Kanariske, Kat og Daphnia

Kanariske, Kat og Daphnia

Arkady Kuramshin,
Kandidat Kemisk Videnskab
"Kemi og liv" №1, 2018

De tre navngivne i titlen, samt måger, muslinger, lavmer, bier … Hvad kan sådanne forskellige væsener have til fælles? Alle er levende indikatorer, der advarer en person om fare.

Når det er umuligt at leve

Den skotske fysiolog John Scott Haldanes eksperimenter (1860-1936) om undersøgelsen af ​​de giftige virkninger af forskellige gasser på den menneskelige krop, ville jeg aldrig have reproduceret. Han vendte sin krop til et laboratorium: han indåndede klor, methan, kuldioxid og kulilte gasser, ren ilt og nitrogen, sennep gas, hver gang mærke til hvilken virkning et bestemt stof har på kroppen. Nogle gange handlede det om mængder, der er farlige, ikke kun for helbredet, men også for en forskers liv; Heldigvis lykkedes det ham ikke at gentage Karl Scheele skæbne, der smagte hydrocyansyre.

En af Haldanes anbefalinger om sikker arbejdskraft i miner var forslaget om at bruge kanarier som sensorer til minegasserne – en lille fugl har brug for mindre gas at dræbe. Hun forgifter hurtigere end den gennemsnitlige minearbejder, der, da fuglen er stoppet med at synge, vil have tid til at evakuere fra ansigtet, før indholdet af gasser under jorden bliver farligt for ham.Nu er fuglene i minerene ikke længere forgifte, men sensorer til kulilte i mineerne kaldes stadig "kanarier". Og vi kan overveje kanarier som de første bioindikatorer – organismer hvis adfærd tillod en person at vurdere den økologiske situation.

Ud over kanarier blev sådanne katte for kulilte uændret blevet katte, som indåndet carbonmonoxid begyndte at opføre sig utilstrækkeligt. Spidsen "Hvad har du for travlt med som gal?" en gang lød det lidt anderledes: "Hvad har du det som om en gal kat?" I 1950'erne forsøgte kattene i den japanske by Minamata igen at advare ejerne om den forestående fare. Beboere i byen begyndte at bemærke, at de lokale katte opfører sig mærkeligt – de kunne ikke bevæge sig fra punktet En til det punkt B i en lige linje og flyttet med nogle uforudsigelige hopper. Så begyndte nogle mennesker at bevæge sig på samme måde. Årsagen til "feber af dansekatte" var tilstedeværelsen af ​​methylkviksølv i spildevandet fra en lokal kemisk fabrik. Organkviksølv akkumuleret i fisk og bløddyr, som mennesker og katte spiste, og igen havde dyr på grund af den mindre masse tidligere oplevet symptomer på kviksølvforgiftning.Akut kviksølvforgiftning, efter disse tilfælde, kaldet "Minamata-sygdom", ramte adskillige tusinde mennesker, men hvis læger og kemikere ikke sammenknyttede katte og menneskers unormale opførsel, kunne konsekvenserne have været meget værre.

Der er blevet besøgt snesevis af dyrearter, planter og svampe af miljøsensorer. Faktisk er enhver biologisk art egnet til denne rolle. Kemister, økologer og biologer modtager lignende oplysninger fra isbjørne, skaldede ørne og delfiner. Imidlertid er disse repræsentanter for faunaen ubelejligt at bruge til forskning, der er afsat til en omfattende undersøgelse af miljøet, og derfor er det svært at kalde dem "biosensorer".

De arter, som forskere har tendens til at overveje levende sensorer, skal have en temmelig simpel metabolisme; hvis de ikke findes i dyreliv, bør deres opdræt ikke være svært og dyrt; og vigtigst af alt skal de give et forudsigeligt og målbart respons på ændringer i miljøet. På land vokser lænd, der vokser på klipper og træer og besætningsdyr, såsom hjorte, disse krav.I ferskvand er disse små daphnier og laks i kyst- og havvand – muslinger og i det åbne hav – måger og havpattedyr.

Et godt eksempel på hvordan fugle reagerer på ændringer i miljøforhold er historien om DDT. Således faldt populationer af skaldede ørne og mange andre fugle i USA under den aktive anvendelse af DDT, men efter brugen af ​​dette stof blev forbudt i USA i 1972, begyndte antallet af fugle at vokse igen. Således tæller antallet af bestemte arter det muligt at spore kilderne til stoffer, der forurener miljøet, deres bevægelses- og fordelingsmetoder i biosfæren samt deres endelige skæbne. Alle disse oplysninger er kritisk nødvendige for at løse miljøproblemer, både moderne og muligvis fremtidige.

