Стрессоры биологических систем и их индикаторная значимость

Индикаторная значимость организмов определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз (постоянство внутренней среды и физиологических функций). Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от биологического вида и является показателем его индикаторной ценности.

Стресс – это понятие, используемое во многих областях науки. Впервые в качестве научного термина оно было введено в 1936 г. канадским патологом Гансом Селье и вскоре проникло в обиходный язык, прежде всего как обозначение неспецифического психического напряжения.

В биологии под стрессом понимается реакция биологической системы на экстремальные факторы среды (стрессоры), которые в зависимости от силы, интенсивности, момента и продолжительности воздействия могут более или менее сильно влиять на живую систему.

В естественных условиях организмы часто подвергаются воздействию различных различных биотических и абиотических стрессоров. За время эволюции организмы приспособились к ритмически повторяющимся экстремальным условиям среды, например, к холоду, жаре, засухе, путем периодического изменения активности (впадая в спячку или анабиоз), что делает их устойчивыми к влиянию стрессоров.

Другие организмы могут уклоняться от воздействия экстремальных условий среды при помощи специфических приспособлений (избегание стресса). Так, например, глубоко укоренившиеся растения не чувствительны к поверхностному пересыханию почвы, ряд растений или животных ставит на пути стрессоров химические или физические барьеры.

Опишем возможные виды естественных стрессоров.

Стрессоры окружающей среды

Биологические стрессоры (инфекция, конкуренция, хищничество)

Антропогенные стрессоры, которых бесчисленное множество, либо действуют непосредственно на организмы, либо модифицируют имеющиеся факторы среды и тем самым превращают их для многих организмов в стрессовые. Один только огромный прогресс в области транспорта, гигиены и пищевой промышленности способствовал возникновению в минувшее десятилетие много тысяч новых химических продуктов, многие из которых обладают экстремальной биологической активностью.

Опасность антропогенных стрессоров состоит в том, что биологические системы – будь то организмы, популяции или биоценозы – недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что в живых системах часто не успевают активизироваться соответствующие адаптационные процессы. Многие антропогенные факторы среды потому и становятся опасными стрессорами, что они отличны по величине, интенсивности, продолжительности и моменту воздействия от той, обычно существующей в природе «нормы», к которой адаптированы биологические системы. В результате они часто влияют на диапазон толерантности, что нередко приводит к превышению допустимой нагрузки на организмы и распаду биологической системы.

Следует также обратить внимание на то, что в природе на организм воздействует не один стрессор, а целый комплекс нарушающих факторов. При этом какой-либо отдельный фактор может временно или постоянно доминировать. Стрессовое воздействие среды приводит к отклонению основных параметров организма от оптимального уровня.

Виды антропогенных стрессоров и их нарушающее воздействие представим в виде таблицы.

Стрессор	Нарушающее воздействие
Температура
Холод (мороз) Жара	Потеря полупроницаемости клеток, затвердевание липидов1, деструкция белков, замедление метаболических (обменных) процессов, затвердевание и расширение воды Разжижение липидов, агрегация белков, потеря полупроницаемости клеток
Вода
Сухость Затопление	Дегидратация (обезвоживание), концентрирование растворенных веществ, сжатие клеток Гидратация, недостаток кислорода, сжатие клеток
Облучение
Инфракрасное и видимое УФ-излучение Ионизирующее излучение	Фотосенсибилизация (повышение чувствительности к свету), фотохимическая реакция Сенсибилизация2 к действию излучения Сенсибилизация, радиохимическая реакция, агрегация белков
Химические вещества
Соли Ионы Недостаток кислорода Cернистый ангидрид (SO2) Аммиак (NH3)	Дисбаланс ионов, потеря полупроницаемости клеток Ионообмен Нарушение метаболических процессов Образование нерастворимых сульфитов Образование амидов, изменение кислотности (pH)
Физические факторы
Давление Шум Скашивание травы, скусывание Ветер Электричество Магнетизм	Сжатие клеток, изменение внутриклеточного давления, прекращение роста клеток Механическое повреждение клеток и их сжатие Механическое повреждение клеток и их сжатие Механическое повреждение клеток и их сжатие Разжижение липидов, агрегация белков, потеря полупроницаемости клеток Дезориентация ионов, потеря полупроницаемости

Преимущества биоиндикации

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают биоиндикаторы:

• в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;

• суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;

• исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

• фиксируют скорость происходящих изменений;

• вскрывают тенденции развития природной среды;

• указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути попадания их в пищу человека;

• позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действия.

Приведем еще несколько аргументов в пользу биоиндикации:

1. фактор не может быть изменен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену холодного климата теплым влажным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае, остатки диатомовых водорослей позволили утверждать, что в прошлые эпохи вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления; в то же время как его действие на жуков и пауков прослеживается в течение нескольких последующих недель.

3. фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных загрязнителей не содержат ответа на вопрос насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели ПДК различных веществ разработаны лишь для человека, однако очевидно, что эти показатели не могут быть распространены на другие организмы. Есть более чувствительные чем человек виды по отношению к отдельным загрязнителям. Поэтому биоиндикация позволяет оценить биологические последствия, не взирая на то, достигнуты ли нормы ПДК для человека.