое для жизни и в нее же выделяют продукты своего обмена веществ.

Организмы могут вести свое существование в одной или нескольких средах жизни. Например, человек, большинство птиц, млекопитающих, семенных растений, лишайников являются обитателями только наземно-воздушной среды; большинство рыб обитают только в водной среде; стрекозы одну фазу проводят в водной, а другую - в воздушной среде.

Водная среда жизни

Водная среда характеризуется большим своеобразием физико-химических свойств благоприятных для жизни организмов. Среди них: прозрачность, высокая теплопроводность, высокая плотность (примерно в 800 раз превышает плотность воздуха) и вязкость, расширение при замерзании, способность растворять многие минеральные и органические соединения, большая подвижность (текучестью), отсутствие резких колебаний температур (как суточной, так и сезонной), способность одинаково легко поддерживать значительно отличающиеся по массе организмы.

Неблагоприятными свойствами водной среды являются: сильные перепады давления, слабая аэрация (содержание кислорода в водной среде минимум в 20 раз ниже, чем в атмосфере), недостаток света (особенно мало его в глубине водоемов), недостаток нитратов и фосфатов (необходимы для синтеза живого вещества).

Различают пресную и морскую воды, которые отличаются как по составу, так и по количеству растворенных минеральных веществ. Морская вода богата натрием, магнием, хлорид- и сульфат-ионами, тогда как в пресной воде преобладают кальций и карбонат-ионы.

Организмы, обитающие в водной среды жизни, составляют одну биологическую группу - гидробионтов.

В водоемах обычно различают два экологически особых местообитания (биотопа): толща воды (пелагиаль) и дно (бенталь). Организмы, обитающие там, получили названия пелагос и бентос.

Среди пелагоса различают следующие формы организмов: планктон - пассивно плавающие мелкие представители (фитопланктон и зоопланктон); нектон - активно плавающие крупные формы (рыбы, черепахи, головоногие моллюски); нейстон - микроскопические и мелкие обитатели поверхностной пленки воды. В пресных водоемах (озера, пруды, реки, болота и т.д.) подобная экологическая зональность не очень четко выражена. Нижняя граница жизни в пелагиали определяется глубиной проникновения солнечных лучей, достаточных для фотосинтеза и редко достигает глубины более 2000 м.

В бентали также выделяют особые экологические зоны жизни: зона плавного понижения суши (до глубины 200-2200 м); зона крутого склона, океаническое ложе (со средней глубиной 2800-6000 м); впадины океанического ложа (до 10000 м); кромка берега, заливаемая приливами (литораль). Обитатели литорали живут в условиях обильного солнечного освещения при невысоком давлении, с частыми и значительными колебаниями температурного режима. Обитатели зоны океанического ложа напротив существуют в полной темноте, при постоянно низкой температуре, дефиците кислорода и при огромном давлении, достигающем почти тысячи атмосфер.

Наземно-воздушная среда жизни

Наземно-воздушная среда жизни является самой сложной по экологическим условиям и обладает большим разнообразием областей обитания. Это обусловило величайшее многообразие сухопутных организмов. Абсолютное большинство животных в этой среде передвигаются по твердой поверхности - почве, а растения укореняются и ней. Организмы этой среды жизни называют аэробионтами (террабионтами, от лат. terra - земля).

Характерной особенностью рассматриваемой среды является то, что живущие здесь организмы существенным образом влияют на среду жизни и во многом сами создают ее.

Благоприятным для организмов характеристиками данной среды являются - обилие воздуха с высоким содержанием кислорода и солнечного освещения. К неблагоприятным чертам можно отнести: резкие колебания температуры, влажности и освещения (в зависимости от сезона, времени суток и географического положения), постоянный дефицит влаги и наличие ее в виде пара или капель, снега или льда, ветер, смена времен года, особенности рельефа местности и др.

Для всех организмов наземно-воздушной среды жизни характерны системы экономного расходования воды, разнообразные механизмы терморегуляции, высокая эффективность окислительных процессов, особые органы усвоения атмосферного кислорода, сильные скелетные образования, позволяющие поддерживать тело в условиях низкой плотности среды, различные приспособления для защиты от резких колебаний температур.

Наземно-воздушная среда по своим физико-химическим характеристикам считается достаточно суровой по отношению ко всему живому. Но, несмотря на это жизнь на суше достигла очень высокого уровня, как по общей массе органического вещества, так и по разнообразию форм живой материи.

Почва

Почвенная среда занимает промежуточное положение между водной и наземно-воздушной средами. Температурный режим, пониженное содержание кислорода, насыщенность влагой, присутствие значительного количества солей и органических веществ сближают почву с водной средой. А резкие изменения температурного режима, иссушение, насыщение воздухом, в том числе кислородом, сближают почву с наземно-воздушной средой жизни.

Почва - это рыхлый поверхностный слой суши, который представляет собой смесь минеральных веществ, полученных при распаде горных пород под воздействием физических и химических агентов, и особых органических веществ, возникших в результате разложения растительных и животных остатков биологическими агентами. В поверхностных слоях почвы, куда поступает самое свежее мертвое органическое вещество, обитает множество организмов-разрушителей - бактерий, грибов, червей, мельчайших членистоногих и др. Их активность обеспечивает развитие почвы сверху, тогда как физическое и химическое разрушение коренной породы способствует образованию почвы снизу.

