Canary, Cat dan Daphnia

Canary, Cat dan Daphnia

Arkady Kuramshin,
Calon Sains Kimia
"Kimia dan Kehidupan" №1, 2018

Ketiga-tiga yang dinamakan dalam tajuk, seperti juga camar, kerang, lichen, lebah … Apa yang boleh jadi makhluk yang berbeza itu? Mereka semua adalah petunjuk hidup yang memberi amaran kepada seseorang tentang bahaya.

Bila tidak mungkin untuk hidup

Eksperimen fisiologi Scotland John Scott Haldane (1860-1936) mengenai kajian kesan toksik pelbagai gas pada tubuh manusia yang saya tidak akan pernah diterbitkan semula. Dia menghidupkan tubuhnya ke makmal: dia menghirup gas klorin, metana, karbon dioksida dan gas karbon monoksida, oksigen tulen dan nitrogen, gas sawi, setiap kali mengetahui kesan bahan tertentu pada badan. Kadang-kadang ia adalah tentang kuantiti yang berbahaya bukan sahaja untuk kesihatan, tetapi juga untuk kehidupan seorang penyelidik; Walau bagaimanapun, mujurlah, dia tidak dapat mengulangi nasib Karl Scheele, yang merasakan asid hydrocyanic.

Salah satu cadangan Haldane untuk buruh yang selamat di ranjau adalah cadangan untuk menggunakan burung kenari sebagai sensor untuk gas lombong – seekor burung kecil memerlukan kurang gas untuk dibunuh. Dia keracunan lebih cepat daripada rata-rata pelombong, yang, melihat bahawa burung telah berhenti menyanyi, akan mempunyai masa untuk berpindah dari muka sebelum kandungan gas di bawah tanah akan menjadi berbahaya baginya.Sekarang burung di lombong tidak lagi diracuni, tetapi sensor untuk karbon monoksida di lombong masih dipanggil "burung kenari." Dan kita boleh mempertimbangkan burung kenari sebagai bioindicator pertama – organisma yang tingkah lakunya membolehkan seseorang menilai keadaan ekologi.

Sebagai tambahan kepada burung kenari, kucing seperti karbon monoksida tidak sengaja menjadi kucing domestik, yang, karbon monoksida yang dihirup, mula berkelakuan tidak mencukupi. Petunjuk "Apa yang kamu tergesa-gesa seperti gila?" apabila ia terdengar sedikit berbeza: "Apa yang kamu tergesa-gesa seperti kucing gila?" Pada tahun 1950-an, kucing bandar Jepun Minamata sekali lagi cuba memberi amaran kepada pemilik tentang bahaya yang akan datang. Penduduk bandar mula melihat bahawa kucing tempatan berkelakuan aneh – mereka tidak dapat bergerak dari titik A ke titik itu B dalam garis lurus, dan bergerak dengan beberapa melompat yang tidak dapat diramalkan. Kemudian sesetengah orang mula bergerak dengan cara yang sama. Sebab "demam kucing menari" adalah kehadiran methylmercury dalam air sisa loji kimia tempatan. Raksa organik yang terkumpul dalam ikan dan moluska yang dimakan manusia dan kucing, dan, sekali lagi, kerana jisim yang lebih kecil, haiwan sebelum ini mengalami gejala keracunan merkuri.Keracunan merkuri akut, selepas kes-kes ini, yang dipanggil "penyakit Minamata," melanda beberapa ribu orang, tetapi jika doktor dan ahli kimia tidak menyatukan tingkah laku yang tidak normal dengan kucing dan manusia, akibatnya mungkin lebih teruk.

Berpuluh-puluh spesies haiwan, tumbuhan, dan kulat telah melawat sensor keadaan alam sekitar. Malah, mana-mana spesies biologi sesuai untuk peranan ini. Ahli kimia, pakar ekologi dan ahli biologi menerima maklumat yang sama dari beruang kutub, helang botak dan lumba-lumba. Bagaimanapun, wakil-wakil fauna ini tidak mudah digunakan untuk penyelidikan yang dikhaskan untuk kajian komprehensif tentang alam sekitar, dan oleh itu sukar untuk memanggil mereka sebagai "biosensor".

