Биология в школе, 2019, № 4
научно-практический журнал
Покупка
Тематика:
Педагогика общего среднего образования
Издательство:
Школьная Пресса
Наименование: Биология в школе
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 80
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
4/2019 БИОЛОГИЯ в школе В НОМЕРЕ: Учредитель: ООО «Школьная Пресса». Издается с 1927 г. Периодичность – 8 номеров в год НАУКА 3 Анаркулова Э.И., Алексюк М.С., Молдаханов Е.С., Турмагамбетова А.С., Алексюк П.Г., Аманбаева М.Б., Богоявленский А.П. Массивное параллельное секвенирование как основа формирования компетентности биолога 10 Зубков Н.В., Зубкова В.М. Токсикологические свойства Pb и Сd и их баланс в системе почва–растение при внесении удобрений 23 Выродов И.В., Кропова Ю.Г. Бионика: вчера, сегодня, завтра Люди науки: творчество, личность 30 Князев Ю.П., Князев А.П. Чтобы помнили… З.В. Ермольева — выдающийся отечественный биолог МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ 34 Бубякина С.М., Павлов И.И. Ментальные карты как средство достижения результатов обучения на уроке биологии 41 Митина Е.Г., Ищенко А.В. «Уроки биологии» в ботаническом саду 49 В блокнот учителя УЧИТЕЛЮ ЭКОЛОГИИ 50 Асташина Н.И., Асташин А.Е. Использование региональной Красной книги для формирования экологической компетентности 56 Мингалеева М.Т. Традиционная культура как основа формирования экологической культуры учащихся
ВНЕУРОЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ 61 Бирюкова Е.Г., Савин Г.А. Определение мочевины в кожном экскрете человека 65 Борзова З.В., Фейзиев Ф.М. Основы пчеловодства. Программа внеурочной деятельности для учащихся VIII–IX классов В биологическом кружке 72 Кулёв А.В. Изучаем фауну России. Сибирский углозуб К с в е д е н и ю а в то р о в: рукописи, присланные в редакцию, не возвращаются. Редакция знакомится со всеми письмами читателей, но оставляет за собой право не вступать в переписку. Издание охраняется Законом РФ об авторском праве. Любое воспроизведение материалов, размещенных в журнале, как на бумажном носителе, так и в виде ксерокопирования, сканирования, записи в память ЭВМ, и размещение в Интернете запрещается. Главный редактор С.В. Суматохин Зам. главного редактора Л.Ю. Ганич Редактор отдела Е.Н. Огольцова Ответственный секретарь Е.Н. Огольцова Редакционная коллегия: Е.В. Алексеева, С.В. Алексеев, Н.Д. Андреева, М.М. Асланян, Т.В. Барсукова, К.А. Жумагулова, Г.С. Калинова, А.А. Каменский, М.П. Кирпичников, А.В. Кулёв, А.Г. Кузнецова, В.В. Латюшин, Г.И. Лернер, Н.М. Мамедов, В.В. Пасечник, И.Н. Пономарёва, А.П. Пуговкин, Е.Д. Станисавлъевич, С.В. Суматохин, А.В. Теремов, Е.В. Титов, Т.В. Уткина, И.П. Чередниченко Редакция не всегда разделяет мнения и оценки, содержащиеся в материалах. Адрес редакции и издательства: корреспонденцию направлять по адресу: 127254, г. Москва, а/я 62 тел.: 8 (495) 619-52-87, 619-83-80 E-mail: biologia@schoolpress.ru Сайт: http: // www.школьнаяпресса.рф E-mail: marketing@schoolpress.ru Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия, свид. о рег. ПИ № ФС77-38549 от 21 декабря 2009 г. Формат 84108/16 Усл. печ. л. 5.0. Изд. № 3310. Заказ Учредитель — ООО «Школьная Пресса» Отпечатано в АО «ИПК «Чувашия», 428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, д. 13 © ООО «Школьная Пресса», © «Биология в школе», 2019, № 4 Следующий выпуск электронного издания выйдет вместе с № 8, 2019 г. Пятилетний импакт-фактор журнала в РИНЦ 0,244 Двухлетний импакт-фактор журнала в РИНЦ 0,467 Журнал рекомендован Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Министерства образования и науки Российской Федерации в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук. Журнал зарегистрирован в базе данных Российского индекса научного цитирования.
