Экологиялық химия

 РЕФЕРАТ

 ЭКОЛОГИЯЛЫҚ   ХИМИЯ 

Экологиялық химия дегеніміз не?    Бұл  сұраққа жауап беру үшін бұл ғылымның «экология»  және   «химия»  ғылымдарының түйісуінен пайда болғанын ескере отырып, олардың анықтамасын  қайта қарауымыз керек.

Студенттерге  тапсырма:

«Химия»  және «экология» ғылымдарына анықтама беру.

Өте қысқаша түрде қарастыратын болсақ, экология ғылымы организмдердің қоршаған ортамен қарым-қатынасын зерттейді. «Организм» дегеніміз әртүрлі тірі объектілердің (түрлер,популяциялар,қоғамдастықтар) топтары. Ал «қоршаған орта» дегеніміз  қарастырылатын жүйелердің абиотикалық  және биотикалық компоненттері. Қарым-қатынастың экологиялық сипаттамаға ие үш тобын  қарастыруға болады. Түрлер ішіндегі және түрлер арасындағы қарым-қатынастар (1-ші және 2-ші тип). Бұл қарым-қатынастар эволюция процесінде қалыптасты, олар табиғатқа тәуелді және түрді  сақтауға бағытталған. Ал  3-ші тип  адамның іс-әрекетіне,өндіріске  тәуелді. Адамның іс-әрекетінің нәтижесінде  көптеген экологиялық проблемалар  пайда болған, демек 3-ші тип адамға, адамның ақыл-ойына тәуелді, ол қоғамды, биосфераны сақтауға бағытталуы тиіс және бақылауға алынуы қажет. Мұндай бақылау және биосфераны, қоғамды  қорғау тек қана дүние туралы, қоршаған орта туралы білім кешенді түрде  қалытасса ғана іске асырылады, сондықтан  «экология ғылымы» өте күрделі  ғылым болып табылады.

Атап өткен қарым-қатынастардың үш түрін келесі аспектілерде қарастыруға болады: молекулалық (химиялық), биология-географиялық және әлеуметтік. Қарым зат бөліп шығарады, сүт қоректілер өз территориясында белгілер қалдырады, жануарларда «апелленттер», «антигендер», «антимутагендер» және т.б химиялық агенттер, ал  өсімдіктерде фитонцидтер, алкалоидтар, эфир майларының бөлінуі байқалады. Адамзат қоғамы мен биосфера арасындағы қарым-қатынаста пайда болатын экологиялық проблемаларда химиялық көзқарас өте маңызды болып табылады.  Ара қатынастың бұл типі адамзаттың іс-әрекеті геологиялық сипатқа ие болған кезде қалыптасты. Сонымен, «экологиялық химия» дегеніміз – экологиялық құбылыстар мен экологиялық проблемалардың химиялық негіздерін зерттейтін ғылым саласы болып табылады. Экологияның негізгі міндеті: әрқашан өзерісте болатын дүниеде организм өзінің тіршілігі үшін қалай жағдай жасайтынын білу. Мысалы, адам өз тіршілігі үшін өзіне қолайлы жағдайлар туғызуы қажет, ол үшін табиғи ресурстар пайдаланылады, демек, табиғи ресурстар қоры азаяды да, қоршаған орта ластанады. Биосфера – бұл активті тіршілік аймағы, биосфераға атмосфераның төменгі бөлігі,гидросфера және литосфераның жоғарғы қабаты қарайды. Биосфера терминін 1875 жылы Зюсс енгізген, ал ілімді қалыптастырып, дамытқан В.И.Вернадский. Адамзат биосферада өмір сүреді және  сондағы өнімдерді пайдаланады. Адамзат биосфераға тәуелді, ол биосфераның күйіне тәуелді, бірақ биосфераға өз әсерін тигізеді, оны өзгертеді, демек осы әсердің нәтижесінде экологиялық шиеленесулер болады. Адамзаттың әсерінің (антропогендік пресс) нәтижесінде көптеген экологиялық проблемалар пайда болады, ал олардың негізінде химиялық процестер жатады.Кез келген экологиялық проблеманы шешу үшін оның негізін қалайтын химиялық процесті зерттеу қажет, демек экологиялық білімді химияландыру қажет. Сонымен қатар көптеген экологиялық мәселелерді шешу химия ғылымының жетістіктерімен тығыз байланысты. Проблеманың шығу тегін анықтағаннан кейін, оны шешудің жолын іздеу қажет.Экологиялық проблеманы тудыратын химия емес, экологиялық білімі жоқ адамның химия ғылымының жетістіктерін дұрыс емес пайдалануы. Кез келген экологиялық проблемаға химиялық позициядан карау қажет. Мысалы, омыртқалы жануарлардың түрлерінің саны 45000 болса, осы жануарлардың әрбір жылда 3-5 түрі жоқ болып кетеді. Бұл химиялық ғылымнан алыс  мәселе сияқты. Бірақ түрлердің жоқ болып кетуі тек эстетикалық кедейлену емес, бәрінен бұрын бұл генетикалық ресурстардың жоғалуы, бұл нуклеин қышқылдарының, белоктардың жоғалуы, ал олар генетикалық информацияны тасымалдаушы болып табылады.

