ВВЕДЕНИЕ В БИОХИМИЧЕСКУЮ ЭКОЛОГИЮ

ВВЕДЕНИЕ В БИОХИМИЧЕСКУЮ ЭКОЛОГИЮ

© Остроумов С. А. 2006 (Москва 119992, МГУ, каф. гидробиологии)

Курс биохимической экологии является оригинальным авторским курсом, который был предложен и разработан автором на кафедре общей экологии и гидробиологии (затем - кафедре гидробиологии) биофака МГУ. В связи с разработкой и совершенствованием лекционного курса автором были подготовлены и опубликованы книги "Введение в биохимическую экологию" (переведена на болгарский язык, опубликована в г. София) и "Введение в проблемы биохимической экологии". Программа апробирована в сборнике "Программы спецкурсов" (2002), в сборнике Ecological Studies, Hazards, Solutions (2004, том 10, с.143) и сборнике (Экология и гидробиология. Программы учебных курсов. М.: МАКС-Пресс, 2005. 36 c.). Эта публикация подверглась доработке и дополнению.

1. Биохимическая экология: предмет, объект, методы, практическое значение. Связь биохимической экологии с другими экологическими и биологическими науками. История биохимической экологии и её связь с историей гидробиологии и экологии в России. Роль работ В. И. Вернадского, С. Н. Зёрнова, С. Н. Скадовского, Г. Ф. Гаузе, С. С. Шварца и других отечественных учёных. Работы сотрудников РАН, в том числе Ин-та экологии (Свердловск, позднее Екатеринбург) и Ин-та проблем экологии и эволюции (В. Е. Соколов, Э. П. Зинкевич и др.). Работы сотрудников МГУ и Ленинградского (позднее С.-Петербургского) гос. ун-та, ученых университетов и институтов Владивостока, Киева и Севастополя, других научных центров.

2. Основные типы веществ, участвующих в эколого-биохимических взаимодействиях. Роль вторичных метаболитов.

3. Эколого-биохимические взаимодействия с участием грибов и водорослей (и некоторых прокариот). Сопоставление с биохимической экологией эукариот. Взаимодействия между низшими растениями. Роль феромонов в экологии размножения водорослей и грибов. Эколого-биохимические взаимодействия низших растений с высшими растениями. Взаимодействия грибов с высшими растениями. Фитоалексины. Элиситоры. Другие вопросы молекулярных основ эколого-биохимических взаимодействий патогенных грибов и растений. Взаимодействия низших растений (включая водоросли) с животными. Токсины водорослей и цианобактерий. Микроцистины (низкомолекулярные пептиды), афантотоксин, ихтиотоксин, анатоксины a, b, c, d. Метаболиты низших растений и формирование среды обитания. Выделение органических веществ в водную среду обитания. Прикладное значение и перспективы использования биологически активных веществ (БАВ), продуцируемых водорослями и грибами.

4. Эколого-биохимические взаимодействия высших растений. Аллелопатия. Роль аллелопатии для формирования водных и наземных фитоценозов. Роль эколого-биохимических взаимодействий в системе: растения-микроорганизмы-среда обитания. Перспективы прикладного использования аллелопатически активных веществ.

5. Эколого-биохимические взаимодействия растений и животных. Проблемы выявления факторов формирования трофической сети в экосистемах. Экологические хеморегуляторы пищевого поведения, размножения, онтогенеза и физиологии животных-фитофагов.

6. Эколого-биохимические взаимодействия между животными.

6.1. Внутривидовые взаимодействия. Феромоны. Модернизированное определение феромонов (Вестник РАН. 2003. Т. 73. № 3. С. 232-238). Типы феромонов. Роль феромонов для водных и наземных животных. Роль экологических хеморегуляторов для водных беспозвоночных и рыб. Эколого-биохимические взаимодействия между животными разных видов. Алломоны. Кайромоны.

6.2. Межвидовые взаимодействия. Токсичные вещества животных, в том числе беспозвоночных. Токсины морских беспозвоночных. Мембранолитики. Механизмы защиты мембран токсин-продуцирующих видов от воздействия собственных токсинов. Термин, предложенный для обозначения одного из таких механизмов, "биохимическая координация". Работы ученых Тихоокеанского ин-та биоорганической химии РАН (напр., см. Еляков, Стоник, 2003; и др.) по выделению и изучению новых токсических веществ из морских беспозвоночных. Перспективы использования таких веществ в фармакологии и медицине.

6.3. Феромоны и экология человека. Эколого-биохимические факторы в формировании поведения и психики человека.

7. Особенности биохимической экологии водных экосистем.

Выделение цианобактериями и сопутствующими им гетеротрофными бактериями-спутниками витаминов (тиамин, рибофлавин, цианкобаламин, биотин, пиридоксин, никотиновая кислота, пантотеновая кислота) в водную среду (Андреюк, Коптева, Занина, 1990, с. 131-142).

8. Биотрансформация экзогенных веществ в организмах и экосистемах. Проблемы биохимической экологии ксенобиотиков. Антропогенные биологически активные вещества (БАВ). Биохимические аспекты формирования среды обитания и биотрансформация экзогенных БАВ. Судьба ксенобиотиков в экосистемах. Взаимодействие биотических и абиотических факторов при транспорте, превращениях и деградации ксенобиотиков в экосистемах. Роль биотрансформации БАВ и ксенобиотиков для формирования водной среды обитания, водных экосистем и аквакультуры.