Э.И. Анаркулова, PhD докторант, М.Б. Аманбаева, доктор PhD, Е.С. Молдаханов, PhD докторант, КазНПУ им. Абая, М.С. Алексюк, доктор PhD, А.С. Турмагамбетова, PhD, П.Г. Алексюк, кандидат биологических наук, А.П. Богоявленский, доктор биологических наук, профессор, НПЦ микробиологии и вирусологии РК, е-mail: elya-111@mail.ru Ключевые слова: секвенирование, биология. Keywords: sequencing, biology. Формирование компетентности специалиста в области биологии требует постоянного поиска новых методов, обеспечивающих воспитание системного подхода в усвоении новых знаний. Одним из таких методов является метод массивного параллельного секвенирования. The formation of the competence of a specialist in the field of biology requires a constant search for new methods that ensure the education of a systematic approach to the assimilation of new knowledge. One such method is massive parallel sequencing. МАССИВНОЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СЕКВЕНИРОВАНИЕ КАК ОСНОВА ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЕТЕНТНОСТИ БИОЛОГА На протяжении ряда поколений формирования процесса обучения как процесса усвоения новых знаний эталоном компетенции являлась способность молодого специалиста не только воспроизводить полученный объём информации в полной мере, но и в умении её использования посредством создания схематических моделей, показывающих уровень владения полученными знаниями и инструментами. При этом любой преподаватель находится в перманентном поиске новых средств визуализации знаний, формирующих системный подход в области изучения биологических процессов, находясь в достаточно узких рамках времени, отведённого на усвоение достаточно сложных проблем разноуровневого взаимодействия живых организмов в экосистемах или законах эволюции. Подобными средствами в современной науке могут служить новые методы молекулярной биологии, используемые для решения ряда задач в биотехнологии, молекулярной генетике и медицине, а также фармацевтике. К одним из таких методов можно отнести массивное параллельное секвенирование, или секвенирование следующего поколения. Этот метод секвенирования позволяет единовременно получить сразу несколько участков исследуемого генома за счёт НАУКА
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 4/2019 Биология в школе Рис. 1. Различные платформы массового параллельного секвенирования повторяющихся циклов удлинения цепи с помощью фермента полимеразы либо многократного лигирования олигонуклеотидов. В результате подобного многократного параллельного секвенирования в течение одной постановки реакции можно получить миллионы фрагментов генома, комплементарных в разной степени последовательности нуклеиновой кислоты исследуемого организма или фрагменты геномов разных организмов, представленных в той или иной степени в исследуемом образце. Появление подобной технологии дало возможность не только увеличить производительность и скорость прочтения до миллиардов пар оснований или существенно снизить стоимость анализа, но и привело к использованию полученных данных в областях, не связанных с определением структуры генов организма. Существует целый ряд технологических платформ для проведения подобного анализа, которые различаются по способу осуществления секвенирования. Основные этапы метода, как правило, включают: 1) получение множества коротких фрагментов ДНК или молекул мРНК; 2) амплификация этих коротких последовательностей посредством большого числа специфических ДНК-зондов (олигонуклеотидов) и с применением мультиплексной ПЦР; 3) получение так называемой библиотеки генов (т. е. набора фрагментов ДНК из данного образца) для последующего секвенирования; 4) массовое параллельное прочтение нуклеотидных последовательностей в этом множестве генных фрагментов. Определение последовательности нуклеотидов в коротких фрагментах ДНК может проводиться разными способами: с помощью пиросеквенирования (сейчас применяется редко), гибридизации на микрочастицах, микро-рНметрии, масс-спектрометрии и т.