Как среду жизни почву отличает ряд особенностей: большая плотность, отсутствие света, пониженная амплитуда колебаний температур, недостаточность кислорода, сравнительно высокое содержание углекислого газа. Кроме того, почва характеризуется рыхлой (пористой) структурой субстрата. Имеющиеся полости заполнены смесью газов и водными растворами, что определяет чрезвычайно большое разнообразие условий для жизни множества организмов. В среднем на 1м2 почвенного слоя приходится более 100 млрд. клеток простейших, миллионы коловраток и тихоходок, десятки миллионов нематод, сотни тысяч членистоногих, десятки и сотни дождевых червей, моллюсков и прочих беспозвоночных, сотни миллионов бактерий, микроскопических грибов (актиномицетов), водорослей и других микроорганизмов. Все население почвы – эдафобионты (эдафобиус, от греч. edaphos – почва, bios - жизнь) взаимодействует между собой, образуя своеобразный биоценотический комплекс, активно участвующий в создании самой почвенной среды жизни и обеспечивающий ее плодородие. Виды, населяющие почвенную среду жизни, называют также педобионтами (от греч. paidos - дитя, т.е. в своем развитии проходящие стадию личинок).

У представителей эдафобиуса в процессе эволюции выработались своеобразные анатомо-морфологические особенности. Например, у животных - вальковатая форма тела, малые размеры, сравнительно прочные покровы, кожное дыхание, редукция глаз, бесцветность покровов, сапрофагия (способность питаться остатками других организмов). Кроме того, наряду с аэробностью широко представлена анаэробность (способность существовать при отсутствии свободного кислорода).

Организм как среда жизни

Как среда жизни организм для его обитателей характеризуется такими положительными особенностями как: легкоусвояемая пища; постоянство температурного, солевого и осмотического режимов; отсутствие угрозы высыхания; защищенность от врагов. Проблемы для обитателей организмов создают такие факторы как: нехватка кислорода и света; ограниченность жизненного пространства; необходимость преодоления защитных реакций хозяина; распространение от одной особи хозяев к другим особям. Кроме того, данная среда всегда ограничена во времени жизнью хозяина.

Таким образом, одна и та же среда может быть очень разнообразной. В жизненных средах имеются различные местообитания (биотопы). Своеобразие условий той или иной среды жизни обусловило многообразие живых организмов. При этом все среды жизни и сами постоянно претерпевают существенные изменения от жизнедеятельности организмов.

Некоторые общие закономерности действия экологических факторов

1. Экологические факторы способны оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на жизнь отдельных организмов и экосистем в целом.

Причем один и тот же экологический фактор может выступить в роли как прямодействующего, так и косвеннодействующего. Например, влияние температуры на растения чаще всего относится к прямодействующим фак­торам. Однако происходящее попутно нагревание почвы активизирует деятельность почвенных микроорганизмов, что, в свою очередь, создает благоприятные условия для почвенного питания растений.

2. Экологические факторы обычно действуют не поодиночке, а целым комплексом (закон совокупного действия факторов Бауле-Тинемана).

При этом действие одного какого-либо фактора зависит от уровня действия других факторов. Сочетание с разными факторами сказывается на проявлении оптимума в свойствах организмов и на пределах их существования.

3. Действие одного какого-либо фактора зависит от действия других, но никогда действие одного фактора не может быть полностью заменено действием другого (закон незаменимости фундаментальных факторов, по Вильямсу, 1949).

Невозможно вырастить зеленое растение в полной темноте даже на очень плодородной почве. Но при комплексном воздействии среды нередко можно видеть эффект замещения (правило замещения экологических условий), когда любое условие внешней среды лишь в некоторой степени может замещаться другим. Например, свет не может быть заменен избытком тепла или обилием углекислого газа, но, действуя изменениями температуры, можно приостановить фотосинтезирование растений и тем самым создать эффект короткого дня, а удлинив активный период, - создать эффект длинного дня. Это явление широко используется сегодня в растениеводческой и животноводческой практике.

4. Все изменения факторов среды вызывают у организмов специфические адаптации, которые проявляются в виде приспособленности (эволюционное свойство) и приспособляемости (сиюминутное свойство).

Каждый вид живых организмов адаптируется по-своему. Двух идентичных видов в природе не существует (правило экологической индивидуальности).

5. В комплексном действии среды факторы по своему воздействию неравноценны для организмов. Одни могут выступать ведущими (главными), другие - фоновыми (сопутствующими, второстепенными).

Ведущие факторы различны для разных организмов (даже если они живут в одном месте). В роли ведущего фактора

на разных этапах жизни организма могут выступать то одни, то другие элементы среды. Например, для ранневесенних растений в период цветения ведущим фактором является свет, а по отцветанию - влага и достаток питательных веществ. Кроме того, ведущий фактор может быть неодинаков у одних и тех же видов, живущих в разных физико-географических условиях. Например, активность комаров, в теплых районах определяется световым режимом, тогда как на Севере - изменениями температуры.

6. Обычные, регулярно повторяемые, пусть и очень сильные, колебания в действии фактора не оказываются губительными, тогда как случайные, в том числе и кратковременные, действия вызывают серьезные изменения, приводящие организм к угнетению и даже гибели.

Например, внезапно наступившие заморозки среди теплого периода (уже при температуре -3°С) способны привести к гибели брусники, которая в зимнее время способна выдержать морозы до 22°С, а летом может погибнуть.

7. Экологические факторы сами находятся под постоянным воздействием организмов, на которые они влияют.

К примеру, в связи со средообразующей деятельностью растений в лесу всегда наблюдается иной температурный, световой, влажный режим (летом в лесу всегда прохладнее, чем на открытом месте, нет ветра, кроны деревьев задерживают капли дождя).

Понятие о природопользовании. Природные ресурсы.

Под природопользованием, с одной стороны, понимают использование природных ресурсов в целях удовлетворения материальных и культурных потребностей общества, с другой стороны, это область знаний, которая разрабатывает принципы рационального природопользования.

По Н. Ф. Реймерсу (1992) природопользование включает в себя: охрану, возобновление и воспроизводство природных ресурсов, и их переработку; использование и охрану природных условий среды жизни человека; сохранение, восстановление и рациональное изменение экологического равновесия природных систем; регуляцию воспроизводства человека и численности людей.

Основными целями природопользования как науки являются:

· Рациональное размещение отраслей производства на Земле.

· Определение целесообразных направлений пользования природными ресурсами в зависимости от их свойств.

