Адаптация к антропогенным факторам среды

С развитием науки и техники, ускорением процессов индустриализации и урбанизации влияние человека на окружающую среду многократно возросло. Будучи неотъемлемой частью этой среды, человек подвергается воздействию различных экологических факторов (таких как свет, температура, атмосферное давление и др.), к которым у него в процессе эволюции выработались соответствующие адаптации. Но ввиду усиливающегося прессинга человека на природную среду и ее изменение на сцену вышли новые факторы, созданные деятельностью самого человека. К ним он тоже должен приспосабливаться, чтобы выжить в быстро меняющихся условиях окружающей среды.

Антропогенные факторы среды возникают в результате хозяйственной деятельности человека. Чаще всего под ними понимают различные виды загрязнений окружающей среды, поскольку они имеют довольно отчетливые проявления в изменении функционального состояния организма. Так, при превышении предельно допустимых концентраций химических веществ в атмосфере в полтора раза регистрируют достоверные сдвиги иммунологических, биохимических и физиологических параметров, а при двух-, трехкратном превышении предельно допустимых норм отмечают статистически значимые сдвиги показателей острой заболеваемости. Кроме того, данные многих исследований свидетельствуют о связи различных заболеваний даже с незначительным загрязнением окружающей среды.

Например, выявлена зависимость между заболеваниями нервной системы и органов чувств и содержанием в воздухе угольной пыли, нарушениями зрения и концентрацией соединений фтора, наличием окиси марганца и аллергическими заболеваниями. Следует отметить, что химическое воздействие, обусловленное массовым загрязнением природной среды продуктами хозяйственной деятельности человека, является наиболее распространенной формой антропогенного воздействия.

Хотя наиболее высокий уровень загрязнений характерен для начальных стадий урбанизации и индустриализации, а принимаемые природоохранные меры во многих странах несколько улучшили ситуацию, увеличение бытовых загрязнений (в частности, из-за использования газа в бытовой технике для отопления, приготовления пищи повысился выброс вредных соединений, таких как NО₂ и др.) и подверженность действию вредных веществ на рабочем месте (от одной трети до половины всех работающих в мире трудятся в условиях высокого содержания пыли и дыма в воздухе) способствуют развитию хронических заболеваний дыхательных путей.

Учащаясь вместе с загрязнением, заболевания приобретают особое значение. Они становятся фактором отбора. Результаты исследований указывают на значительное давление окружающей среды на загрязненных территориях в отношении генотипов с заболеваниями органов дыхания, сердечно-сосудистой системы, онкологическими заболеваниями, при том что на менее загрязненных территориях уровень биологической приспособленности населения остается выше. Однако эти же исследования показали, что жители самого загрязненного района оказались наиболее устойчивыми к воздействию окружающей среды. Этот факт объясняют тем, что в результате генетико-демографических процессов у населения, проживающего на более загрязненной территории, расширился диапазон адаптивной нормы. То есть можно говорить об имеющем место процессе приспособления к условиям окружающей среды. Приспосабливаясь, человек напрягает свои адаптационные механизмы, что ведет к истощению физиологических резервов, перенапряжению и сбоям этих механизмов. В целом ухудшение экологической ситуации приводит к выраженному напряжению демографических процессов, увеличению интенсивности миграции населения, неблагоприятным изменениям состояния здоровья всей популяции, проживающей в данных условиях.

Здоровье можно также рассматривать не только как отсутствие какой-либо патологии, но и как способность человека быстро адаптироваться к непрерывно меняющимся условиям окружающей среды для обеспечения оптимального выполнения его биологических и социальных функций. Здоровье индивида и отдельных групп населения зависит от совокупного воздействия на них разнообразных факторов природной и социальной среды, которое реализуется через физиологические, биохимические и биофизические механизмы регуляции и отражается на психофизиологическом статусе человека. Антропоэкологическое воздействие приводит к напряжению и следующему за ним утомлению организма вследствие нарушения нормального функционирования регуляторных и гомеостатических систем и исчерпания их ресурсов. В ответ на утомление происходит направленная компенсация – перераспределение резервных функций организма.