д. Популярные на сегодняшний день технологии такого типа формально делят на NGS II и III поколения. Ко II поколению относятся секвенаторы, позволяющие получить большое количество коротких прочтений (25–800 пар оснований), в частности 454 (IonTorrent) LifeSciences, Illumina, Helicon и некоторые другие. К III поколению NGS относятся секвенаторы PacificBiosciences и OxfordNanopore, позволяющие прочитывать более длинные участки генов (2000–200 000 пар нуклеотидов) (рис. 1). Варианты применения массивного параллельного секвенирования многообразны: 1) определение последовательности всей ДНК (полногеномное секвенирование — whole-genomesequencing, WGS); 2) определение последовательности белоккодирующих участков генома (полноэкзомное секвенирование — whole-exomesequencing, WES); 3) определение последовательности интересующих генов; 4) секвенирование
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. транскриптома (РНК-секвенирование, RNAseq; 5) метагеномные исследования образцов окружающей среды [1]. Не будем останавливаться на особенностях выделения нуклеиновых кислот из образцов окружающей среды, способах пробоподготовки образцов или оценки их качества: существует огромное количество научной и популярной литературы, которую читатель может прочитать самостоятельно для расширения кругозора [2]. Цель наших исследований — демонстрация на конкретном примере использования результатов массивного параллельного секвенирования на формирование нового уровня компетенции специалиста-биолога XXI в. Материалы и методы В качестве образца использовался суммарный образец нуклеиновых кислот, выделенный из помёта 25 домашних кур, собранного на одной из мини-ферм Алматинской области Республики Казахстан. Получение образца нуклеиновых кислот проводили с использованием набора PureLink® (Ambion. ThermoScientific, США) в соответствии с инструкцией. ДНК-библиотеки подготавливали из 1 нг исследуемой двухцепочечной ДНК с использованием набора NexteraXTDNASamplePreparationKit (Illumina, США) в соответствии с инструкцией. Подготовка библиотек генов включала ферментативное фрагментирование ДНК, лигирование сиквенсных адаптеров, предварительную амплификацию библиотеки, отбор фракций нужной длины, клональную амплификацию селектированной библиотеки. Анализ качества геномных библиотек проводили при помощи прибора Agilent 2100 с использованием набора Agilent DNA 1000 Kit. Разгонка молекул и разделение по длине/массе осуществлялись под действием электрического напряжения в каналах чипа, заполненных гелем. Полученные библиотеки были секвенированы с использованием платформы Illumina MiSeq (Сан-Диего, Калифорния, США) и набора MiSeq Kitv3, позволяющих получать парноконцевые чтения длиной 300 п.н. В прямом и обратном вариантах прочтения олигонуклеотидов было получено около 8 000 000 ридов, что содержало порядка 24 млрд нуклеотидов организмов, представленных в образце. Анализ полученных данных проводили с помощью программ MePic, Kaiju. Визуализация полученных результатов осуществлялась с помощью приложения Krona. Результаты и обсуждение Сохранение разнообразия видов животных и растений, ландшафтов и экосистем — актуальная задача современности. Сохранение биоразнообразия не является просто новым направлением охраны природы, это неотъемлемая составная часть концепции перехода человечества на принципы устойчивого развития. В первом приближении биологическое разнообразие видов характеризуется, как правило, двумя признаками — видовым богатством и выровненностью. Видовое богатство включает число видов, встречающихся в пределах экосистемы, а выровненность характеризуется степенью равномерности распределения численности животных того или иного вида. Использование именно этих составляющих связано с тем, что за редким исключением в экосистемах среди организмов, принадлежащих к одному трофическому уровню, экологической или таксономической группе, большая часть биомассы достигается за счёт вклада очень немногих видов. Методы изучения биоразнообразия могут быть контактными и бесконтактными. Контактные методы обычно связаны со сбором коллекции представителей видов, формирующих исследуемую экосистему. Такой подход обусловлен рядом