Levende sensorer giver også information om andre vedholdende forurenende stoffer – polychlorerede biphenyler, polycykliske aromatiske carbonhydrider, bromholdige flammehæmmere og organofluorforbindelser. Undersøgelsen af ​​biologiske arter viser også virkningen på tungmetals biosfære, primært bly, cadmium og kviksølv.Biologiske indikatorer giver os mulighed for at observere ikke kun miljøforurening, men også menneskelig indflydelse på kvælstof- og fosforcirkulationen i naturen samt ændringer i økologiske systemer i forbindelse med klimaændringer og indtrængen i økologiske systemer af fremmede arter.

Selvfølgelig erstatter levende sensorer ikke det traditionelle kemiske økologiske prøveudtagningssystem og deres laboratorieanalyse. Der er langsigtede kampagner til kemisk analyse og overvågning af indholdet af forurenende stoffer i luft-, vand-, jord- og isprøver. Sådanne undersøgelser giver os mulighed for at bestemme hvilke forurenende stoffer der er til stede i miljøet, i hvilken mængde og hvor de kommer fra, hvor langt de kunne bevæge sig fra forureningskilden, og hvor hurtigt deres koncentration i miljøet falder. Bioindicatorer tillader os også at estimere dynamikken i ændringer i koncentrationen af ​​miljøforurenende stoffer samt yderligere oplysninger om, hvordan forurenende stoffer påvirker økosystemerne. Nye teknologier udvider måder at bruge levende sensorer på. For eksempel sender miljøforkæmpere droner i dag for at tage prøver fra hval springvand for at se, om alt er godt med disse kæmpe pattedyr.

Et vigtigt element i moderne bioindikation er interaktionen med evolutionære og funktionelle økologiske genomforskning. I lang tid i biomedicinsk forskning anvendtes to arter, som blev samlet detaljerede oplysninger – frugtfly og nematoder Caenorhabditis elegans. Men den hurtige udvikling af genomics tillod evolutionære biologer, økologer og toksikologer at udvide forskningen til andre arter. For eksempel er det nu muligt at studere hvordan de symbiotiske bindinger af vira, bakterier og svampe med planter og dyr, herunder Homo sapiens, påvirker biodiversiteten, og hvordan menneskelig aktivitet på den anden side påvirker disse symbiotiske forhold. Forskning af denne art hjælper med at forstå, hvordan genomer reagerer på miljøforandringer. Faktum er, at selv for de mest velundersøgte genomer er det ikke kendt, hvilken funktion der udføres med ca. en tredjedel af generne, hvis udtryk ikke blev udført under laboratoriebetingelser. Eksperter mener, at det er på tide at bruge nye tilgange: find ud af, hvordan miljøforhold påvirker gener med en ukendt funktion.

Dernæst vil vi tale om nogle biologiske arter, der hjælper os med at studere miljøets tilstand.

dafnier

Daphnia (vandlopper, Daphnia) – en genus af planktoniske krebsdyr fra superordenen af ​​grenholdige boliger i damme og søer. Daphnia størrelser varierer fra 0,2 til 6 mm. Deres mængde i en prøve af vand, størrelse og farve er velkendte markører for vandkvalitet. Naturalister har studeret Daphnia siden begyndelsen af ​​det syttende århundrede. Det er længe blevet konstateret, at disse små krebsdyr er et vigtigt led i fødekæden mellem algerne og de bakterier, som daphnia fodrer på, og de fisk, der fodrer på dafnier. Siden 1900'erne, hvor lægemidler, pesticider og raffinerede produkter begyndte at blive udbredt, er daphnider blevet et vigtigt redskab til toksikologiske screeninger. For eksempel dannede undersøgelsen af ​​maksimalt tilladte koncentrationer af skadelige stoffer til vandlopper grundlaget for love, der regulerer det sikre indhold af disse stoffer og deres transformationsprodukter i ferskvand.

