Изменения газового состава атмосферы

Газовый состав воздуха (кислород – 20,9%, азот – 78,1%, инертные газы – 1%, углекислый газ – 0,03% по объему) в приземном слое атмосферы довольно однороден благодаря высокой его диффузионной способности и постоянному перемешиванию конвекционным и ветровым потоками.

Кислород из-за постоянно высокого его содержания в воздухе не является фактором, лимитирующим жизнь в наземной среде. Высокое содержание кислорода способствовало повышению обмена веществ у наземных организмов, и на базе высокой эффективности окислительных процессов возникла гомойотермия животных, т.е. их способность сохранять постоянную температуру тела независимо от температуры окружающей среды.

Потребность организма животных и человека в кислороде определяется интенсивностью обменных процессов, которая зависит от массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условий и др.

Длительное вдыхание воздуха, обогащенного кислородом и, следовательно, высокие концентрации последнего вызывают в тканях образование свободных радикалов, нарушающих структуру и функции биополимеров, что опасно для здоровья и жизни человека и животных.

Кислородное голодание, кислородная недостаточность, понижение содержания кислорода в тканях, т.е. гипоксия, ведёт к патологическому состоянию, вследствие чего в жизненно важных органах развиваются необратимые изменения. Наиболее чувствительны к кислородной недостаточности центральная нервная система, мышца сердца, ткани почек и печени.

Гипоксия – форма кислородной недостаточности, обусловленная снижением содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, при затруднении проникновения кислорода в кровь из органов дыхания вследствие их заболеваний и нарушения проводимости дыхательных путей; при расстройстве дыхания. Она может возникать при уменьшении количества гемоглобина, способного присоединить кислород (уменьшении кислородной ёмкости крови), развивается при кровопотерях, отравлении окисью углерода, при снижении активности дыхательных ферментов, вследствие чего ткани не могут использовать кислород, содержащийся в омывающей их крови (развивается при нарушениях обмена витаминов, при отравлениях некоторыми ядами, например цианидами), при радиационных воздействиях.

Установлено, что с повышением устойчивости организма к какому-либо вредоносному фактору повышается сопротивляемость к др. неблагоприятным влияниям. Так, с повышением устойчивости организма к острой гипоксии повышается устойчивость к действию ионизирующих излучений.

Понижение содержания кислорода в тканях и клетках при облучении организма ионизирующей радиацией обладает защитным действием - так называемый кислородный эффект. Этот эффект используют в лучевой терапии: повышая содержание кислорода в опухоли и понижая его содержание в окружающих тканях усиливают лучевое поражение опухолевых клеток и уменьшают повреждение здоровых.

Углекислый газ в высоких концентрациях токсичен, но в природе такие концентрации встречаются редко. Низкое же содержание СО² тормозит процесс фотосинтеза. Для повышения скорости фотосинтеза в практике оранжерейного и тепличного хозяйства (в условиях закрытого грунта) нередко увеличивают искусственным путем концентрацию углекислого газа.

Исследования «кислородного эффекта» при облучении в атмосфере СО ₂, газообразного азота и др. газов с заменой О ₂ в 1921-1923 г.г. провёл немецкий физик Е. Петри.

Такого же рода исследования в 30-е годы ХХ века провёл и английский радиобиолог Л.Г. Грей. Он показал, что максимум кислородного эффекта достигается при содержании около 20% О ₂ в атмосфере (у поверхности земли – 20,9%).

Кислородный эффект универсален и проявляется у всех биологических объектов на всех уровнях организации живой материи, значительно ослабляя все радиобиологические реакции и повышая выживаемость организмов при уменьшении в среде концентрации кислорода.

Так установлено, что растения могут длительно по много часов переносить гипоксию и даже аноксию, в том числе и в вегетирующем состоянии.

Механизм защитного действия гипоксии обусловлен уменьшением образования количества перекисных свободных радикалов типа НО ₂ и О ₂.

Величина кислородного эффекта зависит в основном от типа ионизирующего излучения и условий облучения. Более всего он проявляется под воздействием γ- и Rő-излучений.

С увеличением плотности ионизации кислородный эффект уменьшается, а при действии корпускулярных плотно ионизирующих излучений (протоны, нейтроны, α-частицы и др.), практически отсутствует.

В сухих системах (семена, споры, пыльца) кислородный эффект проявляется слабо и возрастает при увлажнении, достигая максимума в нормальных обводнённых и активно метаболизирующих проростках и растениях, и, естественно, у животных и человека.

