Экологические основы биоиндикации

Понятие о стрессе и стрессорах.Понятие «стресс» весьма различно используется в различных областях науки. Впервые в качестве научного термина оно было введено в медицину Селье (1976 г.). Он определяет стресс как состояние критической нагрузки, которая проявляется в виде специфического синдрома, слагающегося из всех неспецифически вызванных изменений внутри биологической системы. Стресс можно разделить на два различно действующих типа. Эустресс характеризуется физиологическими адаптивными реакциями, которые вызываются в организме биоэнергетическими процессами, когда в критических ситуациях организму необходимо приспособиться к изменившимся условиям среды. Дистрессозначает патогенные процессы, возникающие, как правило, при постоянных нагрузках или усилиях, которые индивид не в состоянии регулировать короткое или длительное время. В какой мере тот или иной стрессор обусловливает эустресс или дистресс, зависит от многочисленных факторов, например от экзогенного сочетания раздражителей и от внутреннего состояния организма.

Генетическая конституция каждого организма обусловливает его определенную реакционную способность (норму реакции) по отношению к воздействующим стрессорам. При возникновении стресса большую роль играет также фактор времени, связанный как с развитием в онтогенезе чувствительности к стрессу. Так и с продолжительностью воздействия какого-либо эффективного стрессора на протяжении различных периодов жизни.

В биологии под стрессом понимается реакция биологической системы на экстремальные факторы среды (стрессоры), которые могут в зависимости от силы, интенсивности, момента и продолжительности воздействия более или менее сильно влиять на систему. В природе на организм действуют стрессоры различной природы, классификация которых приведена на рисунке 2.

Стрессоры

Биотические стрессоры Абиотические стрессоры

(инфекция, конкуренция, хищничество)

Температура Вода Излучение Ветер, давление, Хим. в-ва

шум, магнетизм,

электроток

дефицит избыток соли, газы, пестициды

низкая высокая

инфракрасное видимое ультрафиолетовое ионизирующее

холод мороз

Рис.2. Стрессоры в окружающей организмы среде

Часто биоиндикация применяется для оценки характера влияния всех видов антропических факторов. Такие воздействия, с одной стороны, представляют собой новые параметры среды, с другой – модификации уже имеющихся природных факторов. Опасность антропических стрессоров состоит, прежде всего, в том, что биологические системы недостаточно адаптированы к ним. Антропические стрессоры создаются с такой скоростью, что системы часто не успевают активизировать соответствующие адаптационные процессы. Все стрессоры этого типа опасны для живых систем еще и потому, что их интенсивность, продолжительность и момент воздействия сильно отличаются от существующей в природе нормы, поэтому они влияют на диапазон толерантности биологических систем. Кроме того, в природе наблюдается комплексное действие стрессоров (нарушающих факторов), при этом тот или иной фактор может временно доминировать. Естественно, это усложняет диагностирование биологических последствий воздействия среды на систему.

Токсичность среды и ее характеристики. Разнообразные виды абиотических загрязнений создают токсичность среды (toxicity) – свойство химических параметров среды проявлять повреждающее или летальное действие на живые организмы. Вещество, оказывающее токсическое действие, называется токсикантом, а процесс воздействия токсиканта на организм – токсикацией(на экосистемы – токсификацией). Количественно токсичность вещества для отдельного организма определяется как величина, обратная медианной летальной концентрации:

Т = 1/ LC50.

Различают острую и хроническую токсичность среды. Острая токсичностьвыражается в гибели отравленного организма за короткий промежуток времени – от нескольких секунд до 48 часов. Хроническая токсичность среды проявляется через некоторое время в виде нарушений жизненных функций организмов организмов и возникновения патологических состояний (токсикозов). Хроническая токсичность может выражаться в нарушении плодовитости, эмбриогенеза и постэмбрионального развития, возникновению уродств (мутаций) в потомстве, сокращению продолжительности жизни, появлению карликовых форм.

Часто выделяют интегральную токсичность – токсичность сложных смесей, сточных вод, многокомпонентных факторов. Количественно интегральная токсичность определяется как величина обратная максимальному разведению (1:2, 1:5, 1:10, 1:50, 1:100 и т.д.), при котором не наблюдается каких-либо нарушений жизненно-важных функций тест-организмов при 24-48 часовом биотестировании. Выражается в баллах токсичности целыми числами (2,5,10,50,100 и т.д.) соответственно величинам разведения. Баллы токсичности могут быть четко ранжированы и позволяют выстраивать ряд исследуемых веществ или сред по снижению или повышению уровня их токсичности.