En af de mest interessante egenskaber ved Daphnia er, at de kan lægge to typer æg, og æg af samme type kan vare i århundreder i dvaletilstanden i de nederste sedimenter af vandlegemer. Forskere har lært at udvinde disse hvilende æg og bruge dafnier udklækket fra dem for at finde ud af, hvordan syntetiske organismer og genomer påvirker deres organismer, som ikke eksisterede, da ægget blev lagt.Disse undersøgelser viser, hvordan forskellige generationer af Daphnia tilpasser sig naturlige og menneskeskabte ændringer i nitrogen- og fosforcyklussen, udseendet af syntetiske stoffer i økologiske systemer og klimaændringer. Og resultaterne giver mulighed for at ekstrapolere faren for de anvendte stoffer og planlagt til brug for andre plante- og dyrearter, herunder mennesker. For eksempel viste det sig, at daphnier fra æg i præ-industrielle æra (1301-1646) var 2,7 mere følsomme over for dette stof, da der blev undersøgt reaktionen af ​​dafnier fra Lake Minnesota til pesticidchlorpyrifos, der optrådte på markedet i 1965, end æg lagt umiddelbart efter starten af ​​dens store brug (1967-1977). Dette tyder på, at vandlopper har formået at udvikle en tolerance for det. Daphnia, som fremkom ret for nylig (2007-2011), da indholdet af chlorpyrifos i søen faldt under bestemmelsesgrænsen, mister igen sin modstand mod dette pesticid (Økotoksikologi, 2015, 24, 488-496).

måger

Havfugle har længe tjent som levende sensorer. For eksempel, sildmåse Larus argentatus Siden 1970'erne har de hjulpet miljøforkæmpere og toksikologer spore oplysninger om forurenende stoffer i de nordamerikanske store søer.Forskerne fanger ikke fuglene selv, de er interesserede i æg af sildmåse – såvel som æggene i den tykke billed kair Uria lomvia, mallemukker Fulmarus glacialis, riderne Rissa tridactyla, borgmestre Larus hyperboreus og fælles guillemots Cepphus grylle. Alle disse fugle er som regel nest i de arktiske og subarktiske regioner. Normalt vælges fugle for levende sensors rolle, som ligger i kolonier, der er isolerede og tilgængelige for mennesker, så det er nemt at tage "prøver" og sammenligne resultaterne for repræsentanter for samme art, som lever i forskellige dele af kloden.

Et af hovedresultaterne ved overvågning af koncentrationerne af de mest almindelige miljøforurenende stoffer, såsom DDT, polychlorerede biphenyler og dioxiner, var en række forbud mod 1970-80'erne om brugen af ​​nogle af dem og en alvorlig begrænsning af standarderne for brug af andre. Undersøgelsen af ​​"kemi" hos fugleæg viste, at fugle fra 1975 til 2003 var udsat for betydelige mængder bromholdige flammehæmmere, og fra 2003, efter at andre brandhæmmere optrådte, blev indholdet af organobromid reduceret kraftigt. Indholdet af langkædede fluoralkylderivater i fuglens krop og deres æg steg fra 1975 til 2009, og efter den fælles aftale mellem kemiske virksomheder om at begrænse deres anvendelse begyndte at falde.Hvad angår indholdet af kviksølv i æg af havfugle, steg det fra 1975 til 1993, hvorefter det nåede op på et plateau og ophørte med at ændre sig.

muslinger

I slutningen af ​​1960'erne blev det konstateret, at chlorholdige pesticider, kviksølvholdige forbindelser og raffinerede produkter blev en alvorlig trussel mod indbyggerne i kyst- og havvand. For at vurdere tilstanden af ​​disse farvande forsøgte de at anvende forskellige arter, herunder hummer, krabber og fisk; Imidlertid spurgte de forskellige adfærd og ration af uforlignelige arter reproducerbarheden af ​​resultaterne og validiteten af ​​deres sammenligning. I 1975 foreslog Edward Goldberg, en specialist inden for marine geokemi, en simpel løsning: brug muslinger (programmet Muslingesklokke). Dette program var det første skridt i den biologiske overvågning af kystforurening.