· Рациональная организация взаимоотношений между отраслями производства при совместном пользовании угодьями: исключение вредных влияний на природные ресурсы; обеспечение производства для растущих производств - расширение воспроизводства используемых ресурсов; комплексность пользования природными ресурсами.

· Создание здоровой среды обитания для людей и полезных им организмов (предупреждение ее загрязнения; ликвидация естественно существующих в ней вредных компонентов).

· Рациональное преобразование природы.

Различают общее и специальное природопользование. Общее природопользование не требует специального разрешения. Оно осуществляется гражданами на основе принадлежащих им естественных прав, существующих и возникающих как результат рождения и существование (например, пользование воздухом, водой и т.д.). Специальное природопользование осуществляется физическими и юридическими лицами на основании разрешения уполномоченных государственных органов. Оно носит целевой характер и по видам используемых объектов подразделяется на землепользование, лесопользование, пользование недрами и др. Этот вид природопользования регулируется экологическим законодательством.

В зависимости от многообразной деятельности человека различают отраслевое, ресурсное и территориальное природопользование.

Отраслевое природопользование - использование природных ресурсов в пределах отдельной отрасли хозяйства.

Ресурсное природопользование - использование какого-либо отдельно взятого ресурса.

Территориальное природопользование - использование природных ресурсов в пределах какой-либо территории.

В зависимости от последствий хозяйственной деятельности человека природопользование может быть рациональным и нерациональным. Рациональное природопользование обеспечивает экономное использование природных ресурсов и условий, их охрану и воспроизводство с учетом настоящих и будущих интересов общества. Результатом нерационального природопользования становится - истощение и загрязнение окружающей среды, нарушение экологического равновесия природных систем, экологический кризис.

Неотъемлемой частью рационального природопользования является охрана природы, под которой понимают систему мероприятий по оптимизации взаимоотношений человеческого общества и природы.

В процессе взаимодействия с природой человеческое общество выработало ряд принципов (правил), направленных на рационализацию природопользования, позволяющих предотвратить или смягчить негативные последствия воздействия на природу.

Правило прогнозирования: использование и охрана природных ресурсов должны осуществляться на основе предвидения и максимально возможного предотвращения негативных последствий природопользования.

Правило повышения интенсивности освоения природных ресурсов: использование природных ресурсов должно производиться на основе повышения интенсивности освоения природных ресурсов (например, с уменьшением или устранением потерь полезных ископаемых при их добыче, транспортировке, обогащении и переработке).

Правило множественного значения объектов и явлений природы: использование и охрана природных ресурсов должны осуществляться с учетом интересов разных отраслей хозяйства.

Правило комплексности: использование природных ресурсов должно реализовываться комплексно, разными отраслями народного хозяйства.

Правило региональности: использование и охрана природных ресурсов должны осуществляться с учетом местных условий.

Правило косвенного использования и охраны: использование или охрана одного объекта природы может приводить к косвенной охране другого, а может приносить ему вред.

Правило единства использования и охраны природы: охрана природы должна осуществляться в процессе ее использования. Охрана природы не должна быть самоцелью.

Правило приоритета охраны природы над ее использованием: при использовании природных ресурсов должен соблюдаться приоритет экологической безопасности над экономической выгодностью.

Выработанные принципы рационального природопользования и охраны окружающей среды закреплены законодательно. Так, в Федеральном законе от 10 января 2002 г. № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» юридически закреплены следующие принципы:

Приоритет охраны жизни и здоровья человека, обеспечение благоприятных экологических условий для жизни, труда и отдыха населения;

Научно-обоснованное сочетание экологических и экономических интересов общества, обеспечивающих реальные гарантии прав человека на здоровую и благоприятную для жизни окружающую природную среду;

Рациональное использование природных ресурсов с учетом законов природы, потенциальных возможностей окружающей природной среды, необходимости воспроизводства природных ресурсов и недопущения необратимых последствий для окружающей природной среды и здоровья человека;

Соблюдение требований природоохранительного законодательства, неотвратимость наступления ответственности за их нарушения;

Гласность в работе и тесная связь с общественными организациями и населением в решении природоохранительных задач;

Международное сотрудничество в области охраны окружающей природной среды.

Конечная цель рационального природопользования и охраны природы - обеспечение благоприятных условий для жизни человека, развития хозяйства, науки, культуры и т.д., для удовлетворения материальных и культурных потребностей всего человеческого общества.

Кадастр - это систематизированный свод сведений (экономических, экологических, организационных и технических) включающий качественную и количественную опись объектов и явлений, в ряде случаев с социально-экономической оценкой и рекомендациями по их использованию.

На основе кадастров природных ресурсов разрабатываются меры по восстановлению и оздоровлению окружающей среды, и дается денежная оценка природного ресурса.

Единого кадастра природных ресурсов не существует.

Во-первых, кадастры делят на территориальные и отраслевые. Первые ведутся на определенной территории и охватывают все элементы окружающей среды в данной территории. Вторые ведутся уже по отдельным элементам.

Во-вторых, кадастры делят по видам природных ресурсов (таб.1).

Таблица 1.

Краткая характеристика некоторых кадастров

Лесной кадастр содержит сведения о правовом режиме лесного фонда, о количественной и качественной оценке состояния лесов, о групповом подразделении и категории лесов по их защищенности, дается экономическая оценка леса. Сведения лесного кадастра используются для определения экономической и экологической значимости лесов, при выборе сырьевых баз для заготовки древесины, для проведения лесовосстановительных работ, замены малопродуктивных лесов высокопродуктивными лесными угодьями.

Охотничье-промысловый кадастр (реестр охотничьих животных) используется для количественного и качественного учета животных охотничьего фонда, установления ограничения охоты на те виды, которые проявляют устойчивые тенденции к сокращению популяций.

С аналогичными целями формируется Реестр рыбных запасов.

Своеобразным кадастром редких животных и растений служат Красные книги (Международная красная Книга, Красная Книга Российской Федерации, Красные книги республик, краев и областей).