Таким образом, можно заключить, что на современном этапе развития человеческого общества загрязнение становится одним из ведущих факторов изменений природы, а вместе с ней и самого человека. В связи с этим проблемам антропогенных загрязнений и путям их предотвращения уделяется большое внимание.

1. Бурное развитие промышленности, урбанизация и интенсивная хозяйственная деятельность человека привели к масштабному загрязнению окружающей среды. Потребляя из окружающей среды вещества и энергию для своей жизнедеятельности, человек возвращает их обратно в преобразованном виде, тем самым вмешиваясь и изменяя естественные биосферные круговороты веществ. Так, ежегодное количество промышленных, транспортных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых выбросов оценивается более чем в 600 млн т. С ними в окружающую среду попадает огромное количество химических соединений. В зависимости от свойств и условий среды химические вещества транспортируются в ней, трансформируются и разлагаются или аккумулируются, поскольку не могут быть утилизированы. Первичные токсичные элементы (ртуть, мышьяк, селен, хром), используемые в технологических процессах, и вторичные токсические соединения на основе азота, серы и некоторых других элементов, появляющиеся в результате сжигания и переработки отдельных видов промышленного сырья и отходов, загрязняют почвенно-растительный слой и, кроме того, могут аккумулироваться в растениях. Такое накопление вредных веществ в почве, тканях растений и животных, а соответственно и в пище людей является очень опасным, особенно с учетом того факта, что человек в большинстве случаев занимает высшее звено в пищевых цепях. Миграция антропогенных загрязнений по неразрывным природным цепям способствует быстрому распространению и проникновению загрязняющих веществ во все компоненты окружающей среды. Таким образом, загрязнению подвержены все основные среды жизни.

2. Загрязнению почвы способствовали рост крупного промышленного производства, металлургии, добычи и переработки полезных ископаемых, развитие топливной энергетики, транспорта, нефтехимической промышленности. Нерациональное ведение сельского хозяйства, вынуждающее применять чрезмерное количество пестицидов, удобрений и других химикатов, также внесло свой вклад в загрязнение, изменило концентрацию микроэлементов в почве. Среди основных загрязнителей почвенной среды указывают на тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды. Тяжелые металлы и радионуклиды представляют особой проблему, так как они характеризуются низкой миграционной способностью и могут образовывать комплексные и внутрикомплексные соединения с органическими веществами гумусовой и негумусовой природы. Поведение пестицидов в почве сложно и различно из-за их большого разнообразия. Для большинства из них почва служит накопительным резервуаром. Остатки пестицидов могут накапливаться в почвенных организмах, как и тяжелые металлы, далее по пищевым цепям попадать в растения, зерновые культуры, в организм животных и человека.

3. Основными источниками загрязнения воды являются отходы промышленных предприятий, бытовые сточные воды, а также нефтепродукты и токсиканты. Основными загрязняющими веществами считают белки и продукты их гниения (индол, скатол), сахарозу (продукт целлюлозно-бумажной промышленности), синтетические детергенты, кислоты, щелочи, свинец, ртуть. Загрязняют водную среду и пестициды в результате утечки с производств и смыва с полей. Такое влияние на пресную воду приводит к эвтрофированию водоемов (цветению воды) и соответственно увеличению количества бактерий, общей деградации и непригодности воды для употребления. Поэтому в ряде стран уже ощущается недостаток в пресной воде.

4. Одной из наиболее острых проблем, особенно в индустриальных центрах, стало загрязнение воздушной среды. Так, ежегодно в атмосферу выбрасывается более 220 млн т загрязняющих веществ. В больших городах атмосфера загрязнена частичками пыли, песка, дыма, копоти. Среди наиболее вредных химических поллютантов указываются окислы серы (SО₂, SО₃), азота (NО₃, NО₂), окись углерода (СО), сероводород, озон, свинец, относящиеся к наиболее распространенным факторам риска на городских территориях, а также некоторые другие вещества – ароматические амины, органические спирты, соли тяжелых металлов, являющиеся экологически значимыми в формировании патологий городского населения. Источниками атмосферных загрязнений являются промышленные предприятия, коммунально-бытовой сектор, автомобильный транспорт.

Загрязнение воздуха, почвы и вод не может не сказаться на состоянии организма человека, взаимодействующего с этими средами.

Факторы окружающей среды, воздействующие на человека, можно рассматривать как стимулы, на действие которых организм отвечает реакцией. В большинстве случаев общие физиологические реакции организма человека на загрязнение окружающей среды рассматриваются либо с учетом комплексного воздействия различных факторов, либо как ответ организма на действие определенных химических веществ.

5. Влияние на организм вредных веществ. Начальные стадии воздействия чужеродных веществ (ксенобиотиков) довольно хорошо известны. Проникая в организм, ксенобиотики активно адсорбируются на поверхности клеток, транспортируются через клеточные мембраны, а затем аккумулируются в разных органах и тканях, оказывая воздействие на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях. При непосредственном воздействии на организм токсичных веществ, содержащихся в воздухе, общую цепь событий можно представить следующим образом.

• Попадание веществ в организм приводит к мобилизации дыхательной системы, обеспечивающей активное выведение химических веществ.

Продукты сгорания и выбросы выделяются в атмосферу в виде частиц и суспензий. В момент вдоха загрязняющие вещества поступают в организм через рот и нос. Газы (SО₂, NО₂, О₃, СО), чем менее растворимы, тем глубже проникают в организм. Некоторые газы (SО₂) адсорбируются на пылевых частицах и с ними попадают в дыхательные пути. Глубина проникновения твердых частиц зависит от их размера. Так, частицы пыли (более 10 мкм) задерживаются в полости носа и верхних дыхательных путях, а частицы размером от 3 до 10 мкм осаждаются на уровне трахеи и бронхов, еще более мелкие частицы достигают легочных альвеол. Эти частицы приводят к нарушению респираторных функций, поскольку вызывают раздражение слизистых верхних дыхательных путей и бронхов. Раздражение может спровоцировать выброс гистаминов, что, в свою очередь, приводит к сужению бронхов.

Одним из основных факторов физиологических сдвигов и структурных изменений в легких считают серную кислоту (H₂SО₄). Полагают, что кислые аэрозоли осложняют функционирование дыхательных путей за счет ослабления буферных свойств слизи и абсорбции ею иона H⁺. Закисление слизи, содержащей большие концентрации белков (и гликопротеидов), приводит к повышению ее вязкости, что влияет на функции легких. После насыщения слизи ионы Н⁺ реагируют с эпителием, повышая его проницаемость, что делает эпителий более чувствительным к воздействию инфекции. Суспензии твердых частиц, попадающие в глубокие отделы легких, оказывают цитотоксический эффект в системе аэроэпителиального барьера, вызывают гипоксию из-за образования НbСО, к которой наиболее чувствительны сердце и головной мозг. Влияние H₂SO₄ усиливается присутствием в атмосферном воздухе таких веществ, как SО₂, NО₂, О₃. Так, H₂SO₄ вместе с SO₂ могут быстрее вызывать бронхоспазм и ухудшать проходимость дыхательных путей.

Неблагоприятный эффект на состояние здоровья человека оказывает и озон (О₃), образующийся в нижних слоях атмосферы под влиянием солнечного излучения из оксидов азота и углеводородов, выбрасываемых автотранспортом и промышленностью. Есть данные о том, что озон в концентрациях 400–500 частиц на миллиард вызывает воспалительные процессы, поражает слизистые дыхательных путей, что также ослабляет дыхательную функцию легких.

Вредные воздействия оказывают и другие загрязнители воздуха. Так, полициклические ароматические углеводороды способствуют развитию астматических приступов, отека легких, связывают гемоглобин в крови. Помимо этого, они оказывают мутагенное и канцерогенное действие на организм. Свинец и его производные, проникая в кровь и костную ткань, включаются в процессы обмена и приводят к нарушению внутренней среды организма. Из-за сходства механизмов отложения и переноса они влияют на внутриклеточные процессы, опосредованные ионами кальция. Кроме того, свинец понижает активность альвеолярных макрофагов легких и таким образом снижает защитные функции; вызывает функциональные половые расстройства, нарушая синтез и транспорт половых гормонов.