Тірі организмдерге -қатынастардың үш түрінде де химиялық заттар дәнекерлік роль атқарады: мысалы, жәндіктер «феромондар» деген қоршаған ортаға бейімделуге

көмектесетін  заттар экожүйедегі орта арасындағы байланыстарды іске асырады. Бұл заттар – дәнекерлер, немесе химиялық ылғалдылық экорегулятор, немесе хемо

Табиғатта химиялық заттар көптеген қызметтер  атқарады, дәл айтқанда, организмдермен медиатор деп аталады.

Абиотикалық факторлардың әсерінен (жарық, радиация,температура, ,тұздылық, рН т.б.) организмдер келесі заттарды өндіреді: эндометаболиттер – организмдердің ішінде қала тұрып, сыртқы әсерді жұмсартады ( мысалы, қыстайтын жануарларда - криопротекторлар және антифриздер);

Экзометаболиттер  – сыртқы ортаға бөлініп шығады және сыртқы ортаның қасиеттерін  қалыптастырады ( мысалы, сутек пероксидін кейбір гидробионттар бөліп шығарады, ал ол тотығу-тотықсыздану реакциясына  қатысады. Ал кейбір жағдайда аталған  заттар екі роль атқаруы да мүмкін.

Хемомедиаторлардың экожүйеде  атқаратын  қызметін келесі функциялар ретінде қарастыруға болады:

1 Қорғаныс  ролі (жыртқыштан сақтану, паразиттен  сақтану, оны үркіту, немесе қоректік  белсенділігін басу)

 

 

 

2Шабуылдау  функциясы (организмге белесенді  түрде әсер ету)

3 Бәсекелестерді тежеу

4Аттрактивті  (басқа организмдерді  өзіне  қарату)

5 Белгілі  бір әлеуметтік топтың ішіндегі  қарым-қатынастарды реттеу

6 Қамтамасыз  ету (организмдерді қажет заттармен  қамтамасыз ету)

7 Тіршілік  ортасын қалыптастыру (фон қалыптастыру)

8 Индикациялық (территорияларға белгі қалтыру,  тірі организмдерге бағыт беру

9 Хабар беру ( қауіп төнгенді білдіру)

10 Адаптациялық (абиотикалық факторлардың әсеріне  бейімделу)

Атап өткен функцияларға мысалдар:

Қорғаныс  функциясын көптеген улы және реппелентті (үркітетін) заттар атқарады  (мысалы,алкалоидтар: кодеин, хинин,кофеин, стрихнин – бұлар  гетероциклді азотты қосылыстар. Жануарларда  (омыртқалыларда да, омыртқасыздарда  да қорғаныс функциясын ерекше экскреттер және токсиндер атқарады. Көптеген қосылыстарды төменгі сатылы (мысалы плесень) , жоғарғы сатылы саңырауқұлақтар, балдырлар бөліп шығарады.  Үркіту функциясын іске асыру үшін теңіз  жануарлары биолюминесценция құбылысын  қолданады (люмен – жарық), тірі организмдердің әлсіз түрде жарқырауы. Бұл жарқырау люциферин деген ерекше заттың тотығу реакциясының нәтижесінде  болады, тотығу реакциясы люцифераза деген  белок-ферменттің қатысуымен жүреді, сол  кезде көрінетін жарықтың фотоны бөлінеді. Өте қараңғы теңіз түбінде  креветка-акантефира өзіне қауіп  төнгенде жарқырап тұрған бұлт шығарады, сөйтіп жыртқыштан қорғанады.

2 Паразиттік  саңырауқұлақтар және патогенді  бактериялар химиялық заттардың  көмегімен шабуыл жасайды. Мысалы, ферменттер – хитиназа, лигниназа,  пектиназа. Бұл заттар өсімдіктердің  клеткалық қабырғаларын бұзады. Жыртқыш аралар нейротоксиндердің  көмегімен ұстап алған жәндікті  қозғалтпай  тастайды; жыландар пептидтік  нейротоксиндер арқылы ұсталған  жәндікті, немесе жануарды өлтіреді, ал қарақұрттың токсиндері жәндіктерге,  рак тәріздестерге, сүт қоректілерге  таңдамалы түрде әсер етеді.  Тереңдегі балықтардың кейбір  органдары жарық шығару арқылы  ұстайтын жануарды өзіне қарай  тартады, немесе оған жарық  түсіреді.

3 Кейбір  жоғарғы сатылы өсімдіктер  өздері  бөліп шығаратын хемомедиаторлар  көмегімен  өзіне бәсекелес  өсімдіктерді  өсірмей тастайды, немесе оларды жойып жібереді (аллелопатия). Аллелопатиялық белсенді  заттарға химиялық қосылыстардың  келесі өкілдері жатады: органикалық  қышқылдар,хинондар,фенолдар, терпеноидтар, пуриндер,флавоноидтар, кумариндер  және т. б.  Мысалы, токсин  юглонның (5-окси-a-нафтохинон) көмегімен лугланс  нигра (Luglans nigra)  деген қара  жаңғақ әртүрлі өсімдіктерді  өсірмей тастайды. Ит, мысық тұқымдастар,аю,тышқандар,  кейбір тұяқтылар ерекше экскреттер – иістіі заттар бөлу арқылы өз территорясына белгілер тастайды. Мысалы сары түлкі путресцин және кадаверин деген заттар бөліп шығарады. Омыртқасыздар да таңба феромонын бөліп шығарады.

4 Аттрактивтік  хемосигналдар тәбет,қозғалыс және  көбеюді активтендіреді. Мысалы, жібек  шығаратын көбелектің ұрғашысы  бомбикол феромонын шығарады. Кейбір  тропикалық өнімдердің иісі жарқанаттарды  өзіне қарай тартады, ал жарқанаттар  олардың ұрық шашуына ықпалын  тигізеді. Гүлдердіәң иісі көбелек,  аралардың «шақыру билеті» болып  табылады. Кейбір жануарлар кайромондар  деген затты бөліп шығарып,  өздері қолға түседі.

5 Көп  заттар жәндіктердің әртүрлі  іс-әрекетін, функциясын реттестіреді. Мысалы, аралардың жатырынан «царское  вещество» («патшалық зат»)  9-оксо-2транс-децен  қышқылы бөлінеді, ол аралардың  жыныстық қатынастарын реттестіреді.

6 Данаид  көбелегінде пирролизиндік алколоидтар  болады,олар пирролдар өндіреді, пирролдар жыртқыштарды үркітеді.