Функции кадастра выполняет и Реестр природно-заповедных территорий и объектов (заповедников, национальных парков, памятников природы и др.).

Водный кадастр содержит характеристику водных объектов и выполняет следующие задачи: текущая и перспективная оценка состояния водных объектов с целью планирования использования водных ресурсов, предотвращения истощения водоисточников, восстановления качества воды до нормативного уровня. На основе материалов водного кадастра определяется целевое использование вод, проводится паспортизация и изъятие из хозяйственного оборота наиболее ценных водных объектов, вводятся ограничительные меры по водопользованию с целью охраны водоисточников.

Земельный кадастр содержит сведения о качественном составе почв, распределении земель по использованию, собственниках земли (владельцах, арендаторах, пользователях). Данные кадастровой оценки земель учитывают при планировании использования земель, распределении по целевому назначению, их предоставлению или изъятию, при определении платежей за землю, для оценки степени рационального использования земель.

Кадастр полезных ископаемых включает в себя сведения о ценности каждого месторождения полезных ископаемых, горнотехнические, экономические, экологические условия их разработки.

Кроме того, существует Реестр загрязнителей, в котором ведется учет загрязнителей окружающей природной среды, выбросов, сбросов, захоронений, их количественная и качественная оценка.

Перечень обязательных кадастровых показателей по характеристикам каждого вида природного ресурса разрабатывает и утверждает Минприроды России совместно с другими федеральными органами исполнительной власти в области охраны окружающей природной среды. Перечень дополнительных кадастровых показателей, необходимых для территориального управления, устанавливают органы государственного управления субъектов РФ в зависимости от природно-ресурсной и хозяйственной специфики конкретной территории.

Кроме того, в Российской Федерации для обеспечения органов исполнительной власти и органов местного самоуправления достоверной информацией о состоянии природно-ресурсного потенциала формируется система комплексных территориальных кадастров природных ресурсов и объектов. Эта система представляет собой государственный свод системно-организованных данных о природных ресурсах и природных объектах в границах административной территории (субъект РФ, округ, район), предназначенных для обеспечения процесса принятия управленческих решений по вопросам охраны окружающей среды, использования природных ресурсов и обеспечения экологической безопасности.

Информация комплексных территориальных кадастров природных ресурсов и объектов создается на основе современных геоинформационных и телекоммуникационных технологий и используется органами исполнительной власти и органами местного самоуправления, юридическими и физическими лицами, общественными объединениями в целях:

· разработки стратегии устойчивого социально-экономического развития территорий и обеспечения экологических приоритетов этого развития;

· гармонизации природно-ресурсных отношений между городскими и сельскими территориями;

· выравнивания уровня социально-экономического развития районов в пределах территории субъекта Российской Федерации;

· определения стратегических направлений для государственных и частных инвестиций на территорию субъекта РФ, гарантирующих не истощаемое использование его природно-ресурсного потенциала;

· направленных на сохранение окружающей среды и природных ресурсов.

Информация комплексных кадастров адаптирована для пользования лицами, принимающими решения в области: обеспечения управленческих решений в эколого-ресурсной сфере; проведения функционального зонирования территории; организации и реорганизации размещения производительных сил; реализации инвестиционных целевых программ развития отдельных территорий; изменения структуры и базы налогообложения в регионах; ресурсосбережения, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды; обеспечения санитарной и экологической безопасности; разграничения компетенции по распоряжению природными объектами между РФ, ее субъектами и органами местного самоуправления; приватизации природных объектов.

Экологические проблемы ресурсного природопользования

Антропогенные воздействия на атмосферу и ее защита

Понятие атмосферы

Атмосфера (от греч. atmos - воздух, sfera - шар) – газовая оболочка, окружающая Землю.

Основными составляющими газами атмосферы являются – азот и кислород. Современный газовый состав атмосферы находится в динамическом равновесии, которое поддерживается совместной деятельностью автотрофных и гетеротрофных организмов и различными глобальными геохимическими явлениями.

Входящие с состав атмосферы компоненты можно подразделить на следующие группы:

· постоянные (кислород-21%, азот до 78% и инертные газы – около1 %),

· переменные (диоксид углероды – 0,02-0,04 % и водяной пар – до 3 %)

· случайные - загрязнители.

Обычно в составе атмосферы выделяют 5 слоев.

1 слой - Тропосфера - приземистый слой высотой 8-18 км. Высота тропосферы изменяется от 8-10 км в полярных широтах, до 12 км - в умеренных, 16-18 км - у экватора. В ней содержится до 80 % воздуха Земли, а также основное количество атмосферных примесей. Тропосфера обладает беспорядочным бурным перемещением слоев воздуха, здесь сосредоточен водяной пар, природная и антропогенная пыль. В результате конденсации водяного пара на ядрах пыли формируются облака и разнообразные осадки (в виде дождя, града и снега).

2 слой - Стратосфера ограничивается высотой 50-60 км над уровнем моря. Для нее характерны слабые воздушные потоки, малое количество облаков и относительное постоянство температуры (-56◦ С). Но данный температурный режим сохраняется - до 25 км, дальше температура повышается и на уровне 46-56 км достигает 0◦ С. В верхней части стратосферы, на высоте 20-25 км, наблюдается максимальная концентрация озона (О3), поглощающего большую часть ультрафиолетовой радиации солнца и предохраняющего живую природу от ее вредного действия. Озон является производной молекулярного кислорода. Образование озона происходит с помощью солнечной радиации и электрических разрядов. Толщина озонового слоя в зависимости от широты и времени года колеблется в пределах 23-52 см. Озоновый слой подвижен. Летом его больше и он располагается выше, зимой - наоборот. Наибольшее количество озона находится в зоне тропических лесов, наименьшее - в широтах Арктики и Антарктиды.