Spesies yang penyelidik cenderung untuk mempertimbangkan sensor hidup harus mempunyai metabolisme yang agak sederhana; jika mereka tidak dijumpai dalam hidupan liar, pembiakan mereka tidak sepatutnya sukar dan mahal; dan yang paling penting, mereka harus memberikan tindak balas yang boleh diramal dan boleh diukur terhadap perubahan dalam persekitaran. Di darat, tumbuh-tumbuhan tumbuh-tumbuhan dan pokok-pokok dan haiwan ternakan, seperti rusa, memenuhi keperluan ini.Di dalam air tawar, ini adalah daphnias kecil dan salmon, di laut laut dan perairan laut – kerang, dan di laut terbuka – camar dan mamalia laut.

Satu contoh yang baik tentang bagaimana reaksi burung terhadap perubahan dalam keadaan persekitaran adalah kisah DDT. Oleh itu, populasi burung gagak botak dan banyak burung lain di Amerika Syarikat merosot semasa penggunaan aktif DDT, tetapi selepas penggunaan bahan ini diharamkan di Amerika Syarikat pada tahun 1972, jumlah burung mula berkembang lagi. Oleh itu, mengira bilangan spesies tertentu memungkinkan untuk mengesan sumber-sumber bahan pencemaran alam sekitar, cara pergerakan dan pengedaran mereka di biosfera, serta nasib mereka yang paling akhir. Semua maklumat ini amat penting untuk menyelesaikan masalah alam sekitar, baik zaman moden dan mungkin masa depan.

Sensor hidup juga memberikan maklumat mengenai bahan pencemar yang berterusan – bifenil poliklorinasi, hidrokarbon aromatik polisiklik, retardan api yang mengandungi bromin dan sebatian organofluorin. Kajian spesies biologi juga menunjukkan kesan pada biosfera logam berat, terutamanya plumbum, kadmium dan merkuri.Penunjuk biologi memberikan kita peluang untuk memerhatikan bukan sahaja pencemaran alam sekitar, tetapi juga pengaruh manusia terhadap peredaran nitrogen dan fosforus, serta perubahan dalam sistem ekologi yang berkaitan dengan perubahan iklim dan penembusan ke dalam sistem ekologi spesies asing.

Sudah tentu, sensor hidup tidak menggantikan sistem pensampelan kimia-ekologi tradisional dan analisis makmal mereka. Terdapat kempen jangka panjang untuk analisis kimia dan pemantauan kandungan bahan pencemar di udara, air, tanah dan sampel ais. Kajian-kajian sedemikian membolehkan kita menentukan pencemaran mana yang wujud di alam sekitar, dalam kuantiti dan di mana asalnya, sejauh mana mereka boleh bergerak dari sumber pencemaran dan seberapa cepat kepekatan mereka di alam sekitar berkurangan. Bioindicators juga membolehkan kita untuk menganggarkan dinamik perubahan kepekatan pencemar alam sekitar, ditambah maklumat tambahan mengenai bagaimana pencemaran mempengaruhi ekosistem. Teknologi baru memperluas cara untuk menggunakan sensor hidup – contohnya, ahli alam sekitar menghantar drone hari ini untuk mengambil sampel dari air pancut ikan paus untuk melihat sama ada semuanya baik dengan mamalia gergasi ini.

Unsur penting bioindication moden adalah interaksi dengan genomik ekologi evolusi dan berfungsi. Untuk masa yang lama dalam penyelidikan bioperubatan menggunakan dua spesies, yang dikumpulkan maklumat terperinci – lalat buah dan nematoda Caenorhabditis elegans. Walau bagaimanapun, perkembangan genomik yang pesat membolehkan biologi evolusioner, pakar ekologi, dan ahli toksikologi mengembangkan penyelidikan ke spesies lain. Sebagai contoh, kini mungkin untuk mengkaji bagaimana ikatan simbiotik virus, bakteria dan kulat dengan tumbuh-tumbuhan dan haiwan, termasuk Homo sapiens, menjejaskan biodiversiti dan bagaimana pula, aktiviti manusia mempengaruhi hubungan simbiotik ini. Penyelidikan jenis ini membantu memahami bagaimana genom bertindak balas kepada perubahan alam sekitar. Hakikatnya adalah bahawa walaupun untuk genom yang paling banyak dipelajari, tidak diketahui fungsi apa yang dilakukan oleh kira-kira sepertiga gen yang ungkapannya tidak dijalankan di bawah keadaan makmal. Pakar percaya bahawa sudah tiba masanya untuk menggunakan pendekatan baru: mengetahui bagaimana keadaan persekitaran mempengaruhi gen dengan fungsi yang tidak diketahui.