Muslinger, en kosmopolitisk art, der kan vokse i frisk og saltvand, sammen med østers og andre spiselige bløddyr er ideelle til denne opgave. De findes overalt, de er nemme at montere. Derudover dyrkes muslinger og østers ofte specifikt til fødevareindustrien, hvilket yderligere letter overvågning af befolkningens status og udførelse af analyser.Muslinger foder på fytoplankton, og for at filtrere det, passere en stor mængde vand gennem sig selv. Som mange andre dyr har muslinger i udviklingsprocessen ikke erhvervet evne til at producere enzymer, der ødelægger forurenende stoffer som polychlorerede biphenyler og carbonhydrider, og derfor koncentrerer de disse stoffer i deres kroppe, hvilket gør analysen nemmere. Efter mere end fire årtier er lokalområdet for USA's program til bestemmelse af giftige stoffer ved anvendelse af muslinger blevet international, og takket være det overvåges ikke blot forekomsten af ​​fremmede stoffer i kystfarvande, men også omfanget af deres skade på mennesker.

lav

Lichens er symbiotiske sammenslutninger af svampe og mikroskopiske grønne alger eller cyanobakterier. Kendte lavarter i forskellige størrelser og farver. Nogle af dem minder om miniatureplanter, andre – pletter af maling på sten og træstammer. Lichens har ikke et rodsystem, de absorberer næringsstoffer direkte fra tåge, regn og hvad vinden bringer. Derfor har de ikke barrierer, som beskytter mod farlige stoffer, og når de øger forureningen, dør de først.Lichens er selvfølgelig en skam, men denne ejendom gør dem til gode levende sensorer.

Lichens begyndte at blive brugt i denne kvalitet siden 1860'erne, hvor botanikere i Paris fandt ud af, at laverne vokser i områder med ren luft, og hvor luften er snavset, begynder deres kolonier at blive værre. De indledende undersøgelser var hovedsageligt afsat til den direkte effekt på svovldioxidlag, der blev frigivet under forbrænding af kul. Efter et stykke tid viste det sig, at lav også gør det muligt at spore effekten af ​​sur regn – hvis en virksomheds emissioner indeholder svovldioxid eller kvælstofdioxid opløses de i regndråber og danner syrer. Desuden kan disse organismer fungere som indikatorer for nitrater og ammoniumioner, hvis vigtigste kilde er landbrug. Metaller fra zink til kviksølv ophobes også i lavene.

I 1980'erne lancerede den amerikanske føderale skovbrugsforvaltning et biomonitoring program, der registrerer data om mangfoldighed og forekomst af lavene i alle regioner i landet. De fastsætter tilstanden af ​​lavkolonier, prøver samles og analyseres i laboratorier,at bestemme omfanget af luftforurening i visse områder for at identificere deres årsager og om nødvendigt tilpasse standarderne for industrielle emissioner.

bier

Honeybee Apis mellifera kan betragtes som de mest undervurderede helte i naturen. Flyver om deres forretning, samler pollen og nektar, de pollinerer også planter. Det er svært at kalde bierne selv en type, der er egnet til brug som levende indikatorer. Bier dyrkes, biavlere tager sig af dem, ofte som de forskellige honningplanter vokser. Bierfamilier flytter fra sted til sted, hvorefter det er svært at vedhæfte data om forurenende stoffer et bestemt område. Disse insekter bidrager dog også til undersøgelsen af ​​miljøets tilstand – hermed analyseres honning.

Den massive anvendelse af insekticider i landbruget er en alvorlig trussel mod bier og andre pollinatorer. For eksempel er de vigtigste mistænkte i tilfælde af et pludseligt fald i antallet af bier insekticider neonicotinoider, som kan påvirke nervesystemet af disse insekter. De påvirker biernes læringsevne, deres evne til at genkende lugt og orientering i rummet.Alt dette forhindrer indsamling af mad, reducerer antallet og antallet af bi-kolonier, som i det lange løb kan reducere afgrødeudbyttet og forårsage en fødevarekrise. For nylig har forskere endda begyndt at bruge mikrosensorer, der vedhæfter bier til ryggen for at spore bevægelsen af ​​individuelle insekter fra biprodukter til honningplanter for at bestemme deres evne til at bestøve planter.

Resultaterne af årets undersøgelse af 200 honningprøver fra hele verden viste, at i 75% af prøverne er der mindst en af ​​de fem vigtigste neonicotinoider og i 45% to og flere. Koncentrationen af ​​pesticider i honning ligger langt under den grænse, som amerikanske og EU-regulerende myndigheder har fastsat som sikker for mennesker, men en tredjedel af prøverne havde tilstrækkelige neonicotinoider til at skade bierlarverne (Videnskab, 2017, 358, 6359, 109-111).

Så det kan siges, at miljøet selv kommer til støtte for en rimelig person, der ønsker at bevare dette miljø – planter, svampe, hvirvelløse dyr og hvirveldyr giver sig selv at fortælle, hvordan dyre teknologier koster folkets natur.Og hvis vi nøje overvåger vores "kanarier", så har vi måske tid til at undslippe.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: