Биохимични и физиологични реакции на клетъчно и субклетъчно ниво. Биоиндикация на различни нива на живите същества

Система за планова профилактика или PPR система, както обикновено се нарича накратко този методорганизирането на ремонт е доста често срещан метод, който произхожда и получава широко използванев страните бившия СССР. Особеността на „популярността“ на този тип организация на ремонтната икономика беше, че тя се вписваше доста добре в планираната форма на икономическо управление от онова време.

Сега нека разберем какво е PPR (планирана превантивна поддръжка).

Система за планирана превантивна поддръжка (PPR) на оборудването- система от технически и организационни мерки, насочени към поддържане и (или) възстановяване на експлоатационните свойства технологично оборудванеи устройства като цяло и (или) отделни части от оборудване, структурни единици и елементи.

Предприятията използват различни видове системи за планирана превантивна поддръжка (PPR). Основното сходство в организацията им е тази регулация ремонтна дейност, планират се тяхната честота, продължителност, разходи за тези работи. Различни показатели обаче служат като индикатори за определяне на времето на планираните ремонти.

Класификация на PPR

Бих подчертал няколко типа системи за планова поддръжка, които имат следната класификация:

регулиран PPR (планирана превантивна поддръжка)

• PPR за календарни периоди
• ППР по календарни периоди с корекция на обема на работа
• PPR според времето на работа
• ППР с регламентиран контрол
• PPR по режими на работа

PPR (планова профилактика) според състоянието:

• PPR за допустимо нивопараметър
• PPR според допустимото ниво на параметъра с корекция на диагностичния план
• PPR въз основа на допустимото ниво на параметър с неговата прогноза
• PPR с контрол на нивото на надеждност
• PPR с прогноза за ниво на надеждност

На практика е широко разпространена система за регулирана планова превантивна поддръжка (PPR). Това може да се обясни с по-голяма простота в сравнение със системата PPR, базирана на състоянието. В регулиран PPR връзката отива към календарни датии е опростено да се приеме фактът, че оборудването работи през цялата смяна без спиране. В този случай структурата на ремонтния цикъл е по-симетрична и има по-малко фазови измествания. В случай на организиране на PPR система според всеки приемлив индикаторен параметър, е необходимо да се вземе предвид голям бройтези показатели са специфични за всеки клас и тип оборудване.

Предимства от използването на система за превантивна поддръжка или планова поддръжка на оборудването

Системата за планирана превантивна поддръжка на оборудване (PPR) има голям брой предимства, които я определят широко приложениев индустрията. Като основни бих откроил следните предимства на системата:

• наблюдение на продължителността на работа на оборудването между периодите на ремонт
• регулиране на времето за престой на оборудването за ремонт
• прогнозиране на разходите за ремонт на оборудване, компоненти и механизми
• анализ на причините за повреда на оборудването
• изчисляване на броя на ремонтния персонал в зависимост от сложността на ремонта на оборудването

Недостатъци на системата за превантивна поддръжка или плановата поддръжка на оборудването

Наред с видимите предимства, PPR системата има и редица недостатъци. Позволете ми да направя резервация предварително, че те са приложими главно за предприятия в страните от ОНД.

• липса на удобни инструменти за планиране на ремонтни работи
• сложност на изчисленията на разходите за труд
• сложността на отчитане на индикаторния параметър
• трудност при бързо коригиране на планираните ремонти

Горните недостатъци на системата PPR са свързани с някои специфики на парка от технологично оборудване, инсталирано в предприятия от ОНД. На първо място това висока степенизносване на оборудването. Износването на оборудването често достига 80 - 95%. Това значително деформира системата за планирани превантивни ремонти, принуждавайки специалистите да коригират графиците за поддръжка и да извършват голям брой непланирани (аварийни) ремонти, значително надвишаващи нормалния обем на ремонтните работи. Също така, когато се използва методът за организиране на PPR системата според работните часове (след определено време на работа на оборудването), трудоемкостта на системата се увеличава. В този случай е необходимо да се организира запис на действително отработените машиночасове, което заедно с големия парк от оборудване (стотици и хиляди единици) прави тази работа невъзможна.

Структура на ремонтните дейности в системата за поддръжка на оборудването (планова превантивна поддръжка)

Структурата на ремонтните работи в системата за поддръжка на оборудването се определя от изискванията на GOST 18322-78 и GOST 28.001-78

Въпреки факта, че системата PPR предполага безпроблемен модел на работа и ремонт на оборудването, на практика е необходимо да се вземат предвид непланираните ремонти. Тяхната причина най-често е незадоволителна техническо състояниеили инцидент поради лошо качество

Биоиндикация за различни ниважив.