3 слой - Мезосфера лежит над стратосферой на высотах от 50 до 80-85 км. Характеризуется понижением средней температуры с высотой (от 0◦ С на нижней границе до -90 0◦ С у верхней границы).

4 слой - Термосфера простирается в среднем от 80 до 300 - 800 км. В данном слое происходит повышение температуры до 1500◦ С, связанный главным образом с поглощением солнечной коротковолновой радиации.

5 слой - Экзосфера. Это внешний, наиболее разреженный слой атмосферы, который располагается выше 800 км и простирается до 2000-3000 км. Экзосфера характеризуется постоянством температуры с высотой (до 2000◦ С). Скорость движения газов здесь приближается к критической величине (11,2 км/с). В этой сфере господствуют атомы водорода и гелия, образующие вокруг Земли «корону».

Кроме того, выше 80-90 км солнечное излучение вызывает не только химические реакции, но и ионизацию газов. В результате чего, образуется ионосфера, захватывающая несколько атмосферных слоев и достигающая высоты 1000 км. Этот слой предохраняет биосферу от вредного воздействия космической радиации, влияет на отражение и поглощение радиоволн. В нем возникает полярное сияние.

А т м о с ф е р а выполняет ряд важных экологических функций:

· за счет наличия кислорода и озона обеспечивает возможность жизни на земле (в среднем в сутки человек потребляет 12 кг воздуха; без озонового экрана существование человека продлится всего 7 секунд);

· регулирует тепловой режим Земли (без атмосферы суточные колебания находились бы в пределе 200 ◦ С);

· формирует климат и погоду;

· защищает от падающих метеоритов;

· распределяет потоки света (воздух разбивает солнечные лучи на миллионы мелких лучиков, рассеивает их и создает равномерное освещение);

· является проводником звуков (без атмосферы царила бы тишина);

· влияет на режим рек и почвенно-растительный покров;

· принимает участие в формировании ландшафтов.

Антропогенное воздействие на атмосферу проявляется, прежде всего, в загрязнении атмосферного воздуха.

Источники, состав и масштабы загрязнения атмосферы

Загрязнение - привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно нехарактерных физико-химических и биологических веществ, агентов, оказывающих вредные воздействия на природные экосистемы и человека.

По агрегатному состоянию все загрязняющие вещества подразделяются на твердые (например, тяжелые металлы, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества), жидкие (например, кислоты, щелочи, растворы солей) и газообразные (например, диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды) (таб. 1.). Газообразные загрязнители составляют около 90% от общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ.

Таблица 1.

Выбросы в атмосферу основных загрязнителей

Различают естественные (природные) и искусственные (антропогенные) загрязнения атмосферы.

Естественные загрязнения атмосферы происходят при извержении вулканов, выветривании горных пород, при пыльных бурях, лесных пожарах (возникающих от удара молнии), испарениях болот, выносе морских солей и др. Кроме того, в атмосфере постоянно присутствуют бактерии (в том числе и болезнетворные), споры грибов, пыльца растений и др.

Природные источники загрязнения распределены довольно равномерно по поверхности планеты, и они уравновешены обменом веществ.

Искусственные загрязнения появляются в атмосфере благодаря хозяйственной деятельности человека и представляют наибольшую опасность. Эти загрязнители можно подразделить на несколько групп:

Биологические (отходы производств, связанные с органическими веществам);

Микробиологические (вакцина, сыворотка, антибиотики);

Химические (химические элементы, кислоты, щелочи и др.);

Механические (пыль, сажа, аэрозоли др.);

Физические (тепло, шум, свет, электромагнитные волны, радиоактивные излучения).

Источники загрязнения атмосферного воздуха

В настоящее время самыми значительными источниками искусственных загрязнений атмосферы являются транспорт и индустрия. «Основной вклад» в загрязнение атмосферного воздуха в России вносят такие отрасли как: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, котельные и др.), черная и цветная металлургия, нефтедобывающее и нефтеперерабатывающее производство, производство стройматериалов и др.

Энергетика. При сжигании твердого топлива (каменного угля) в атмосферный воздух поступают оксиды серы, оксиды азота, твердые частицы (пыль, сажа, зола). Объем выбросов велик. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает при этом в атмосферу 680 т оксидов серы, 200 т оксидов азота и около 150 т золы, пыли и сажи вместе взятых.

При использовании мазута (жидкого топлива) снижается выброс золы. А газовое топливо загрязняет атмосферный воздух в 3 раза меньше, чем мазут, и в 5 раз меньше, чем уголь. Атомная энергетика (при условии безаварийной работы) еще более экологична, но наиболее опасна в отношении аварий и отходов ядерного топлива.

Автотранспорт. В настоящее время в мире эксплуатируется несколько сот миллионов автомобилей. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания содержат огромное количество токсичных соединений. Например, тысяча автомобилей с карбюраторным двигателем выбрасывают в день около 3 т угарного газа, 100 кг оксидов азота, 500 кг соединений неполного сгорания бензина. В целом, отработанные газы автомобильного транспорта содержат более 200 токсических веществ.

В настоящее время в крупных городах России выбросы от автотранспорта превосходят выбросы от стационарных источников (предприятий промышленности).

Черная и цветная металлургия. При выплавке тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксида серы, 0,05 т оксида углерода, а также свинец, фосфор, марганец, мышьяк, пары ртути, фенол, формальдегид, бензол, другие токсичные вещества. В выбросах предприятий цветной металлургии содержатся: свинец, цинк, медь, алюминий, ртуть, кадмий, молибден, никель, хром и др.

Химическая промышленность. Выбросы химических предприятий характеризуются значительным разнообразием, высокой концентрированностью и токсичностью. Они содержат оксиды серы, соединения фтора, аммиак, смеси оксидов азота, хлористые соединения, сероводород, неорганическую пыль и т.д.