Обычно кислородный эффект наблюдается в условиях гипоксии в момент облучения, тогда как в сухих биосистемах он проявляется и после облучения, например при проращивании. Помещение семян, облучённых в условиях гипоксии, в условиях с нормальным или повышенным содержанием кислорода (атмосфера, вода) приводит их к более сильному повреждению – «эффект кислородного последствия».

Отношение величины дозы ионизирующего излучения в условиях гипоксии к дозе, дающей такой же радиобиологический эффект в обычных (стандартных) атмосферных условиях с обычным содержанием О ₂ называется коэффициентом кислородного усиления - ККУ или фактором изменения дозы – ФИД, который используется для оценки эффективности радиосенсибилизирующих и радиопротекторных факторов.

К настоящему времени гипоксия остаётся самым мощным радиопротектором, а кислород – радиосенсибилизатором.

Сильным радиосенсибилизатором является также и оксид азота, способный легко, как и кислород, соединяться с органическими радикалами молекулярных структур клетки.

Достаточно сильным радиопротекторным действием у растений обладают: этилен – газообразный фитогормон-ингибитор роста и его аналоги ненасыщенные углеводороды: аллен, ацетилен и пропилен, блокирующие клеточное деление и индуцирующие у растений состояние, близкое к естественному покою.

Изменения влажности

Вода играет большую роль в развитии, росте и физиологических функциях живого организма. Все жизненно важные процессы в организме протекают в водных растворах органических и неорганических, веществ.

Установлено, что вода в организме животных и человека составляет около 70% его веса.

Водный обмен имеет исключительно большое значение для человека и животных, так как вместе с водой из организма удаляются вредные вещества или продукты обмена. Задержка этих веществ или несвоевременное их удаление приводят к тяжелым формам отравления, а иногда даже и к гибели организма.

Составная часть водного обмена – водный баланс. Он определяет соотношение между количествами поступившей и выделившейся воды в организме. Постоянное процентное содержание воды в тканях тела является весьма важным условием его существования и нормальной жизнедеятельности. Нарушение этого постоянства может вызвать значительные изменения в функциональном состоянии организма.

Водное голодание быстрее приводит к смерти, чем полное пищевое. Поэтому сохранение водного баланса на соответствующем уровне является важной стороной общего обмена веществ организма.

Для сохранения нормального водного баланса необходимо, чтобы количество воды, поступающей в организм за определенный отрезок времени (например, за сутки), полностью соответствовали количеству выделившейся воды.

Суточная приходная часть водного баланса у человека и животных с массой 60-80 кг составляет в среднем около 2500 мл. Вода вводится в организм в виде питья при утолении жажды, что примерно составляет 1200 мл, около 1000 мл поступает с различными продуктами, входящими в суточный пищевой рацион. Кроме того, 300 мл образуется в организме за счет окисления основных питательных веществ.

Следовательно, недостаток воды может спровоцировать за собой быстрое обезвоживание всех тканей, большинство которых пропитано водой более чем на ²/₃ по массе. Потеря 1-1,5 л воды уже вызывает необходимость восстановления водного баланса, сигналом чего является жажда, зависящая от возбуждения питьевого центра.

При потере 6—8% веса за счет дефицита воды в организме животного наступают расстройства ряда функций: нарушается обмен веществ; нарастает количество молочной кислоты; окислительные процессы снижаются; увеличивается вязкость крови. При потере же свыше 10% своего веса за счет дефицита воды патологические явления становятся необратимыми. Опытами установлено, что при потере 20-22% воды животные погибают.

Болезненные явления могут наступить и в ситуациях, когда животные и человек потребляют излишнее количество воды. В этом случае возникают симптомы интоксикации.

Роль влажности в радиоустойчивости у животных и человека практически изучена плохо и относительно лучше у вегетирующих растений. У растений в воздушно-сухом состоянии семян результаты исследования радиоустойчивости более существенны.

Содержание воды у разных растений и в разных их органах неодинаково. Так, например, в листьях салата - 95%, кукурузы - 77 %. Содержание воды в листьях уменьшается обычно от морфологической верхней части к основанию стебля (ствола). Так, у подсолнечника: в листьях - 81 %, в стеблях - 88 %, в корнях - 71 %.

При содержании воды в семенах в концентрации 3-5-10%, характерной для их воздушно-сухого состояния, радиоустойчивость семян наибольшая.

С увеличением влажности семян, когда концентрация воды в них достигает 15-20% и выше, радиоустойчивость их снижается.

При содержании воды в семенах более 15% радиочувствительность последних резко возрастает, но это происходит также и за счёт прорастания семян, т.е. вегетации. До этого уровня влажности в семенах под воздействием одинаковой дозы облучения образуется одинаковое количество свободных радикалов без признаков рекомбинации молекул, что и обеспечивает радиорезистентность этих семян.