Seterusnya, kami akan membincangkan beberapa spesies biologi yang membantu kita mengkaji keadaan persekitaran.

Daphnia

Daphnia (kutu air, Daphnia) – genus krustasea planktonik dari superorder cawangan yang tinggal di kolam dan tasik. Saiz Daphnia berkisar antara 0.2 hingga 6 mm. Kuantiti mereka dalam sampel air, saiz dan warna adalah penanda kualiti air yang terkenal. Naturalis telah mempelajari Daphnia sejak awal abad ketujuh belas. Ia telah lama ditubuhkan bahawa crustaceans kecil ini merupakan pautan penting dalam rantaian makanan antara alga dan bakteria yang dimakan daphnia, dan ikan yang memakan daphnia. Sejak tahun 1900-an, apabila farmaseutikal, racun perosak, dan produk halus mula digunakan secara meluas, daphnids telah menjadi alat penting untuk pemeriksaan toksikologi. Sebagai contoh, kajian kepekatan maksimum yang dibenarkan bahan-bahan berbahaya untuk kutu air membentuk asas undang-undang yang mengatur kandungan selamat bahan-bahan ini dan produk transformasi mereka di dalam air tawar.

Salah satu ciri yang paling menarik dari Daphnia adalah bahawa mereka boleh meletakkan dua jenis telur, dan telur jenis yang sama dapat bertahan selama berabad-abad dalam keadaan hibernasi di sedimen bawah air. Penyelidik telah belajar bagaimana untuk mengekstrak telur tidak aktif ini dan menggunakan daphnia menetas dari mereka untuk mengetahui bagaimana organisme sintetik dan genom mempengaruhi organisma mereka, yang tidak wujud apabila telur diletakkan.Kajian-kajian ini menunjukkan bagaimana generasi Daphnia yang berbeza menyesuaikan diri dengan perubahan semula jadi dan antropogenik dalam siklus nitrogen dan fosforus, rupa bahan sintetik dalam sistem ekologi, dan perubahan iklim. Dan hasilnya membolehkan untuk mengekstrapolasi bahaya bahan yang digunakan dan dirancang untuk digunakan untuk spesies tumbuhan dan haiwan lain, termasuk manusia. Sebagai contoh, apabila mengkaji tindak balas daphnia dari Lake Minnesota ke chlorpyrifos racun perosak, yang muncul di pasaran pada tahun 1965, ternyata bahawa daphnia dari telur yang diletakkan di era pra-perindustrian (1301-1646) adalah 2.7 lebih sensitif terhadap bahan ini daripada telur diletakkan dengan segera selepas permulaan penggunaan berskala besar (1967-1977). Ini menunjukkan bahawa kutu air mampu mengembangkan toleransi terhadapnya. Daphnia, yang muncul agak baru-baru ini (2007-2011), apabila kandungan chlorpyrifos di dalam tasik jatuh di bawah batas penentuan, sekali lagi kehilangan ketahanan terhadap racun perosak (Ekotoksikologi, 2015, 24, 488-496).

Seagulls

Seabirds telah lama berkhidmat sebagai sensor hidup. Sebagai contoh, ikan herring herring Larus argentatus Sejak 1970-an, mereka telah membantu ahli alam sekitar dan ahli toksikologi mengesan maklumat mengenai bahan pencemar di Great Lakes Amerika Utara.Penyelidik tidak menangkap burung itu sendiri, mereka tertarik dengan telur ikan herring – dan juga telur-telur kair Uria lomviabodoh Fulmarus glacialismyojets Rissa tridactylaburgomasters Larus hyperboreus dan guillemot biasa Cepphus grylle. Semua burung ini, sebagai peraturan, sarang di kawasan-kawasan Arktik dan subtctik. Biasanya, burung dipilih untuk peranan sensor hidup, yang bersarang di tanah jajahan yang terpencil dan boleh diakses oleh manusia, jadi mudah untuk mengambil "sampel" dan membandingkan keputusan untuk wakil-wakil spesies yang sama yang hidup di berbagai belahan dunia.