Биоиндикацията може да се извърши на всички нива на организация на живите същества (клетъчно, организмово, популационно-видово, общности, екосистеми и биосферата като цяло). Обикновено биоиндикатори на по-ниски нива на организацията директен и специфичен, и по-високи косвени и неспецифични. Следните процеси и реакции са възможни и са налични индикации за определено биологично ниво.

На клетъчно ниво биоиндикацията практически се слива с конвенционалните физикохимични методи, тъй като се основава на тесните граници на редица биохимични и физиологични процеси в клетките и макромолекулите. Такива реакции включват: промени в пропускливостта клетъчни мембрани , концентрация и активност на ензими, аминокиселини и други макромолекули, натрупване на вредни и синтез на защитни вещества и др.. Нека дадем няколко примера.

Серният диоксид, прониквайки в листата през устицата и разтваряйки се във вода, образува киселина, която разрушава мембраната. В резултат на това буферният капацитет на клетъчната цитоплазма намалява и нейната киселинност се променя. Други окислители като озон и пероксиацетилнитрати също влошават пропускливостта на мембраната. Натрупването на йони на тежки метали утежнява ефекта на окислителите. Във всички случаи листните хлоропластни мембрани са най-силно засегнати; тяхното разрушаване води до намаляване на фотосинтезата. Използване на хроматограф, спектрофотометър и флуориметър и др., определяне на интензивността на фотосинтезата, флуоресценцията на хлорофила и съотношението на хлорофил А и В в контролните и изследваните проби растителни клеткиможе да се оцени степента на замърсяване на околната среда.

Има три начина на действие на замърсител, които нарушават процеса на нормална връзка между ензим и макромолекула (субстрат): 1) към ензима се добавя замърсител вместо субстрат; 2) замърсителят инхибира ензима, нарушавайки връзката му със субстрата; 3) чрез свързване на субстрата с ензима, замърсителят инхибира неговото действие. Вече разгледахме промяната в обмена на кислороден газ по време на свързването на CO и хемоглобина. Наличието на SO 2 инхибира асимилацията въглероден двуокиспо време на процеса на фотосинтеза. Серният диоксид се свързва с активния център на рибулоза дифосфат карбоксилазата, ключов ензим във фотосинтезата, вместо CO 2, като инхибира фиксирането му (цикъл на Калвин).

В клетките под въздействието на смущения се натрупват защитни вещества, съдържанието се променя пигменти, аминокиселини, протеини, въглехидрати. Добър биоиндикаторен знак са многобройните видими върху организмово нивои физиологични прояви, свързани с фенолни пигменти. Основната функция на тези пигменти е оцветяване и защита - те се натрупват в органите на растенията при неблагоприятни и стресови условия на околната среда. Така в смърчовите игли се наблюдава повишаване на съдържанието на фенолни вещества под въздействието на серен диоксид месец преди увреждането на иглите, т.е. това е предвестник на видима хлороза и некроза. Друг индикатор за стрес, аминокиселината пролин, има повишено съдържание в листата на някои широколистни видове (тис, кестен), податливи на градско замърсяване. Съдържанието на аденозинтрифосфорна киселина (АТФ) е индикатор за жизнеспособността на клетките. Въз основа на връзката („индикатор за енергиен заряд“) между съдържанието на АТФ и общото съдържание на по-малко енергоемки ADP и AMP, може да се прецени неблагоприятни условиязаобикаляща среда. В клетките на растения като бор и водорасли trebouxia е установено намаляване на енергийния заряд с увеличаване на концентрациите на серен диоксид. При газови емисиисъдържанието на глюкоза и фруктоза в граховите листа се увеличава.

Както вече споменахме, негативното влияние на околната среда върху процесите в клетките най-често е специфично. Излишъкът от минерални и органични суспендирани вещества във водата води до замърсяване на порите воден организъм, следователно са нарушени Общи условияосморегулаторни функции на воден организъм, важни за стабилизиране на тонуса вътрешна среда, т.е. Реакцията на организма не е специфична. Определя се специфичната реакция на клетката (селективност). катионен съставвода: повишеното съдържание на Ca 2+ удебелява клетъчната мембрана, а Na + повишава нейната пропускливост. На клетъчно ниво може да се забележи както синергизъм, така и възникване на реакции: повишаването на концентрациите на калций и калий самостоятелно действат върху клетъчната мембрана на водния организъм еднопосочно, но при едновременно увеличение те не се проявяват (т. наречена аполярност на действието).

Предимството на биоиндикацията на клетъчно и субклетъчно ниво е, че тук се появяват първите екологични смущения. Например, отрицателният ефект от повтарящи се малки дози радиация върху човек се свежда до повишаване на пропускливостта на клетъчните мембрани и намаляване на тяхната устойчивост, както към последващо облъчване, така и към действието на вируси, което води до имунитет.