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 4/2019 Биология в школе ограничений, связанных с оценкой качества выборки. Бесконтактное зондирование, появившееся с развитием новых технологий (вертолёты, спутники), менее травматично для экосистемы в целом, но более затратно. В нашем случае мы использовали анализ массового параллельного секвенирования для оценки разнообразия видов в месте разведения кур. Показано, что, несмотря на ограниченность выборки (помёт птицы), метод позволил провести анализ разнообразия видов на разном таксономическом уровне от микроорганизмов и вирусов до человека (рис. 2). Сравнительный анализ образцов, собранных на одной территории из воды, воздуха и почвы, даёт возможность проводить исследования видового богатства и выровненности без формирования выборок видов, что в целом сократит и без того высокую антропогенную нагрузку на состояние исследуемой экосистемы. Ответная реакция человечества на кризисное состояние системы «человек — биосфера» обычно охватывает все стороны хозяйства и приводит к изменению взглядов людей на природу и её эксплуатацию. В прежние эпохи экологические революции происходили в течение длительного времени (веками и даже тысячелетиями), современная глобальная экологическая революция займёт, очевидно, около половины века (в противном случае может наступить всемирная экологическая катастрофа). Первая экологическая революция была реакцией на дефицит естественных продуктов природы при переходе человечества из фазы чисто биологического существования. Она ознаменовалась активным воздействием человека на природу путём выжигания растительности (для улучшения пастбищ диких животных) и организации массовой охоты. Вторая экологическая революция произошла как следствие перепромысла крупных животных и истощения ресурсов собирательства, что привело к развитию примитивного орошаемого земледелия и скотоводства. Третья экологическая революция стала следствием ограниченности ресурсов орошаемого земледелия и привела к широкому переходу к богарному (неполивному) земледелию [6]. Рис. 2. Видовое разнообразие пробы, полученной из малого птицеводческого хозяйства Сведение лесов и общее истощение ресурсов растительного мира, как и вообще традиционных ресурсов того времени, привело к промышленной революции, переросшей в научно-техническую революцию текущего времени. Современный экологический кризис характеризуется опасным загрязнением биосферы, приближением к максимуму использования энергии на поверхности Земли и резким нарушением экологического равновесия. Ему соответствуют начавшиеся изменения в научно-технической революции: замыкание производственных циклов, максимальная экономия энергии, миниатюризация технических объектов, экологическое планирование, позволяющее поддерживать и улучшать экологическое равновесие, и т.д. Специфической чертой современной экологической революции можно считать
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Рис.3. Последовательности геномов птиц, содержащихся в пробе, выделенной из помёта осознание того факта, что от принципа безудержного преобразования природы и неограниченной её эксплуатации необходимо перейти к экономии природных ресурсов и весьма осторожному изменению природной среды жизни. Важная особенность также — постепенное осознание того, что от одностороннего изменения природного цикла системы «человек — биосфера» следует переходить к двусторонней адаптации (коэволюции) с центром внимания к рациональному преобразованию человеческого общества, его приспособлению к объективной природной среде жизни и к развитию общественного производства с учётом экологических ограничений этого производства [6]. В наших исследованиях на модели эволюции птиц показано, что массивное параллельное секвенирование способно отследить пути эволюции вида от древности до современности даже при использовании образца, практически не содержащего антигенов исследуемого вида (помёт птиц, рис. 3 и 4). При этом интересным является то, что метагеномный анализ даёт возможность оценить не только процесс эволюции от древности до наших дней, но и показывает дальнейшее направление эволюционного движения от простого к сложному и от более старого к более новому [6]. Жизнь на Земле возникла около 3,5 млрд лет назад. Её представителями были простейшие одноклеточные организмы. Однако благодаря эволюционному развитию на сегодняшний день мы имеем грандиозное многообразие живых организмов [4]. Все эти живые организмы, населяющие нашу планету, существуют не сами по себе, они Рис. 4. Филогенетическое древо, демонстрирующее эволюцию птиц