Қарағайлардың құрамындағы а-пинендер қабықпен коректенетін қоңыздарға өтеді. Олардың организмінде а-п диен феромондар: цис- және транс-вербенолдар түзіледі. Бір организм нендер– донор, бір организм реципиент болып, бірге коэволюция өткен, демек олар ауыстырылмайтын байланыстарда бола тұра, табиғатта экологиялық кластер түзеді.

7 Судағы  тірі организмдер (гидробионттар)  ортаға көптеген экзометаболиттер  бөліп шығарады. Олар көп жағдайда  осы сулы ортаның ерекше қасиеттерін  қалыптастырады. Экзометаболиттерді  балықтар, амфибиялар, балдырлар және  қарапайым организмдер бөліп  шығарады. Көк-жасыл балдырлар және  микробалдырлар бөліп шығаратын  токсиндерден сулы орта жарамсыз  күйге жетеді, мұнда балықтардың  көбі, моллюскілер тіршілік ете  алмайды. Кейбір гидробионттар  бөліп шығаратын антиоксиданттар  тотығу реакцияларын тежейді,  немесе сутек пероксидін бөліп  шығарады, ал сутек пероксиді  су тоғандарындағы тотығу-тотықсыздану  реакцияларына қатысады.

8 Бәсекелестердің   белсенділігін баяулататын заттарды  индикациялық топқа жатқызуға  болады, олар территорияларды белгілейді (маркерлер). Бұл топқа тірі организмдерді  кеңістікте бағыттауға көмектесетін барлық хемомедиаторлар эжатады. Мысалы, балықтар және теңіз тасбақалары қоректенетін орын іздейді, жұмыртқа салатын орын іздейді, сол кезде оларды бағыттау қажет. Бұл бағытталу хемосенсорлық бағытталуға негізделген. Теңіздегі рак тәріздестер тас бетінде бекітіліп отырады, олар хемомедиаторлар арқылы жүзіп жүрген личинкаларына белгі береді. Бірақ бұл белгі личинканың тек бір түріне ғана қажет, ал басқа түрлерін үркітеді. Кейбір құмырсқалар және термиттер  «із феромонын», немесе капрон қышқылымен өзінің қорегін, жолын белгілейді, ал Солтүстік Америкада антилопа –вилорог изовалериан қышқылымен өз орнын белгілейді.

9 Қоғамдық  жәндіктер көптеген қорқыныш  феромонын шығарады. Мысалы, қандала,  құмырсқа 2-гексеналь өндіріп шығарады. Құмырсқа қышқылы кәдімгі құмырсқа  үшін әрі қорқыныш, әрі қорғаныс  ролін атқарады. Актиния жараланса,  немесе үркітілсе, суға антоплеурин  (3-карбокси-2,3 диокси-N, N, N-триметил)-1-пропанаммонийхлорид)  шығарады, сонда ол көршілеріне  хабар береді және щупальцалары  жабылады.

10 Организм  ішіндегі ортадағы заттарды бөлек  бір топта қарастыруға болады. Бұл – эндометаболиттер, олар  организмнің сыртқы ортадағы  абиотикалық факторлардың әсеріне  бейімделуін қамтамасыз етеді.  Мысалы, көп организмдер ыстық  суда, тұзды ортада тіршілік ете  алады. Қыстайтын жануарлардың, полюстегі  теңіз балықтарының организмінде  ерекше белок-антифриздер –гликопептидтер  болады, олар клетка ішіндегі  судың қатып қалмауын қамтамасыз  етеді, тіпті жануарлардың денесі  «минус» 15 градусқа дейін суығанда  да, мұздың болмауын қамтамасыз  етеді.

