Продовження серії статей Максима Куща, присвячених темі моніторингу довкілля, найбільш небезпечних забруднень та сучасних технологій слідкування за параметрами навколишнього середовища. Друга стаття присвячена життєвим циклам забруднюючих речовин.
Будь-яка хімічна речовина, чи то проста (складається з атомів одного виду), чи складна (складається з атомів різного виду), проявляє певні хімічні та фізичні властивості, які визначаються мірою її здатності чи взагалі неможливістю взаємодіяти з іншими речовинами, перетворюватися у інші речовини, змінювати агрегатний стан, проводити тепло та електричний струм і т.д. Ще з часів первісного суспільства людина досліджувала ці властивості та намагалася використовувати їх на свою користь. Завдяки цьому з’являлися і вдосконалювалися знаряддя праці, розвивалася лікувальна справа, пізнавалися все нові джерела енергії. Звичайно, що такі дослідження не завжди були безпечними для людини. Такі показники як токсичність речовини (здатність немеханічним шляхом порушувати гомеостаз) чи, наприклад, її здатність до хімічного або термічного ураження біологічних тканин довгий час визначалися практично, при випадковому чи умисному контакті з живим організмом. Як наслідок, використання небезпечних речовин або уникали взагалі, або встановлювали певні правила їх застосування (як, наприклад, отрути для полювання чи малих доз токсичних речовин для лікування).
Йшов час, і згодом становлення та розвиток таких наук як хімія та фізика фактично розпочали нову еру в історії людського суспільства, коли людина вже не просто користувалася корисними властивостями речовин природного походження, а й навчилася самостійно створювати нові хімічні речовини, залежно від необхідних їх властивостей. Так для людини настав час стрімкого технологічного прогресу, завдяки якому, можна сказати, сьогодні ми маємо усі блага для комфортного існування. Але, разом з тим, почали загострюватися і питання безпеки людської діяльності для екосистем нашої планети. Як наслідок антропогенного впливу, біосфера Землі почала наповнюватися безліччю нових штучно синтезованих речовин, а концентрації природних речовин – перерозподілятися у сторону локальних накопичень (внаслідок видобутку та використання їх людиною, як первинної сировини для синтезу нових речовин). Стрімкий експоненційний приріст людського населення нашої планети за останні століття неминуче посилював техногенний тиск антропогенної діяльності на біосферу Землі. Ситуація, коли людина могла просто уникати контакту з виявленими небезпечними речовинами, змінилася безперервним контактом людського організму зі шкідливими для здоров’я антропогенними забруднювачами біосфери. А шкідливими для людського організму (як і для інших живих організмів) вони були через певні особливості його пристосування до взаємодії з навколишнім середовищем…
Живий організм – це складна саморегульована (як прийнято вважати) система, кожен елемент якої знаходиться у чіткому балансі з іншими її елементами та виконує власні, визначені еволюційним процесом функції. Якщо розглядати живий організм як набір хімічних сполук, то його взаємодія з хімічними речовинами навколишнього середовища може мати всього два узагальнені наслідки: перший – підтримка (або відновлення) структурного та функціонального балансу систем життєдіяльності організму; другий – його порушення. Ці процеси можна досить чітко уявити, порівнявши живий організм з механічним годинниковим механізмом. Так, існують речовини, які підтримують роботу годинника. Це, наприклад, годинникове мастило, яким змащують шестерні, чи метали, які можна напилювати для відновлення зношених металевих деталей годинника. Також існують речовини, які порушують роботу годинника, як, наприклад, вода, в присутності якої можуть окиснюватися та руйнуватися металеві деталі. Але, що важливо, у певний момент корисні речовини, залежно від кількості та форми їх надходження, можуть викликати негативні наслідки. Наприклад, повністю залитий мастилом годинниковий механізм не працюватиме правильно (або припинить працювати взагалі), як і механізм з пошкодженим кварцовим циферблатом, у який для відновлення просто насипали кварцовий пісок.
Для підтримки власної життєдіяльності кожен живий організм по-своєму адаптований до взаємодії з навколишнім середовищем: через системи травлення, дихання, дифузійного обміну та ін. Але, нажаль, у природі живі організми не можуть отримувати виключно корисні і лише у необхідних кількостях та формі хімічні речовини. У зв’язку з цим існує логічна необхідність наявності у них певних захисних механізмів, щоб виживати в таких природних умовах.