Salah satu daripada hasil utama pemantauan kepekatan pencemar alam sekitar yang paling biasa, seperti DDT, biphenyls polychlorinated dan dioxin, adalah siri larangan tahun 1970-1980 dengan penggunaan sebahagian daripadanya dan batasan yang serius dalam piawaian untuk penggunaan orang lain. Kajian tentang "kimia" dalam telur burung menunjukkan bahawa dari 1975 hingga 2003, burung telah terdedah kepada sejumlah besar retardan api yang mengandung bromin, dan dari tahun 2003, selepas retardan api yang lain muncul, kandungan organobromida telah berkurang secara mendadak. Kandungan derivatif fluoroalkyl rantaian panjang dalam badan burung dan telur mereka meningkat dari 1975 hingga 2009, dan selepas persetujuan bersama syarikat-syarikat kimia untuk mengehadkan penggunaannya mula berkurang.Mengenai kandungan merkuri dalam telur burung laut, ia meningkat dari tahun 1975 hingga 1993, selepas itu mencapai dataran tinggi dan tidak berubah.

Kerang

Pada penghujung tahun 1960-an, didapati bahawa racun perosak yang mengandungi klorin, sebatian merkuri dan produk halus menjadi ancaman serius kepada penduduk laut laut dan perairan laut. Untuk menilai keadaan perairan ini, mereka cuba menggunakan pelbagai spesies, termasuk lobster, ketam dan ikan; Walau bagaimanapun, pelbagai tingkah laku dan ransangan spesies yang tiada tandingan mempersoalkan kebolehulangan hasil dan kesahan perbandingan mereka. Pada tahun 1975, Edward Goldberg, pakar dalam geokimia laut, mencadangkan penyelesaian yang mudah: menggunakan kerang (program Jam tangan kerang). Program ini merupakan langkah pertama dalam pengawasan biologi pencemaran pantai.

Kerang, spesies kosmopolitan yang dapat tumbuh di perairan segar dan garam, bersama dengan tiram dan moluska yang boleh dimakan yang lain sesuai untuk tugas ini. Mereka ditemui di mana-mana, mereka mudah untuk berhimpun. Di samping itu, kerang dan tiram sering ditanam khusus untuk industri makanan, yang seterusnya memudahkan pemantauan status penduduk dan menjalankan analisis.Kupang makan pada fitoplankton dan, untuk menyaringnya, lulus sejumlah besar air melalui diri mereka sendiri. Seperti banyak haiwan lain, kupang dalam proses evolusi tidak memperoleh keupayaan untuk menghasilkan enzim yang memusnahkan bahan pencemar seperti biphenyls polychlorinated dan hidrokarbon, oleh itu, mereka menumpukan bahan-bahan ini ke dalam badan mereka, yang menjadikan analisis lebih mudah. Selepas lebih dari empat dekad, program tempatan bagi Amerika Syarikat untuk menentukan bahan-bahan toksik menggunakan kupang telah menjadi antarabangsa, dan terima kasih, bukan sahaja kehadiran bahan asing di perairan pantai, tetapi juga sejauh mana bahaya mereka terhadap manusia dikesan.

Lichens

Lumut adalah persatuan simbiosis kulat dan alga hijau mikroskopik atau cyanobacteria. Spesies lichen yang diketahui pelbagai saiz dan warna. Sebahagian daripada mereka menyerupai tumbuh-tumbuhan kecil, yang lain – bintik cat pada batu dan batang pokok. Lichens tidak mempunyai sistem akar, mereka menyerap nutrien secara langsung dari kabut, hujan dan apa yang dibawa oleh angin. Oleh itu, mereka tidak mempunyai halangan yang melindungi daripada bahan berbahaya, dan apabila mereka meningkatkan pencemaran, mereka mati terlebih dahulu.Lichens, tentu saja, kasihan, tetapi harta ini menjadikan mereka sensor hidup yang baik.