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 4/2019 Биология в школе связаны общностью энергии и питательных веществ и активно вступают в разнообразные связи между собой. Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который, в конце концов, и возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов. Между организмами биоценоза устанавливаются прочные пищевые взаимоотношения. В результате возникают цепи питания. Они и объединяют прямо или косвенно большую группу организмов в единый комплекс. Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример: животное поедает растения. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным, и таким путём может происходить перенос энергии через ряд организмов — каждый последующий питается предыдущим, поставляющим ему сырьё и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое её звено — трофическим уровнем. Цепь питания обычно состоит из трёх основных звеньев. Все звенья цепи питания взаимосвязаны и взаимозависимы. Между ними от первого к последнему осуществляется передача вещества и энергии. При передаче энергии с одного трофического уровня на другой происходит ее потеря. В результате цепь питания не может быть длинной, как это иногда изображают графически. Обычно она состоит из 4–6 звеньев. Однако такие цепи в чистом виде в природе обычно не встречаются, поскольку одни и те же виды могут быть одновременно в разных звеньях [5]. Взаимодействие организмов проявляется и в передаче энергии, соотношении биомассы и численности. Данную взаимосвязь между живыми организмами можно изобразить графически в виде так называемых экологических пирамид (рис. 5). Они позволяют наглядно представить всю сложную структуру экосистемы, упрощённо и обобщённо показывая множество взаимодействий внутри неё. Таким образом, экологические пирамиды могут найти широкое применение при исследовании всего многообразия живых организмов, что, несомненно, позволит упростить изучение и понимание экосистемы. При анализе массового параллельного секвенирования полученных баз данных показано, что диаграммы чётко указывают на пищевые цепи, присутствующие в исследуемом образце: 96% обнаруженных фрагментов нуклеиновых кислот принадлежат к царству микроорганизмов и вирусов, участвующих на первоначальном этапе усвоения энергии абиотических факторов и только 4% относятся к разделу эукариот. Рассмотрение эукариотического раздела показывает, что растения составляют не менее 40% последовательностей организмов данного раздела, а на вершине пищевой цепи исследуемого образца находятся млекопитающие, составляющие не более 4% олигонуклеотидов, относящихся к группе эукариот (рис. 6). Таким образом, на примере анализа результатов исследований одного метода молекулярной биологии можно проиллюстрировать, как минимум, три основные проблемы системного подхода к изучению биологии, а именно — разнообразие экологических систем, эволюция видов и пищевые цепи [7]. Новые методы науки могут способствовать формированию компетентности специалистов по биологии в XXI в., что является неотъемлемой задачей при воспитании людей, выполняющих важные народно-хозяйственные задачи развития нашего общества.