• Если же концентрация воздействующих на организм химических веществ увеличивается, активация защитных механизмов происходит на фоне стресс-реализующей реакции адреналовой системы, а затем и без ее мобилизации. Следует отметить, что данные реакции организма на воздействие химических веществ изучались в условиях помещений, поэтому подобные изменения в организме людей, живущих на загрязненных территориях, выражены гораздо слабее, поскольку в атмосфере загрязняющие вещества рассеяны и их действие может зависеть от различных погодных условий и климатических факторов.

• Общее воздействие загрязненного атмосферного воздуха проявляется в снижении неспецифической (клеточной и гуморальной) резистентности организма, ослаблении структурной целостности барьерных эпителиальных тканей из-за нарушения межклеточных контактов. Такое снижение защитных свойств организма ввиду угнетения иммунной системы и дезорганизации пограничных эпителиев влечет за собой нарушение взаимоотношений с микроокружением (микроорганизмами), что, в свою очередь, усиливает биологические факторы риска. В связи с этим не вызывают удивления данные о росте заболеваемости на загрязненных территориях. Так, выявлена тесная зависимость между хроническим воспалением миндалин и загрязненностью воздуха (особенно в присутствии NО₂ и СО); существует корреляция между врожденными аномалиями сосудов (и/или) сердца и содержанием пыли, SO₂, фенола.

• Находящиеся в воздухе, растительном покрове и почвенном слое тяжелые металлы проникают в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт, кожу. При этом они могут накапливаться в тканях организма, например в фиброцитах. Это приводит к снижению эффективности защитных систем организма и нарушениям функций ферментных систем. Тяжелые металлы блокируют сульфо-гидрильные группы более 100 ферментов, наиболее существенно поражая ферменты, участвующие в энергетическом обмене. Такое блокирование сульфогидрильных групп приводит к деформации липопротеидного каркаса мембран клеток и как следствие – к нарушению гормональной регуляции из-за невозможности рецепции гормонов мембранами. Таким образом, развиваются различные аномальные и даже патологические состояния. Так, при очень высоком уровне поступления в организм железа, меди, цинка, кобальта, хрома кости становятся хрупкими, происходят болезненные изменения коронарных сосудов. Избыток никеля и кадмия способствует появлению кожных заболеваний и злокачественных новообразований. Помимо этого, кадмий, накапливаясь в почках, вызывает потерю организмом кальция, т. е. приводит к изменению обмена минеральных веществ. Наряду с этим имеются данные о наличии тесной связи между содержанием тяжелых металлов в объектах окружающей среды и частотой аллергических заболеваний, поскольку тяжелые металлы, например хром, поступая в организм человека даже в минимальных концентрациях, оказывают иммунотропное влияние, на фоне которого происходит перестройка иммунной системы и формирование условий для развития гиперчувствительности к другим аллергенам.

• Не менее опасные изменения могут вызывать и другие накапливающиеся в почве вредные вещества, особенно при их большом содержании. Так, по некоторым оценкам, ежегодно в мире от отравлений пестицидами страдает до 1 млн человек. Острые отравления некоторыми пестицидами (фосфорорганическими, карбонатными) могут проявляться в изменениях со стороны деятельности центральной нервной системы, свидетельствующих об угнетении холинэстеразы в рецепторах. Превышение предельно допустимых концентраций нитратов и нитрозосоединений в почве отдельных районов служит причиной развития метгемоглобинемии.

• Попадая в воду, азотистые соединения превращаются в канцерогенные N-нитрозамины, повышение содержания которых в воде, вместе с другими токсикантами, служит причиной роста онкологических заболеваний. В общем, с антропогенным загрязнением водной среды, особенно источников пресной воды, связывают возможности как специфического, так и неспецифического влияния вод на состояние здоровья человека, которое нередко выражается в снижении защитных функций организма к воздействиям физических и биологических факторов, а также в развитии аллергических состояний.

В заключение следует отметить, что вышеописанные изменения в организме могут иметь разную степень проявления в зависимости от общего комплекса факторов, действующих на человека в данных условиях. Коль скоро эти факторы и степень их влияния различны на разных территориях (в городских агломерациях, небольших поселках, деревнях и т. д.), то и адаптивные изменения везде будут иметь свои особенности.