Недостатъкът на индикацията на клетъчно ниво е сложността на оборудването и физикохимичните методи за определяне на реакцията. Следователно на клетъчно ниво те се използват относително прости методиопределяне на интензивността на фотосинтезата и флуоресценцията на хлорофила; оценява промените в ензимната активност, промените в пигмента (обикновено фенолна група), натрупването на сяра в листата, измерванията на концентрациите на някои защитни органична материяпроизведени при стрес (аминокиселини - пролин, аланин, пероксидаза).

17.3.2 Организмово ниво: морфологични, биоритмични и поведенчески реакции.

Един от най-разпространените методи за индикиране на замърсяването на околната среда е мониторингът морфологични променирастения, изразени в

а) промени в цвета на листата: хлороза- бледо оцветяване на листата между вените се наблюдава при излишък на тежки метали в почвата, воднистост(както при замразяване) под въздействието на пероксиалнитрати; под въздействието на серен диоксид се получава зачервяване от натрупване на антоцианин и др.

б) смърт на участъци от листната тъкан - некроза. Има точкова и петниста, междувенална, маргинална некроза и апикална некроза и техните комбинации. Покафеняване и бронзиране, избелване на листатачесто означава първия етап некроза.Елховите и борови иглички стават кафяви под въздействието на SO 2, върховете на листата на гладиолите побеляват под въздействието на HF. Някои некрози са специфични: некроза под въздействието на озон върху листата на тютюна BEL W3 не се наблюдава при устойчивия сорт BEL B. При значително съдържание на сол за топене на лед върху листата на липата се появяват ярко жълти петна крайни зони, тогава ръбът на листа умира и жълтата зона се премества в средата на листа. Разработена е скала за класифициране, която позволява да се оцени нивото на соленост на почвата въз основа на степента на увреждане на листата на липа.

в) обезлистванеобикновено се наблюдава след хлороза и некроза. Опадат: смърчовите и борови иглички поради общото замърсяване на въздуха, листата на касиса под въздействието на серен диоксид, листата на липата и кестена поради засоляването на почвата. При посочване на замърсяване атмосферен въздухВъз основа на продължителността на живота на иглите, клоните се изрязват от средната част на короната на дървета с относително една и съща възраст; възрастта на иглите на издънките се определя от завитъците на различни възрасти. Тъй като иглите обикновено живеят 4 години, издънките на две до четири години трябва да бъдат покрити с тях в същата степен, както и издънките от първата година, ако средата е благоприятна. Скалата за класифициране на некрозата и продължителността на живота на иглите дава възможност да се определи количествено степента на замърсяване на околната среда.

г) промени в размера на органите, формата на броя и разположението на органите.При кресон, засаден покрай магистрали, дължината на разсада е ясно намалена. В ягодоплодните храсти дължината на листата намалява. При замърсен въздух иглите от първата година се скъсяват и сближават в резултат на влошаване на растежа на издънките.

д) промяна в жизнената форма и жизнеността.Формата на храст или възглавница е характерна за много широколистни дърветас трайно замърсяване на въздуха и почвата. Бонитетът на дърветата се понижава от клас 1-2 до клас 4-5, съпроводено с изтъняване на короната и намаляване на линейния и радиален прираст. Измерва се растежът на стволовете, дължината на издънките, листата, диаметърът на талуса на лишеите и др.

е) промяна в плодовитосттаоткрити в много растения. Образуването на плодни тела при гъбите и лишеите е намалено.

В животинския свят индикацията на ниво организъм е много по-сложна, отколкото в растенията. Най-често биоиндикатори са ларвите на насекоми, мекотели и млади водни организми.

а) морфологични промени.Разликите в размера и пропорциите на тялото са надеждно открити в редица листни въшки и в размера на черупките на почвените мекотели. Наличието на токсикант в храната на насекомите обикновено намалява размера на техните ларви и възрастни. Промяна в цвета (т.нар. индустриален меланизъм) се наблюдава при брезовия молец и се увеличава делът на черните форми на двупетниста калинка. В замърсена водна средапоради нарушения в процеса на онтогенезата се увеличава броят на рибите с нарушение на формата на тялото, пигментацията, със „стопени” и намалени перки, „мопсовидна” глава, с намалена зеница, катаракта и слепота и др. . Тъй като деформациите рязко намаляват степента на оцеляване на малките, тогава количествено определянеспектър от аномалии е възможно само в най-ранните етапи от тяхното развитие.

б) физиологични промениса най-ясно записани в примера на ларвите на водни насекоми, мухи (caddis flies). На хрилете (корема) на тези ларви има клетки, които абсорбират Cl - аниони. Тялото се настройва така, че с всяко линеене броят на клетките, способни да абсорбират тези йони, съответства на промените в солеността на водата.