Влияние некоторых загрязнителей атмосферы на организм человека и растения

Сернистый ангидрид (сернистый газ, диоксид серы) раздражает дыхательные пути, вызывает спазм бронхов. Вследствие образования серной и сернистой кислоты нарушаются углеводный и белковый обмены, окислительные процессы в головном мозге, печени, селезенке и мышцах, снижается содержание витаминов В и С и др.

Сероводород - бесцветный ядовитый газ, который раздражает дыхательные пути и глаза. Хроническое отравление этим газом вызывает головные боли, бронхиты, расстройство пищеварения, малокровие, вегетососудистые нарушения.

Окислы азота - поражают легочную ткань, в крови образуются нитраты и нитриты, которые вызывают нарушения сосудов и гипотонию, а также ведут к кислородной недостаточности.

Аммиак - вызывает обильное слезотечение и боль в глазах, удушье, сильные приступы кашля, расстройство дыхания и кровообращения.

Азот - при высоком атмосферном давлении азот оказывает наркотическое воздействие на организм, что проявляется в виде головокружения, провалов памяти; при нормальном атмосферном давлении повышенное содержание азота вызывает явление кислородной недостаточности, первые признаки которой наступают при повышении азота в воздухе до 83 % (93 % азота в воздухе приводит к гибели).

Углекислый газ - по своему физиологическому действию является возбудителем дыхательного центра; в больших концентрациях оказывает наркотическое воздействие, а также раздражает кожу и слизистые оболочки; при больших концентрациях 10-15 % углекислота вызывает смерть от удушья (летальный исход может быть мгновенным при большой концентрации углекислого газа, которая встречается в заброшенных колодцах, шахтах, подвалах).

Угарный газ - соединяется с гемоглобином в 200-300 раз быстрее, чем кислород; вызывает удушье, при тяжелых формах наступает смерть.

Винилхлорид - обладает канцерогенным свойством замедленного действия; выделяется при нагревании и сжигании полиэтилена и пластика.

Асбестовая пыль - способствует возникновению онкологических заболеваний.

Свинец - является ядом замедленного действия, попадая в организм человека, разрушает нервные клетки, вызывает параличи.

Ртуть - ядовитое вещество, разрушающее печень и почки.

В растения токсические вещества поступают различными способами. Установлено, что выбросы вредных веществ действуют как непосредственно на зеленые части растений, попадая через устьица в ткани, разрушая хлорофилл и структуру клеток, так и через почву на корневую систему. Загрязняющие газообразные вещества (окись углерода, этилен и др.) повреждают листья и побеги. В результате воздействия высокотоксичных загрязнителей (диоксид серы, хлор, ртуть, аммиак и др.) отмечается замедление роста растений, образование некроза на листьях, выход из строя органов ассимиляции и т.д. (таб. 2).

Таблица 2.

Токсичность загрязнителей воздуха для растений

(Бондаренко, 1985)

Специфические загрязнители атмосферы

Аэрозоли. Это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии (значительная их часть образуется при взаимодействии жидких и твердых частиц между собой или водяным паром). В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. В своем составе аэрозоли могут содержать железо, цинк, свинец, ароматические углеводороды, соли кислот и ряд других веществ. Основными источниками аэрозольных загрязнений в Омске являются ТЭЦ, цементные заводы, сажевый завод, нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия.

Шум. Повышенный и продолжительный шум увеличивает артериальное давление, вызывает рост сердечно-сосудистых заболеваний, снижает работоспособность, приводит к бессоннице. Предельно-допустимая норма, это 30-60 децибел. Для сравнения: шелест листвы - 10 децибел, рев самолета - 120 децибел, а болевой порог - 130 децибел.

Более 300 тысяч жителей Омска проживают в зоне шумового дискомфорта.

В Средневековье существовала «колокольная казнь», которая относилась к разряду жестоких и мучительных. При этом преступника сажали под колокол, по которому постоянно ударяли. Гром меди медленно, но верно убивал приговоренного.

Радиоактивное загрязнение. Радиоактивные вещества являются наиболее опасными загрязнителями и поступают в атмосферу в результате ядерных испытаний, аварий на АЭС, при использовании радиоактивного строительного материала и др. Поступая в живой организм, рассматриваемые вещества вызывают глубокие необратимые процессы, в частности на генном уровне (возникают различные мутации).

Радиационный фон в Омске на открытой местности в среднем находятся в пределах 10-12 микрорентген в час. В закрытых помещениях до 30 микрорентген в час, что соответствует ПДК по России. Однако в 1990-1992 годах при проведении мониторинга в Омске было обнаружено более 200 аномальных участков, на которых радиационный фон превышал допустимую норму в 1000 раз. Причинами радиационного загрязнения на территории Омска являются утерянные источники гамма-излучений (приборы), завезенный для строительства гранитный щебень из Казахстана с содержанием в нем ураново-рудного материала, склады с минеральными удобрениями, в которых содержатся радионуклиды. В настоящее время предприятия и объекты, эксплуатирующие радиоактивные вещества и изделия на их основе взяты на учет.

Электросмог - это загрязнение атмосферы электромагнитными излучениями. Наиболее опасными источниками электромагнитного излучения могут быть антенны локационных установок, линии электропередачи высокого напряжения, экраны компьютеров и телевизоров и другие бытовые электроприборы. Высокочастотные излучения могут нарушать биохимические процессы в клетках.

По масштабам загрязнение воздуха может быть местным – повышение содержания загрязняющих веществ на небольших территориях (город, район и др.), региональным – загрязнение атмосферного воздуха значительных территорий (областей, регионов и др.), глобальным – изменения, затрагивающие всю атмосферу Земли (таб. 3).

Таблица 3.

Масштабы загрязнения атмосферы экологические Последствия загрязнения атмосферы

Парниковый эффект

Еще в 1827 г. французский ученый Ж. Фурье высказал предположение, что атмосфера, в которой присутствуют парниковые газы (в особенности диоксид углерода) и водяной пар не дает выйти в космос части длинноволновой тепловой радиации, отражающейся от земной поверхности.