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Рис. 5. Упрощённая экологическая пирамида питания и передачи энергии Рис. 6. Диаграмма распределения фрагментов нуклеиновых кислот про- и эукариотических организмов пробы, полученной из помёта птиц enterforBiotechnologicalInformation, NCBI). Menzel Peter, Ng Kim Lee, Krogh Anders Fast and sensitive taxonomic classification for metagenomics with Kaiju// Nature communication. – 2016. – 7:11257 | DOI: 10.1038/ncomms11257. 2. TakeuchiFumihiko, Sekizuka Tsuyoshi, YamashitaAkifumi, Ogasawara Yumiko, Mizuta Katsumi, Kuroda Makoto MePIC, Metagenomic Pathogen Identification for Clinical Specimens // Jpn. J. Infect. Dis., 2014. – 67, 62–65. 3. https://www.whozoo.org/birds/birdphylogeny.html 4. https://en.ppt-online.org/159864 5. Wright A. E., Zimmer F., Harrison P.W., Mank J. E.Conservation of Regional Variation in SexSpecific Sex Chromosome Regulation //Genetics, 2015.- Vol. 201, 587–598. 6. human_ecology.academic.ru 7. Богомолова А.А. Наука и образование: применение методологии системного подхода к изучению мира живой природы // Вопросы биологии и экологии в системе образования / Сборник научно-методических трудов. – Смоленск, 2006. Заключение Неотъемлемой задачей формирования компетентности специалистов по биологии в XXI в., выполняющих важные народно-хозяйственные задачи развития нашего общества, является развитие навыка проведения всестороннего анализа данных, полученных с использованием новых методов науки. Кроме того, назревает настоятельная необходимость участия специалистов образовательного процесса в реальном исследовательском мире, создающем в наши дни новые, подчас удивительные методы исследования реального мира. В представленной работе на примере анализа результатов исследований лишь одного метода молекулярной биологии мы проиллюстрировали три основные проблемы системного подхода к изучению биологии: разнообразие экологических систем, эволюция видов и пищевые цепи. Литература 1. База данных Национального центра биотехнологической информации США (NationalC
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 4/2019 Биология в школе Ключевые слова: тяжёлые металлы, вынос ТМ сельскохозяйственными растениями, баланс ТМ. Keywords: heavy metals, carrying out of TM by agricultural plants, balance of TM. В статье рассмотрены источники и последствия загрязнения окружающей среды свинцом и кадмием, приводится расчёт баланса ТМ в системе почва–растение при внесении различных норм и видов удобрений. The article discusses the sources and consequences of environmental pollution with lead and cadmium, provides a calculation of the balance of TM in the soil–plant system when making different norms and types of fertilizers. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Pb И Сd И ИХ БАЛАНС В СИСТЕМЕ ПОЧВА — РАСТЕНИЕ ПРИ ВНЕСЕНИИ УДОБРЕНИЙ Н.В. Зубков, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры биологии и физиологии человека МГПУ, В.М. Зубкова, доктор биологических наук, профессор кафедры техносферной безопасности и технологии РГСУ, е-mail: zubkovnv@mail.ru Среди разнообразных загрязняющих веществ особую опасность для биосферы представляют тяжёлые металлы (ТМ), негативное воздействие которых усиливается в связи с непрекращающимся поступлением их в биосферу и способностью накапливаться во внешней среде и в живых организмах. Непрерывный приток ТМ в окружающую среду связан с природными (выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность) и техногенными (добыча и переработка полезных ископаемых, производство цветных металлов, сжигание топлива, движение транспорта, сельскохозяйственная деятельность, включающая использование удобрений, мелиорантов и пестицидов) процессами. В качестве критериев для причисления химического элемента к ТМ используются разнообразные показатели: атомная масса, плотность, токсичность, распространённость в природной среде, степень вовлечённости в природные и техногенные циклы. В технической литературе к тяжёлым металлам относят химические элементы, имеющие плотность 5 г/см3. Для биологической классификации руководствуются не плотностью, а атомной массой, т.е. к тяжелым относят все металлы с относительной атомной массой более 50. Уникальность этой группы металлов заключается в том, что помимо токсичных элементов, способных при определённых дозах вызывать нарушение жизнедеятельности организмов (кадмий, ртуть, свинец, никель, хром), она включает элементы, имеющие позитивное биологическое значение (цинк, железо, марганец, медь). Последние в незначительных количествах необходимы живым организмам для обеспечения нормальной жизнедеятельности и получили название микроэлементов.