в) размножаване, онтогенеза и продължителност на живота.Плодовитостта обикновено намалява при замърсяване. Под въздействието на тежки метали и ДДТ, съединителят намалява, смъртността на ембрионите (поради изтъняване на черупката) и пилетата при птиците се увеличава. Когато пеперудите са замърсени, броят на какавидираните гъсеници и процентът на поява на имаго намаляват. Стадият на ларвите се удължава: в червея Scotia segetumпо време на отлагане на мед и в цигански молци в атмосфера с излишък от флуороводород

Характерна е промяната поведенчески реакции организми: когато стойностите на редокс потенциала Eh спаднат до отрицателни стойности, ларвите Сhironomus dorsalisсменете знака на фототаксиса от минус на плюс и изплувайте на повърхността. Физическа дейнострибата зависи от съдържанието на кислород.

17.4. Популационно-видово ниво: флористични и фаунистични промени.

Популацията е естествено пространствено групиране на индивиди от един и същи вид и се характеризира с плътност, полова, възрастова и екологична структура и динамика.

С цел повишаване на толерантността към замърсяване растителни организмиса подредени в следния ред: гъби, лишеи, иглолистни дървета, тревисти растения, широколистни дървета.Всяко семейство също има свои собствени градации; маруля, люцерна, зърнени култури и кръстоцветни зеленчуци са силно чувствителни към замърсяване; живовляк, царевица, грозде и розацеи са по-малко чувствителни. От това следва, че чрез сравняване на плътността и структурата на най-често срещаните представители на „чистата“ и „мръсната“ среда, подредени в градации, може бързо да се оцени състоянието на околната среда.Трябва да се отбележи, че посочените градации на растителни групи не са еднакви за всички видове замърсители на околната среда, тъй като техните ефекти са различни, следователно идентифицирането на специфични серии от биоиндикатори е един от практически проблемиконтрол на околната среда на това ниво. Лишеите, например, не са придирчиви към повечето фактори външна среда, но са чувствителни към замърсяване на въздуха, тъй като: а) лишеите нямат непроницаема кутикула и обменът на газ се извършва през цялата повърхност; б) атмосферната вода се абсорбира от целия талус (талус). Лишеите натрупват много замърсители (сяра, радиоактивни вещества, тежки метали) в своя талус. Груби (Lecanora, Fiscia), листни (Parmelia) и храстовидни (Usnea, Evernia) форми на живот на лишеите: те се различават по степента на устойчивост на дим: ако първите могат да издържат на умерено замърсяване, тогава последните изчезват с малко, а вторите се срещат само в много чист въздух. Тъй като лишеите са в състояние да се отърват от засегнатите части на талуса годишно, площта на проективното покритие е относително стабилна Lecanora conizaeoidesможе да се съди за интензивността на дългосрочното градско замърсяване.

Възрастова структурарастителните популации (съотношението между млади, възпроизвеждащи се и стари индивиди) се подмладяват, ако се увеличи смъртността и се съкратят етапите на развитие (сенокосни ливади, тревни площи) или остаряват, ако регенерацията е нарушена (под въздействието на серен диоксид в широколистните гори).

Същност екологична структурапопулации е, че естествените популации обикновено се състоят от няколко екотипа - групи от индивиди, адаптирани към условията на околната среда, което дава шанс на популацията да оцелее, когато условията на околната среда се променят. Разпространението на екотипове, устойчиви на антропогенни въздействия, е очевидно от стесняването на обхвата на променливостта на самосевния мак само за 30 години интензивна химизация селско стопанство. Тревата bentgrass расте морски бреговеи толерира соленост, тънката извита трева няма такива екотипове, така че е очевидно, че последната не е адаптирана към градските условия. Очевидно е също, че японската лиственица, растяща в близост до вулкани, е по-устойчива на серен диоксидотколкото европейския, т.е. първото е за предпочитане в зелените площи на индустриалните градове. IN в световен мащабособеностите на екотиповете водят до промени в местообитанията на растенията: намаляване на горските видове и разпространение на плевелни рудерални видове и халофити.

В животинския свят отклонение гъстота на населениетоот нормата, е чувствителен специфичен и неспецифичен индикатор за нарушаване на околната среда: намаляване на популацията на хищните птици поради натрупването на ДДТ; тежките метали в комбинация със SO 2 водят до рязко намаляване на броя на земните червеи; нарастването на колониите от черни глави чайки в Европа се дължи на еутрофикацията на водните тела отпадъчни води; Под влиянието изгорели газове, поради намаляване броя на неприятелите и промени в биохимията на растенията гостоприемници, броят на листните въшки се увеличава. Промяната в средната стойност на гъстотата на популацията под въздействието на околната среда винаги е придружена от промяна в пространствено-времевата структура на популацията (честотата на случаите, превишаващи определен праг на гъстота): рудерални, торни и компостни видове пролетни опашки имат по-висока плътноств града, а популацията им достига пик в началото на пролетта поради значително повишаване на температурата на почвата; разпределението на индивидите е по-неравномерно поради концентрацията им в по-малко нарушени райони.