Средняя температура Земли в настоящее время составляет +15°С. При данной температуре поверхность Земли, и атмосфера находятся в тепловом равновесии (поверхность планеты возвращает в атмосферу в среднем эквивалентное количество получаемой энергии). Но в последние десятилетия антропогенная деятельность привносит дисбаланс в соотношение поглощаемой и выделяемой энергии.

В атмосферу в результате производственной деятельности человека в значительных концентрациях поступают парниковые газы - углекислый газ (создает 50 % парникового эффекта), метан (создает 18 % парникового эффекта), оксиды азота, фреоны, озон. Все эти газы, с одной стороны, пропускают солнечные лучи, поступающие на землю, а с другой стороны, препятствуют обратному возвращению антропогенного тепла с земной поверхности в космос, создавая, таким образом, парниковый (тепличный) эффект. Т.е. парниковый эффект - разогрев нижних слоев атмосферы, вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности.

За последние 200 лет содержание оксида углерода в атмосфере увеличилось на 25 %. Связано это с интенсивным сжиганием нефти, газа, угля и др., и ежегодным уменьшением площади лесов, которые являются основными поглотителями углекислого газа.

Парниковый эффект провоцирует потепление климата. По данным Всемирной метеорологической организации (ВМО) в 2001 году средняя температура в мире возросла на 0,42° С по сравнению с 1961-1990 гг. Теплеет уже 23 года подряд. ХХ век стал самым теплым столетием.

Потепление климата вызывает таяние ледников и поднятие уровня воды в океане. За последние 100 лет на 1 метр уменьшилась толщина таящих льдов в Арктике, а граница вечной мерзлоты отступает к Северу ежегодно на 10 километров. Подъем уровня Мирового океана даже на 1 метр приведет к затоплению более 20 процентов прибрежной суши. Кроме того, будет происходить усиление абразионных процессов, ухудшение водоснабжения приморских городов и т.п. Изменения экологических условий, в особенности, в экосистемах тундры и тайги приведут к заболачиванию почв, ухудшению состояние лесных массивов, в зоне вечной мерзлоты увеличится сезонное протаивание грунтов (что создаст угрозу дорогам, строениям, коммуникациям).

Помимо выше сказанного, парниковый эффект может иметь и положительные последствия - повышение влажности климата и увеличение интенсивности фотосинтеза. Первое происходит за счет повышения температуры и увеличения интенсивности испарения с поверхности Мирового океана, что особенно важно для аридных (сухих) зон. Второе происходит за счет повышения концентрации углекислого газа и способствует увеличению продуктивности растений.

Разрушение озонового экрана (озоновые дыры)

Озоновый экран (озоносфера) защищает Землю от ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовые лучи в больших дозах губительны для живых организмов.

Истощение этого слоя, наблюдается со второй половины прошлого столетия и вызвано действием озоноразрушающих веществ, попадающих в атмосферу. К ним относят: хлор, оксиды азота, метан, соединения алюминия и, прежде всего, хлорфторуглероды в виде фреонов. Последние широко применяются в производстве и быту в качестве хладагентов (в холодильниках, кондиционерах, тепловых насосах), пенообразователей и распылителей (аэрозольные упаковки).

Фреоны - газы не известные в природе, а синтезированные в 30-ых годах прошлого столетия и широко применяемые с 50-х годов. Эти газы, попав в атмосферу, переносятся потоками воздуха на высоту 15-25 км, где подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора. Последний вступает в реакцию с озоном и превращает его в обычный кислород. Высвобождающиеся атомы хлора вновь реагируют с озоном, все более и более разрушая озоновый слой.

По данным космических наблюдений со спутника «Метиор-3» (1993 год) над Омской областью толщина озонового слоя уменьшилась на 5%, по сравнению с 20-летним периодом исследований.

Слой озона над Антарктикой, по данным Метеорологического управления Японии, уменьшился на 45-75 %.

В настоящее время образование «озоновых дыр» наблюдается и над Европой, Азиатским континентом, на юге Южной Америки.

Кислотные дожди

Многие газообразные вещества, попадающие в атмосферный воздух, взаимодействуют с влагой, образуя кислоты. Наиболее крупный источник кислот - сернистый газ, который образуется при эксплуатации энергетических установок, использующих органическое топливо, а также металлургические предприятия. Кислотный дождь - дождь или снег, подкисленный до рН <5,6 из-за растворения в атмосферной влаге антропогенных выбросов (оксиды серы, оксиды азота, хлорводород, сероводород и т.д.). Реакции с участием указанных соединений, происходят только через несколько суток. Благодаря чему кислотные облака могут быть унесены на значительные расстояния от источника выбросов.

Кислотные дожди вызывают тяжелые последствия, среди которых гибель животных и растений, разрушение почвенного покрова, закисление пресноводных водоемов. Помимо этого разрушаются здания, подвергаются коррозии металлические изделия. Негативные последствия кислотных дождей зафиксированы в Канаде, США, Европе, России, Украине, Белоруссии и других странах.

Смог (туман) представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц.

Различают два типа смога: лондонский (зимний) и лос-анджелесский (летний). Возникновение смога обусловлено высокой концентрацией в атмосфере оксидов азота, углеводородов и др. загрязнений, интенсивной солнечной радиацией и безветрием (или очень слабым обменом воздуха). Такие условия в городе часто создаются в летнее время, и реже зимой. По своему физиологическому воздействию на организм человека смог крайне опасен для дыхательной и кровеносной системы. Также возможна гибель домашних животных, повреждение растений и ряд других негативных последствий.

В 1952 г. в Лондоне от смога за две недели погибло более 4000 человек. В Омске смог наблюдался летом 1991 года, когда была очень жаркая безветренная погода.

Также необходимо отметить, что городские экосистемы способствуют загрязнению воздуха и повышению его температуры, уменьшению солнечной радиации, увеличению влажности и количества осадков.