Ці механізми для різних форм живого є різними: від простого фізичного недопущення «зайвих» речовин у організм, до складних процесів перетворення тих, що вже потрапили всередину, у форми, які потім легко виводяться видільними системами. Наприклад, людський організм формує свої системи життєдіяльності та підтримує їх функціонування за рахунок корисних речовин, які надходять з їжею, і за рахунок повітря, що залучається у процесах дихання. Тому у ситуації значного антропогенного забруднення біосфери Землі саме системи травлення та дихання є основними шляхами випадкового (точніше – неминучого, на сьогоднішній день) потрапляння токсикантів до людського організму. Також вразливість саме цих систем пояснюється значною площею їх взаємодії з навколишнім середовищем. Загальна площа поверхні стравоходу, яка може бути доступною для проникнення токсиканту, у дорослої людини досягає 100-120 м2. Аналогічне значення для альвеол легень – 55-80 м2 (для порівняння: поверхня шкірного покриву людини досягає лише 1,5-2 м2). Звісно, що при рівних концентраціях токсичної речовини більшу її абсолютну кількість за однаковий час отримає більша за площею всисна поверхня, але у загальному випадку імовірність агресивнішого токсичного процесу для людського організму вище саме при потраплянні токсикантів інгаляційно (у процесі дихання). Пов’язано це, по-перше, з формою токсичних речовин: гази та мілкодисперсні аерозолі, що вдихаються, швидше долають механічні бар’єри організму перед потраплянням у кров та лімфу, ніж рідини та тверді частки у травному каналі. По-друге, шкідливі речовини у шлунково-кишковому тракті після проходження крізь слизисті оболонки потрапляють у кров, з якою через систему ворітної вени прямують до печінки. У печінці ці речовини, як правило, окиснюються до менш токсичних і далі зв’язуються спеціалізованими ферментами та виводяться із організму через органи видільної системи. Ті ж токсиканти, що потрапили в кров інгаляційно, вільно (переважно у незмінному стані) розповсюджуються великим колом кровообігу до внутрішніх органів або, долаючи гематоенцифалічний бар’єр, до судин мозку (залежно від виду токсиканту), сповна проявляючи свою токсичну дію.
Тож, на сьогоднішній день, в умовах значного антропогенного забруднення біосфери Землі живі організми змушені знаходитись у постійному контакті з різного роду токсикантами. При чому тяжкість токсичного процесу залежить як від виду та дози токсину, так і від способу його надходження у організм. В свою чергу, ці параметри безпосередньо пов’язані зі шляхами міграції забруднювачів у біосфері. І за незліченною різноманітністю цих шляхів, їх глобальністю та непередбачуваністю безумовним лідером являються забруднювачі атмосферного повітря.
В один момент здається, що дія їх на живі організми незначна, бо вони активно перемішуються з атмосферними масами, знижуючи свою концентрацію у повітрі до мізерних значень. В інший момент, наприклад, у стані атмосферної інверсії (осіданні непорушних холодних мас біля земної поверхні) концентрації забруднювачів у приземних шарах повітря можуть досягати летальних для більшості живих організмів значень. Деякі із таких речовин можуть знаходитись досить довго у атмосфері (CO2, фреони, радіоактивні ізотопи газів), проявляючи опосередкований вплив на людину та екосистеми в цілому (глобальне потепління, порушення озонового шару та ін.). Деякі із забруднювачів після потрапляння у повітря досить швидко осідають на земну або водну поверхню під дією сили тяжіння, чи вимиваючись опадами, і далі вже активно накопичуються живими елементами екосистеми та «подорожують» їх харчовими ланцюжками.
У будь-якому випадку, для кожного із забруднювачів атмосфери Землі існує його власний «життєвий цикл»: його власний міграційний шлях, його тривалість існування та імовірність, з якою він проявить згубну дію на екосистеми нашої планети. Тому далі, у продовженні теми «забруднення атмосферного повітря», більш детально розглянемо типові антропогенні забруднювачі земної атмосфери для реальної кількісної оцінки їх згубного впливу як на здоров’я людини, так і на цілісність екосистем взагалі.
Автор: Максим Кущ