17.5. Индикация на ниво биоценози и екосистеми.

Биоценотичните и екосистемните нива на биоиндикация са най-подходящи за цялостна оценкатекущото качество на околната среда, но рядко предоставят възможност за наблюдение на физико-химичните и биологични ефектидокато ефектите от удара станат очевидни. Съобществата (или биоценозите) са съвкупност от видове растения, животни, микроорганизми и гъби от определено местообитание. Известно е, че за описание на общности те използват следните показатели: общ брой, видово богатствои разнообразие, видове и екологични структури(спектри форми на животи биотопни групи). В нарушена среда се наблюдават следните отклонения на показателите на биоценозата от нормата:

а) общ бройобикновено пада, а ако се повиши, това се дължи на няколко устойчиви вида. Така в града броят на птиците се поддържа от ята врабчета, врани и гълъби. В полетата броят на насекомите се увеличава по време на огнища на вредители.

б) видов състави разнообразие от общности.При слабо смущение броят на видовете често се увеличава поради отвореността на общността към рудерални и синантропни видове; при по-значително смущение започва загубата на редки форми и видове, чувствителни към смущения. Например, в зоната, повлияна от емисиите от завода Severonickel (Kapitsa et al., 2001), видовият състав на тундровите съобщества може да бъде разделен на 5 групи според увеличаването на антропогенното натоварване: от фона със средно 12 растителни видове и 8 вида лишеи, към критичната зона съответно с два и един вид. При изследване на общата фитомаса на тундрата беше открито, че има леко увеличение на нейните абсолютни стойности (от 0,8 до 1 kg / m2) по време на прехода от зони на „фонови“ екосистеми към леко нарушени и рязък спад (5-6 пъти) в умерено нарушени и критични екосистеми.

В допълнение към абсолютните стойности на фитомасата и проективното покритие, техните видова структура , т.е. разпространение по жизнени форми (лишеи, храсти, дървета, мъхове). В същия пример, във фоновите райони на тундрата, разнообразието от чувствителни лишеи от рода Кладинапридружени от значителния им дял във фитомасата, докато в замърсените райони липсват. храсти Betula nanaИ Salix glalicaсе откриват на всички етапи на нарушаване и техният дял във фитомасата нараства с увеличаване на експозицията. При силно въздействие(близо до завода) сред храстите има останки само Salix glalicaИ при липса на конкуренция абсолютните стойности на неговата фитомаса също се увеличават. Така, когато средата е нарушена, има подмяна на някои форми на живот растителна общностдруги. Нека дадем пример от животинския свят: по време на отдих в общността на пролетните опашки групите от форми на живот започват да изчезват, но почвените и повърхностно обитаващи групи се запазват. Антропогенно въздействиеводи до промяна в спектъра биотопични груписъс замяната на специализирани видове от общността с еврибионти, по-нататъшното увеличаване на натоварването върху общността води до преобладаване на рудерални и синантропни видове. При наблюдение на съобщества, изложени на дългосрочно натоварване от замърсители, първо се наблюдава промяна в доминиращите видове в общността, след това във формите на живот и след това в биотопичните групи.

На екосистемно нивоиндикаторът за състоянието на околната среда е балансът на веществата и потокът на енергия във веригата биологичен цикълкато се започне от приема (запаса) на хранителни вещества (kg/m2, kg/m3) и слънчева енергия(W/m2) и се състои от най-малко три звена: продуценти, консуматори и разлагатели на органични вещества. Биологичният кръговрат се характеризира с капацитет - биомаса и скорост - количеството образувана и разградена жива материя за единица време.

Сред различните възможности за мониторинг на фитомасата, ще се съсредоточим върху един факт, който предоставя възможност за космически мониторинг на фитоценози от различен ранг, от отделни биотопи до континентални биоценози. Известно е, че хлорофилът по време на фотосинтезата се отразява повече в близката инфрачервена зона на спектъра (0,7-0,8 микрона), отколкото в червената видима област на спектъра (0,6-0,7 микрона) - това уникална способностзелени растения. Това е основата за използването на индекса на нормализираната разлика в растителността NDVI ( Нормализиран диференциален вегетационен индекс). Ако L VC и L IR са отразени слънчева радиацияпри дължини на вълните във видимата червена област и близката инфрачервена област, NDVI

Нормализацията в (1) до L in + L ir е необходима, за да се премахнат ефектите, свързани с промените в ъгъла на наклона на слънцето и ъгъла на наблюдение между последователни серии от наблюдения със спектрално оборудване на сателити (Landsat, NOAA, EOS). От (1) следва, че диапазонът на стойностите на NDVI е от –1 до +1. Стойностите на NDVI винаги са положителни, ако има зелени растения в пиксела на изображението (Таблица 1) и се увеличават значително с увеличаване на количеството хлорофил в клетките.