Существуют количественные меры токсичности веществ для живых организмов. Это показатели острой токсичности NOEC, LC0, LC50, LC100, устанавливаемые для «чистого» вещества при его лабораторном исследовании. Показатели не имеют универсального значения и устанавливаются для каждого тест - объекта индивидуально.

NOEC – максимально недействующая концентрация вещества;

LC0 – минимальный порог чувствительности, при котором отмечаются специфические тест-реакции или смертность тест-объектов.

LC50 – стандартная мера токсичности вещества, показывающая, какая концентрация вещества вызывает гибель 50 % тест-организмов за установленное время (24, 48 или 96 ч.).

LC100 – высший смертельный порог для всех животных или тест-культуры водорослей, использованных в опыте.

Оценкой степени токсичности веществ занимается токсикометрия, основными приемами которой являются установление переносимой или пороговой концентрации, медианной летальной концентрации, или дозы, и зоны токсического действия – диапазона токсических концентраций.

Среда редко бывает свободной от разной природы загрязнителей, тем не менее, большая часть организмов существуют в достаточно широких пределах колебания их количественных показателей.

Способность живых организмов существовать в токсической среде, сорбируя или используя определенное количество токсического вещества, называется токсобностью.

Диапазон физиологической толерантности организмов. Экологические диапазоны присутствия.Все биологические системы в ходе своего развития приспособились к комплексу факторов местообитания. Каждый организм обладает в отношении любого действующего на него фактора генетически детерминированным, видоспецифичным физиологическим диапазоном толерантности. В пределах этого диапазона любая интенсивность фактора является адаптируемой. Физиологический диапазон толерантности неодинаков для разных стадий развития организма и для всех особей данных популяций. Обитая в среде с многообразным комплексным действием факторов, организмы проявляют реакцию на их действие, часто сильно отличающуюся от таковой в лабораторном эксперименте. В таком случае говорят об экологических диапазонах присутствия (экологических потенциях), отражающих фактическую реакцию организма на среду. Физиологическая толерантность и экологическая потенция организма определяют его индикаторную ценность.

Нагрузки на биологические системы, вызываемые стрессорами, принято делить на упругие (обратимые) и пластические (необратимые). А все многообразные реакции организмов на действие различного рода стрессоров являются, по существу, вариациями двух основных типов адаптации биосистем:

a) толерантность к стрессу – устойчивость к ритмически повторяющимся изменениям параметров среды.

b) избегание стресса – способность уклоняться от воздействия экстремальных условий среды при помощи специфических приспособлений.

Не смотря на разные механизмы этих приспособлений, ход адаптации к долго действующим экстремальным условиям сходен (рисунок 3). За исходным состоянием в ответ на воздействие стрессора, прежде всего, следует избыточная реакция, которая через определенный промежуток времени стабилизируется и ведет к состоянию приспособленности.

Рис.3. Ход адаптации биологической системы.

Тест-функции.Возникающие в окружающей среде изменения можно диагностировать по изменению ряда параметров и функций живых биологических систем, или тест-функциям. Возникающая у организма или биологической макросистемы реакция может проявляться в визуально определяемых или скрытых изменениях.

Понятие «невидимые повреждения» ввел в 1903 г. Вилер, обнаружив на микроскопическом уровне снижение интенсивности ассимиляции растений после кратковременного интенсивного воздействия SO₂. Позже это понятие трансформировалось, благодаря уточнениям Фогля и Хертеля (1976 г.). Обратимые физиологические нарушения были названы «отклонениями», а необратимые – «физиологическим повреждениями». В 1977 г. Келлер предложил понятие «латентное повреждение», которое включает все формы поражения организмов-биоиндикаторов, не воспринимаемые невооруженным глазом. Сюда относятся все обратимые и необратимые биохимические или физиологические реакции независимо от степени их влияния на жизнедеятельность организмов.

Наиболее удобными в качестве тест-функция являются, безусловно, морфологические, биоритмические и поведенческие отклонения от нормы у организмов под действием стрессоров. Комплексное действие стрессоров проявляется в хорологических и популяционно-динамических изменениях. На макроуровне в качестве тест-функций используют видовой состав и структуру сообществ, соотношение продукции и деструкции, экологические спектры видов и др.

Посредством оценки состояния перечисленных параметров системы получить точные количественные данные о динамике и величине стрессовых воздействий, как правило, невозможно, зато довольно точно могут быть оценены биологические последствия.