Қосымша антифриздер ретінде қыстайтын  жанаурларда көп атомды спирттер (мысалы,полиэтиленгликольдер) қызмет атқарады.  Организмінде  40%-ке  дейін глицерин болатын  Epiblema scudderiana  деген көбелектің гусеницасы «минус» 38 градусқа дейінгі  аязға шыдамды  болып келеді. Тригалоза дисахариді және пролин аминоқышқылы атты криопротекторлар қатты суытқан кезде клеткалардың бірден қысқаруына (коллапс) кедергі  жасайды. Бақаларда криопротекторлардың  ролін глюкоза атқарады, ал бұл  глюкоза бауыр гликогенінен дәл  қыстау басталатын кезде түзіледі.

Көптеген хемомедиаторлар полифункционалды болып табылады және табиғатта әртүрлі  роль атқара алады, сондықтан оларды белгілі бір топқа қарата алмаймыз. Жануарлар мен өсімдіктердің организмі үшін хемомедиаторлардың маңызы 1-ші кестеде көсетілген.

 

 

Табиғаттағы  күрделі хемокоммуникациялар        

және  бейімделудің пайда болуы.

Көптеген  симбиотикалық қарым-қатынастардың  негізінде химиялық байланыстар жатыр.

1 Rhizobium тектес клубенькалық бактериямен  бұршақтастардың арасындағы симбиоз  азоттан аммиак алу процесінде  катализатор ролін атқаратын  нитрогеназалық ферменттік жүйенің  болуына негізделген:

                                                        N₂ + 6H⁺   + 6e = 2NH₃

Антарктикалық «бокоплав»  деген организм өзінің арқасында әрқашан P t e r o d a   отрядының өте майда моллюскісін алып жүреді, себебі бұл моллюскі өте күшті уытты зат бөліп шығарады, демек атап өткен «бокоплав» , өзі улы зат өндіріп шығара алмайтын болғандықтан, жаңағы моллюскінің көмегімен жыртқыштардан сақтанады. Бұл кезде моллюск аш қалады, ал «бокоплавтың» қозғалысы баяулайды, бірақ ол жыртқыштардан аман қалады.

Табиғатта «мимикрия» деген құбылыс  кең тараған.  Бұл құбылыс «ұқсау»  деген ұғымды білдіреді. Бұл құбылыстың да негізінде химиялық процестер  жатыр.  Данаид көбелегіне кейбір уытты  емес көбелектер ұқсап келеді: бейтс  мимикриясы.

Кейбір кезде эволюция процесінде әртүрлі бір-біріне туыс емес организмдерде  бірдей хемомедиаторлар болады. Мысалы, ацетилхолин мен гистаминнің  қоспасы  крапива тектес өсімдік  үшін, жәндіктер класынан шершеньдер үшін және осьминогтар үшін қорғанатын да,         шабуылдайтын да «химиялық қару» ролін атқарады.

Өсімдіктер мен жануарлар арасындағы хемокоммуникация өте күрделі болып  келеді. Мысалы, Оңтүстік Африкадағы антилопа –куду қорек ретінде акация жапырағын  қолданады. Ал акация «таннин» деген  зат өндіреді, бұл зат акация үшін қорғаныс ролін атқарады. Антилопалардың саны көбейіп, олар акацияны көптеген мөлшерде жей бастағанда, акациялар, құрып кетпеу үшін таннинді көп мөлшерде өндіре бастайды, сол кезде акация жапырағы улы болып, оны антилопалар жемей қояды. Дегенмен антилопалар танниннің концентрациясы төмендеу болып келетін жапырақтарды тауып алып жейді. Ал аштық қатты қысқан кезде улы жапырақтарды да жеп қойып, өздері өлімге ұшырайды, себебі танниннің көп мөлшері бауырдағы ферменттерге зиянды әсерін тигізеді,сөйтіп антилопалардың саны азаяды. Акация жапырақтары желінген кезде этилен бөлінеді, ол этилен көрші акациядағы жапырақтар үшін сигнал болып табылады да, көрші акациялар таннинді өндіруді күшейтеді. Міне осылай таннин және этилен акация мен антилопа популяцияларында өте маңызды реттестіру ролін атқарады.