Таблица 1. Разпределение на NDVI на здрави и нарушени тундрови зони на Колския полуостров.

Наличието на много космически платформи дава възможност да се изчислява индексът на растителността с разделителна способност най-малко 4 × 4 km 2 на цялата планета всеки ден, като се наблюдава фотосинтетичната активност (скоростта на растеж на биомасата) на естествената и култивираната растителност.

Скоростта на разлагане на органичната материя също е индикатор за интензивността на цикъла. В близост до заводи за цветна металургия, разположени в зоната на тайгата, нарушението на трофичната структура, дължащо се на потискането на почвените безгръбначни, необходими за ускоряване на унищожаването на отпадъците, води до факта, че дебелината на последните достига 20 cm, надвишавайки норма с 3-4 пъти. Постелята е представена от мъртви растения и съдържа тежки метали, както „консервирани“ в растителните органи, така и внесени с валежите. Абсолютни стойностисъдържание на тежки метали в отпадъците в райони атмосферно замърсяванеобикновено надвишават съответните стойности в почвата и растенията няколко пъти, което показва високата информативна стойност на този компонент на екосистемите за оценка на замърсяването. Тъй като скоростта на разлагане на органичната материя на повърхността на почвата е индикатор за интензивността на биологичния цикъл, тя се използва за характеризиране на състоянието на екосистемата. съотношение котило-котило K p , равно на отношение MHO на неразградени органични остатъци, натрупани на повърхността на почвата под формата на постеля или торф, към масата на органичните остатъци MHO, пристигащи годишно с постеля в същата област.

(2)

Стойностите на K p се измерват в единици време (месец, година), което означава, че K p е по същество аналогичен на разгледания по-рано условен период на водообмен τ и може да се нарече условен период (интензитет) на биологичния цикъл, τ B ≡K p. Очевидно най-големите стойности на τ B (≈0,1 година, т.е. около един месец) се постигат при достатъчно топлина и влага, т.е. във влажна субтропични гори. Инхибирането на разграждащи организми по каквато и да е причина увеличава τ B и води до факта, че, от една страна, времето на екскреция се увеличава органично замърсяване(включително тежки нефтени фракции), а от друга страна, поради нарастването на слоя отпадъци, до натрупване на вредни неорганични вещества. В Русия τ B от 50 години се наблюдава в блатните замръзващи почви на Западна и Източен Сибирдо 5-0,7 години в зоната на излужените черноземи на горската степ. От това следва, че антропогенното забавяне на скоростта на биологичната циркулация е най-критично за северните почвено-биоклиматични райони и провинции. Обсъжда се ролята на почвените безгръбначни за индикация на състоянието на екосистемата следващ факт: по време на горска рекултивация на сметища за добив на въглища, засадените дървета не образуват истински гори след 30 години - в тях липсва комплексът от сапрофаги, разрушители на горска постеля.

№ 9.1 Известно е, че грипният вирус нарушава синтеза на ензима карбамоилфосфат синтетаза аз . В този случай децата изпитват повръщане, замайване, конвулсии и възможна загуба на съзнание. Посочете причината за наблюдаваните симптоми. За това:

а) Напишете диаграма на орнитиновия цикъл

б) Посочете концентрацията на кое вещество се повишава в кръвта на пациента

в) Обяснете механизма на токсичния му ефект върху нервната тъкан

причина- хиперамонемия

а)Орнитинов цикъл

б)Амонякът, глутаминът и амониевият йон NH 4 + се повишават в кръвта на пациента.

V)Механизъм на токсично действие на амоняка На мозъка и тялото като цяло очевидно са свързани с ефекта му върху няколко функционални системи.

Амонякът лесно прониква през мембраните в клетките и в митохондриите измества реакцията, катализирана от глутамат дехидрогеназа, към образуването на глутамат:

a-кетоглутарат + NADH + H + + NH 3 → глутамат + NAD + .

Намаляването на концентрацията на a-кетоглутарат причинява:

потисничествообмен на аминокиселини (реакция на трансаминиране) и, следователно, синтез на невротрансмитери от тях (ацетилхолин, допамин и др.); хипоенергийно състояниев резултат на намаляване на скоростта на цикъла на потока.

Недостатъчността на α-кетоглутарат води до намаляване на концентрацията на метаболитите на TCA цикъла, което води до ускоряване на реакцията на синтез на оксалоацетат от пируват, придружено от интензивна консумация на CO 2. Повишеното производство и консумация на въглероден диоксид по време на хиперамонемия е особено характерно за мозъчните клетки.