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Большинство микроэлементов — активные катализаторы, ускоряющие целый ряд биохимических реакций. Без микроэлементов не могут протекать основные физиолого-биохимические реакции живого организма. Однако при поступлении в организм в избыточном количестве они могут накапливаться и вызывать токсические эффекты. Таким образом, микроэлементы и тяжёлые металлы — понятия, нередко относящиеся к одним и тем же элементам, но используемые в разных смыслах, в зависимости от их роли в организме и концентрации в почве, удобрениях и продукции растениеводства и животноводства. Отрицательный эффект взаимодействия тяжёлых металлов с биологически активными макромолекулами связан со следующими процессами: вытеснением необходимых металлов из их активных мест связывания токсичным металлом; связыванием части макромолекулы, необходимой для нормальной жизнедеятельности организма; сшиванием макромолекул с образова нием биологических агрегатов, вредных для организма; деполимеризацией биологически важ ных макромолекул; неправильным спариванием основа ний нуклеотидов и ошибками в процессах белкового синтеза. Результатом токсического воздействия тяжёлых металлов на организм являются нарушение функционирования ряда его жизненно важных систем и инициирование нежелательных процессов. Возрастающее содержание тяжёлых металлов в почве и атмосфере сопровождается их активным поглощением и накоплением растениями, что негативно отражается на их жизнедеятельности и представляет серьёзную угрозу здоровью человека и животных. Токсичное действие ТМ может быть прямым и косвенным. При прямом воздействии у организмов блокируются ферменты, при косвенном — биогенные элементы переводятся в недоступное состояние. Наиболее общие проявления действия тяжёлых металлов на растения — ингибирование фотосинтеза, нарушение транспорта ассимилятов и минерального питания, изменение водного и гормонального статусов организма и торможение роста. Фитотоксичность ТМ в значительной степени определяется биологическими особенностями растений. По данным В.М. Зубковой (2004), загрязнение почвы свинцом приводило к снижению урожайности картофеля в 25% случаях, льна-долгунца — в 83% [8]. В организме животных ТМ всасываются в желудочно-кишечном тракте, встраиваются в ферментные системы и физиологические процессы вместо жизненно необходимых макро- и микроэлементов, приводя к нарушению деятельности соответствующих физиологических систем. Ряд ТМ обладает кумулятивным эффектом и канцерогенным действием, в том числе свинец и кадмий. Свинец (Pb) — высокотоксичный металл, относящийся к первому классу опасности. Накапливается в костях, мяг ких тканях, крови. Наиболее высокая концентрация свинца наблюдается в зубах. Механизм токсического действия свинца определяется как блокадой функциональных SH-групп белков, что приводит к ингибированию многих жизненно важных ферментов, например снижению активности гидротазы — фермента, катализирующего процесс формирования протобилиногена и гемсинтетазы, так и проникновением свинца в нервные и мышечные клетки. Образование лактата свинца путём взаимодействия с молочной кислотой, затем фосфатов свинца, приводит к созданию
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 4/2019 Биология в школе клеточного барьера, препятствующего проникновению в нервные и мышечные клетки ионов кальция. Свинец ингибирует действие многих энзимов, а также инкорпорацию железа. Вызывает нарушения процессов кроветворения, поврежде ния почек и печени, отрицательно действует на половые клетки. Металл легко всасывается организмом и трудно выводится (период выведения около 30 дней). Свинец считается «классическим» загрязнителем почвы. Обладая ярко выраженной катионной поглотительной способностью, почва хорошо удерживает положительно заряжен ные ионы металлов. Постоянное их поступление даже в малых количествах в течение продолжительного времени спо собно привести к существенному накоплению металлов в почве. В большинстве городов содержание свинца в почвах изменяется в пределах 30–150 мкг/кг при среднем значении около 100 мкг/кг. Содер жание металла в городском воздухе может превышать фон в 10—25 тыс. раз. Размеры свинцовых аномалий при этом определяются условиями застройки и структурой зелёных насаждений. Содержание техногенного свинца в почвах населённых пунктов коррелирует с численностью населения, самое высокое наблюдается в городах-миллионерах (6,610-3%) и убывает по мере уменьшения количества населения. В малых городах с населением менее 100 тыс. человек содержание Pb было установлено на уровне 3,9510-3%, в почвах деревень и посёлков — 2,2710-3% (табл. 1). Распределении техногенного Pb внутри населённого пункта сопряжено с техногенной нагрузкой (табл. 2). В почву свинец попадает при добыче свинцовых руд, как отход металлургии, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания, а также из свалок (использованные электрические аккумуляторы, краски, Элемент Номер элемента Кларк Среднее содержание в почвах почв населённых пунктов почв Земли городов с населением, тыс. чел. малые поселки и деревни Более 700 (города- миллионеры) 300–700 (полумиллионеры) 100–300 (местные города) менее 100 (малые города) Cd 48 0,09 0,05 0,29 0,08 0,05 0,14 0,02 Pb 82 5,45 1,00 6,62 4,56 4,34 3,95 2,27 Та б л и ц а 1 Распространение и распределение некоторых химических элементов в почвах населённых пунктов (содержание всех элементов в n·10-3 % массы)