Lichens mula digunakan dalam kualiti ini sejak tahun 1860-an, ketika ahli botani di Paris mendapati bahawa tumbuh-tumbuhan tumbuh di kawasan yang bersih, dan di mana udara kotor, koloni-koloni mereka mula menjadi lebih buruk. Kajian awal terutamanya ditumpukan kepada kesan langsung pada lichens sulfur dioksida yang dikeluarkan semasa pembakaran arang batu. Selepas beberapa waktu, ternyata bahawa lichen juga memungkinkan untuk mengesan kesan hujan asid – jika pelepasan perusahaan mengandungi sulfur dioksida atau nitrogen dioksida, mereka larut dalam hujan, membentuk asid. Di samping itu, organisma ini boleh berfungsi sebagai penunjuk untuk nitrat dan ion amonium, sumber utamanya ialah pertanian. Logam dari zink ke merkuri juga berkumpul di lichens.

Pada 1980-an, Pentadbiran Perhutanan Persekutuan AS telah melancarkan program biomonitoring, yang merekodkan data tentang kepelbagaian dan kelaziman kuman di semua rantau di negara ini. Mereka membetulkan keadaan koloni lichen, sampel dikumpulkan dan dianalisis di makmal,untuk menentukan tahap pencemaran udara di kawasan tertentu, untuk mengenal pasti punca-punca mereka dan, jika perlu, menyesuaikan piawaian pelepasan industri.

Lebah

Honeybees Apis mellifera boleh dianggap sebagai wira alam yang paling rendah. Melangkah mengenai perniagaan mereka, mengumpul debunga dan nektar, mereka juga menanam tumbuhan. Adalah sukar untuk memanggil lebah itu sendiri sejenis yang sesuai digunakan sebagai petunjuk hidup – lebah ditanam, penjaga lebah menjaga mereka, selalunya apabila tumbuh-tumbuhan madu yang banyak berkembang, keluarga lebah berpindah dari satu tapak ke tempat yang lain, dan kemudian sukar untuk menyambung data mengenai bahan pencemar kawasan tertentu. Walau bagaimanapun, serangga ini juga menyumbang kepada kajian keadaan alam sekitar – untuk ini, madu dianalisis.

Penggunaan racun serangga secara besar-besaran dalam pertanian adalah ancaman serius kepada lebah dan penyerbuk lain. Sebagai contoh, suspek utama dalam kes penurunan secara tiba-tiba dalam bilangan lebah adalah insektisida neonicotinoids, yang boleh menjejaskan sistem saraf serangga ini. Mereka menjejaskan keupayaan belajar lebah, kemampuan mereka untuk mengenali bau dan orientasi di ruang angkasa.Semua ini menghalang pengumpulan makanan, mengurangkan jumlah dan bilangan koloni lebah, yang dalam jangka panjang dapat mengurangkan hasil tanaman dan menyebabkan krisis makanan. Baru-baru ini, penyelidik telah pun mula menggunakan mikrosensor yang melekatkan lebah ke punggung mereka untuk mengesan pergerakan serangga individu dari sarang hingga tumbuhan madu, untuk menentukan keupayaan mereka untuk menanam tumbuhan.

Hasil kajian tahun ini sebanyak 200 sampel madu dari seluruh dunia menunjukkan bahawa dalam 75% sampel terdapat sekurang-kurangnya satu daripada lima neonicotinoids utama, dan dalam 45% dua dan lebih. Kepekatan racun perosak dalam madu jauh di bawah had yang ditentukan oleh pengawal selia AS dan EU sebagai selamat untuk manusia, tetapi satu pertiga daripada sampel mempunyai neonicotinoids yang mencukupi untuk membahayakan larva lebahSains, 2017, 358, 6359, 109-111).

Jadi, boleh dikatakan bahawa alam sekitar itu sendiri datang kepada bantuan orang yang munasabah yang ingin memelihara persekitaran ini – tumbuhan, cendawan, invertebrata dan vertebrata mengorbankan diri mereka sendiri untuk mengetahui bagaimana teknologi mahal menelan kos manusia.Dan jika kita memantau dengan teliti "burung kenari" kita, maka mungkin kita akan mempunyai masa untuk melarikan diri.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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