Увеличаването на концентрацията на амоняк в кръвта измества pH към алкалната страна (причини алкалоза).Това от своя страна повишава афинитета на хемоглобина към кислорода, което води до тъканна хипоксия, натрупване на CO 2 и хипоенергийно състояние, което засяга главно мозъка.

Високи концентрации на амоняк стимулират синтеза на глутаминот глутамат до нервна тъкан(с участието на глутамин синтетаза):

Глутамат + NH3 + ATP → Глутамин + ADP + H3PO4.

Натрупването на глутамин в невроглиалните клетки води до повишаване на осмотичното налягане в тях, подуване на астроцитите и във високи концентрации може да причини мозъчен оток. Намалена концентрация на глутаматнарушава метаболизма на аминокиселините и по-специално на невротрансмитерите синтезγ-аминомаслена киселини (GABA),основен инхибиторен невротрансмитер. При липса на GABA и други медиатори, провеждането на нервен импулс, възникват конвулсии.

Йонът NH 4 + практически не прониква в цитоплазмени и митохондриални мембрани. Излишъкът от амониев йон в кръвта може да наруши трансмембранния транспорт на едновалентни катиони Na ​​+ и K +, конкурирайки се с тях за йонни канали, което също влияе върху проводимостта на нервните импулси.

Анализът на резултатите от нарушение на свързаното наследяване на гени ни позволява да определим последователността на местоположението на гена в хромозомата и да изготвим генетични карти. Как са свързани понятията „честота на пресичане“ и „разстояние между гените“? Какво е значението на ученето генетични карти различни предметиза еволюционни изследвания?

Обяснение.

1. Честотата (процентът) на кръстосване между два гена, разположени на една и съща хромозома, е пропорционална на разстоянието между тях. Кръстосването между два гена се случва по-рядко по-близък приятелте са разположени един срещу друг. Тъй като разстоянието между гените се увеличава, вероятността кръстосването да ги раздели на две различни хомоложни хромозоми се увеличава.

Въз основа на линейното подреждане на гените върху хромозомата и честотата на пресичане като индикатор за разстоянието между гените, могат да бъдат конструирани хромозомни карти.

2. В изследванията еволюционен процессравнете генетични карти различни видовеживи организми.

Точно както ДНК анализът ни позволява да определим степента на родство между двама души, същият ДНК анализ (сравняващ отделни гени или цели геноми) ни позволява да определим степента на родство между видовете и знаейки броя на натрупаните разлики, изследователите определят времето на разминаване на два вида, тоест времето, когато е живял последният им общ прародител.

Забележка.

С развитие молекулярна генетикаДоказано е, че еволюционните процеси оставят следи в геномите под формата на мутации. Например, геномите на шимпанзетата и хората са 96% идентични и малкото региони, които се различават, ни позволяват да определим времето на съществуване на техния общ прародител.

Точно както ДНК анализът ни позволява да определим степента на родство между двама души, същият ДНК анализ (сравняващ отделни гени или цели геноми) ни позволява да определим степента на родство между видовете и знаейки броя на натрупаните разлики, изследователите определят времето на разминаване на два вида, тоест времето, когато е живял последният им общ прародител. Например, според палеонтологични данни, общият прародител на хората и шимпанзетата е живял преди приблизително 6 милиона години (това е възрастта на например фосилните находки на Orrorin и Sahelanthropus - форми, морфологично близки до общ предшественикхора и шимпанзета). За да се получи наблюдаваният брой разлики между геномите, за всеки милиард нуклеотиди трябва да има средно 20 промени на поколение.

Оказва се, че човешката ДНК е хомоложна на ДНК на макак със 78%, на бик с 28%, на плъх с 17%, на сьомга с 8%, коли- на 2%.

За да се изгради филогенетично дърво, е достатъчно да се разгледат няколко гена, които присъстват във всички организми, които искаме да включим в това дърво (обикновено колкото повече гени, толкова по-достоверни са статистически елементите на дървото - редът на разклоняване и дължина на клоните).

Възможно е, използвайки генетични техники (изучаване на структурата на хромозомите, сравняване на генетични карти, установяване на алелите на гените), да се определи с достатъчна точност филогенезата на няколко свързани вида за периода от време, през който те се отклоняват от общ ред. Но този подход е приложим само за много близки форми, добре проучени генетично и за предпочитане кръстосани помежду си, т.е. до много малко и много тесни систематични групи, възникнали сравнително наскоро.