Охрана атмосферы

Мероприятия, направленные на поддержание частоты воздуха и борьбы с загрязнением атмосферы, складываются из комплекса мер.

1. Планировочные мероприятия:

· вынос объектов промышленного назначения за пределы жилого массива на расстоянии 2-3 км от жилых кварталов;

· правильное размещение промышленных предприятий в районе застройки с учетом направления господствующих ветров в данной местности;

· использование зеленых насаждений.

2. Технические мероприятия:

· правильное использование технологического оборудования, участвующего в производственном процессе;

· использование малоотходных и безотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу загрязняющих веществ;

· предварительная очистка топлива или замена его более экологичными видами и перевод различных агрегатов на электроэнергию и др.

Кроме того, актуальной задачей современности является снижение загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами автомобилей. В настоящее время разрабатываются электродвигатели, а также двигатели работающие на спирте, водороде и др.

3. Санитарно-гигиенические мероприятия:

· тоннели для машин и подземные переходы для пешеходов;

· сооружение рациональных транспортных развязок (предотвращающих «пробки»);

· организация службы мониторинга, которая должна осуществлять контроль за состоянием атмосферного воздуха.

4. Законодательные мероприятия:

· законодательное закрепление правовых мер, которые предусматривают в случае нарушения, административные, дисциплинарные, уголовные и материальные меры ответственности.

В Омске разработана программа по оздоровлению экологической обстановки, в которой, в частности, предусмотрено переводить теплоэнергетические установки (ТЭЦ, котельные), в том числе и транспорт, на более экологически чистое топливо - природный газ, электричество. В рамках решения проблемы по уменьшению вредных последствий автотранспорта природоохранная служба и Государственная инспекция безопасности дорожного движения (ГИБДД) проводят ежегодные месячники по контролю за токсичностью автомобилей. В соответствии с законом РФ «Об охране окружающей природной среды», на территории Омской области введены нормативные платы за выбросы загрязняющих вредных веществ в атмосферный воздух от стационарных источников.

Бактерии, которые еще называются гетеротрофы, – это микроорганизмы, использующие в качестве источника энергии химические соединения, содержащие углерод. Этим они отличаются от автотрофных организмов, ведь гетеротрофы не могут существовать без внешнего источника питания.

Гетеротрофные микроорганизмы не могут синтезировать органические соединения у себя внутри путем фотосинтеза или хемосинтеза. В первом случае органические соединения синтезируются при наличии солнечного света. Хемосинтетики же образуют питательные соединения путем переработки некоторых органических веществ.

Все бактерии, будь то гетеротрофы или автотрофы, непременно питаются определенными источниками. Граница между такими формами жизни условная, так как наука знает примеры организмов, имеющих переходную форму питания. Их называют миксотрофными.

Как питаются гетеро-организмы

Гетеротрофы и автотрофы тесно связаны между собой. Ведь выживание этих микроорганизмов напрямую связано с наличием автотрофных существ. В эту категорию входят и хемотрофы. Выходит, эти прожорливые микросущества потребляют то, что произвели для них автотрофы.

Все гетеротрофы делятся на такие виды.

1. Плесень и дрожжи, питающиеся готовой пищей. Это наиболее четко отличает такие бактерии – автотрофы это или гетеротрофы.
2. Бактерии, которые называются гетеротрофы сапрофиты, питаются мертвой пищей.
3. Гетеротрофы, питание которых происходит за счет живых существ. Они являются болезнетворными.

Некоторые виды бактерий-гетеротрофов имеют похожее питание, что и хемосинтетики. Так, они окисляют органические соединения без усвоения кислоты. Такое питание является промежуточным. Однако особенности таких переходных типов организмов, питающихся так же, как и хемотрофы, находят свое применение в различных видах хозяйственной деятельности человека.

Роль гетеротрофных микробов в природе

Гетеротрофы перерабатывают готовые органические соединения, добывая из них углерод и окисляя его. Благодаря этим микросуществам, до 90 процентов углекислого газа попадает в атмосферу именно благодаря гетеротрофам.

Гетеротрофы и хемотрофы способствуют образованию плодородной почвы. В одном грамме почвы содержится такое колоссальное количество микробов, что позволяет говорить о ней как о живой системе.

Отметим также, что гетеротрофы сапрофиты способствуют переработке органического материала. Если бы не эти бактерии, то планета покрылась бы толстым слоем опавшей листвы, веток, а также погибших животных. Проще говоря, сапрофиты «поедают» органические отходы.

Благодаря деятельности, которую выполняют гетеротрофы или автотрофы, происходит самоочищение водоемов. Что такое самоочищение, знает каждый школьник: без этого процесса вся вода на планете очень скоро превратилась бы в полностью непригодную для употребления и жизни.

Без сапрофитов невозможна переработка органических веществ. Сапрофиты способствуют поддержанию постоянного количества биомассы.

Анаэробы живут в местах, где нет кислорода. Для них этот элемент, как ни странно, является токсичным. Поэтому они получают энергию для жизни путем так называемого фосфорилирования. Этот процесс происходит путем распада аминокислот и белков.

Путем брожения расщепляется глюкоза и другие глюкозообразные вещества. Известные нам процессы – молочнокислое, спиртовое, а также метановое брожение – являются анаэробными.

Аэробные формы жизни гетеротрофного типа живут только за счет кислорода. Все эти бактерии имеют достаточно разнообразную дыхательную цепь. Она помогает им приспосабливаться к разным концентрациям кислорода в воздухе.

Гетеротрофы получают энергию путем окисления АТФ (аденозинтрифосфата – важнейшего белкового соединения), для чего им и нужен кислород. Однако большое количество кислорода не означает, что в такой атмосфере смогут существовать микроорганизмы. Экспериментально доказано, что если количество свободного О2 в атмосфере достигнет половины общего объема, то развитие практически всех известных бактерий прекратится. А в атмосфере чистого 100-процентного кислорода не может развиваться ни один простейший организм, даже прокариот.