И така, генът на шаблонната нишка на ДНК е готов. Друг ензим (РНК полимераза) се заема със задачата и като мозайка допълва РНК срещу гена. Помните ли принципа „ключ и ключалка“? Процесът на пренаписване на информация от ДНК и едновременно завършване на РНК в биологията се нарича транскрипция.

Получената РНК се нарича първичен (неактивен) транскрипт.Процесът на „узряване“ и активиране на РНК протича в ядрото с участието на ензими, които изрязват като ножица интрони (неносещи информация, „мълчаливи“ участъци от РНК) и зашиват останалите „парчета“. Биологично значениеинтроните все още не са изяснени, а следващата Нобелова награда очаква своя притежател. След всички тези трансформации имаме готов матрица, или информационентРНК.

Трябва да се отбележи, че в една клетка няколко копия на m-RNA могат да бъдат презаписани последователно от един ген, което в крайна сметка прави възможно значително увеличаване на обема на производство на желания протеин.

ИРНК навлиза в цитоплазмата и започва нов етап- директен синтез на протеиновата верига, или излъчване. Веднага щом иРНК попадне в цитоплазмата, тя се „приема“ в нейните „прегръдки“ рибозома (изглед БНа Фигура 4 ).

Нека припомним, че рибозомата се състои от големи и малки субединици, между които има жлеб, нещо като канал, през който се изтегля иРНК.

Информацията, записана в иРНК, се превежда в друга знакова система - на „езика на протеините“ (неговата „азбука“ са аминокиселини). Рибозомата се придвижва с една стъпка (кодон) по веригата на иРНК; в нейния активен център се появява нов триплет (кодон), към който тя пасва трансферна РНК, прикрепя се към рибозомата и прехвърля верига от аминокиселини, рибозомата отново прави стъпка и т.н. Този процес е по-лесен за изобразяване, отколкото за описване (вж Фигура 5 ).

За да се увеличи "производителността" на процеса на биосинтеза на протеини, клетката се формира полирибозоми (изглед БНа Фигура 4 ), които са няколко рибозоми, които последователно четат информация от иРНК.

Получената протеинова молекулане остава в клетката под формата на низ от мъниста (това е само първичната структура), той е компактно "опакован" благодарение на химическите и физическите връзки, които възникват между аминокиселините, когато протеиновата верига се удължи. Вторична структуракатерицата е като спирала, а третичният е като плътна топка ( глобула ). Така наречената кватернерна структура се образува, когато няколко протеинови молекули се комбинират една с друга и/или с други молекули.

Докато се задълбочавахте в материала на предишния параграф, голяма протеинова верига вече е сглобена в истинска клетка: синтезът на протеинова молекула, състояща се от 100 аминокиселини, отнема около 2 минути. Сглобяването на определена протеинова молекула завършва, когато иРНК стоп кодон навлезе в активния („четещ“) център на рибозомата и протеиновата верига се скъса ( фигура 4 , изглед Б).

При описанието на биохимичните реакции сме пропуснали една важна подробност. Много реакции могат да протичат без помощта на катализатор, но това ще отнеме колосално време (като се вземе предвид продължителността на живота на дадена клетка). И реакциите в клетката протичат с такива скорости, които са недостижими, когато се извършват в епруветка. Тук работи още едно изобретение на природата - ензимите, за които споменахме, когато говорихме химическа структураклетки.

Ензиме катализатор, който ускорява само един химическа реакция. Скоростта на ензимно-катализираната реакция в тялото се увеличава стотици хиляди или милиони пъти (до 10 14 пъти).Например образованието само на един водородна връзкаи свързаната промяна в енергията на активиране може да ускори реакцията с 10 6 пъти.

Ензимите ускоряват потока биохимични реакциистотици хиляди или милиони пъти.

Името на ензима най-често се състои от две части, отразяващи субстрата и функцията, която изпълнява. Например сукцинат дехидрогеназата е ензим, който премахва водороден атом (дехидроген) от субстрат - съединение на янтарна киселина (сукцинат). Липазата е ензим, който разгражда мазнините. Окончанието „аза“ означава само това дадена думаозначава ензим, който е 100% от времето протеин.

Някои от веществата, които се образуват в клетката, са „отпадъци“ от метаболизма; те се транспортират чрез кръвния поток до черния дроб и бъбреците и след това се изхвърлят от тялото. Получените продукти като правило нямат не само специфична активност, но и, което е много важно, токсичност.

Нека припомним, че интензивността на биохимичните реакции в клетката варира в зависимост от различни етапижизнен цикъл на клетката (вижФигура 6).

По време на клетъчното делене той е минимален; по време на периода на активно функциониране на клетката, метаболитните процеси и енергиен метаболизъмпродължавам с максимална скорост. По този начин, биохимични процеси, протичащи в организма, са подчинени на осн генетичен алгоритъм - жизнен цикъл и са насочени към изпълнение на основни задачи.