9. Прикладные аспекты проблем биохимической экологии. Уменьшение загрязнения биосферы и гидросферы. Экологически безопасные способы воздействия на виды, имеющие экономическое значение. Природные экологические хеморегуляторы (Остроумов, 1986). Пропестициды. Аквакультура и проблемы качества воды. Оценка биологической активности веществ: проблемы биотестирования и информационной биотехнологии. Отставание изучения биологической активности веществ от синтеза новых ксенобиотиков и идентификации природных веществ. Поиски альтернатив традиционному биотестированию на животных. Проблема корреспондирования и соотношения результатов биотестирования, полученных на разных тест-объектах и разными методами. Прикладные аспекты биохимической экологии в применении к природным, загрязненным и искусственным водным экосистемам и аквакультуре.

10. Обобщения о роли и функциях экологических хемомедиаторов в биосфере. Восемь основных функций экологических хемомедиаторов и хеморегуляторов (Остроумов, 1986, 2003).

11. Дальнейшее концептуальное развитие биохимической экологии, возникновение и отпочкование от нее биохимической экологии человека (см. Новая научная дисциплина, биохимическая экология человека. некоторые концепции и приложения // ESPS. 2004. Т. 10. С. 126 - 129) и биохимической гидробиологии (см. Биохимическая гидробиология: концептуальное изложение основ новой научной дисциплины // ESPS, 2003, vol.6. P. 92 - 93; Новые научные дисциплины: биохимическая экология и биохимическая гидробиология // ESPS. 2004. т.7. С. 106 - 111). Связь биохимической экологии с развитием некоторых направлений психиатрии (биологическая психиатрия) и психологии.

12. Перспективы дальнейших исследований в биохимической экологии и приложение их результатов в аквакультуре, сельском хозяйстве, охране окружающей среды, медицине и биотехнологии.

ЛИТЕРАТУРА дана в работах: Федоров В.Д. (ред.) Программы спецкурсов. М.: МГУ, 2002, 136 с.; С. А. Остроумов. Экология и гидробиология. Программы учебных курсов. М.: МАКС-Пресс, 2005. 36 c. Еляков Г.Б., Стоник В.А. Морская биоорганическая химия - основа морской биотехнологии // Известия Академии наук. Серия химическая. 2003. № 1. С. 1-18. Ерохина И.А., Тихонов П.С., Хохрякова О.Н. Биологически активные вещества морских гидробионтов. Апатиты: Кольский научный центр АН СССР. 1991. 36 с. Исаев А.С. и др. Популяционная динамика лесных насекомых. М.: Наука. 2001. Листов М.В. Химическая защита у членистоногих и изменчивость организмов. Л.: Наука. 1989. 157 с. Остроумов С.А. Введение в биохимическую экологию. М.: МГУ, 1986. 176 с. Idem. О функциях живого вещества в биосфере // Вестник РАН. 2003. Т. 73. № 3. С.232-238. [Модернизированное определение феромонов]. Idem. Биологический механизм самоочищения в природных водоемах и водотоках: теория и практика // Успехи совр. биологии. 2004. Т.124. №5. С. 429-442. Телитченко М.М., Остроумов С.А. Введение в проблемы биохимической экологии. М.: Наука,1990. 288 с.

ВВЕДЕНИЕ В БИОХИМИЧЕСКУЮ ЭКОЛОГИЮ ВОДНО-ПИЩЕВОГО РАЦИОНА ЧЕЛОВЕКА

Программа и концепция лекционного курса. Изд-е 2-е, исправленное

Предлагаемая программа нового курса или цикла лекций является оригинальной авторской разработкой на основе предыдущих публикаций автора по биохимической экологии и вопросам водно-пищевого рациона человека. Этот курс может рассматриваться как одна из глав экологии человека или биохимической экологии человека.

Наряду со материалами, которые автор собирал в течение ряда лет, работая в МГУ, использован также материал, который был собран им во время стажировки в США (Университет штата Джорджия и Агентство по охране окружающей среды США) в 2005 году. Первое издание программы опубликовано в работе (С. А. Остроумов. Экология и гидробиология. Программы учебных курсов. М.: МАКС-Пресс, 2005. 36 c.).

Курс состоит из частей:

1. Вводная часть. Приложение концепции экологических факторов к водно-пищевому рациону человека.

2. Вода как часть водно-пищевого рациона и как экологический фактор.

3. Биохимические и химические компоненты пищи как экологические факторы.

4. Организационные и информационные аспекты развития данной области знания. Источники получения новой информации.

Связь между познанием водно-пищевого рациона в экологии животных и познанием водно-пищевого рациона человека. Недостаточная изученность теоретических связей между экологической трофологией животных и водно-пищевого рациона человека, традиционно рассматриваемым в рамках human nutrition и диетологии. Использование концепции экологических факторов для анализа проблем водно-пищевого рациона человека. О возможностях и трудностях приложения концепции лимитирующих факторов Либиха к анализу экологических факторов, связанных с водно-пищевым рационом человека (Остроумов, 2004а).

2. Вода как часть водно-пищевого рациона и как экологический фактор (Остроумов, 2005). Потребности организма человека в воде. Цикл, который проходит вода от природной экосистемы до человека и затем опять до природной системы. Традиционные экологические проблемы, связанные с водоснабжением, водоподготовкой и водоочисткой. Проблемы загрязнения питьевой воды. Содержание в питьевой воде продуктов дезинфекции (disinfection by-products, DBPs). История обнаружения первых продуктов дезинфекции, хлороформа и других тригалометанов (ТГМ) (trihalomethanes, THM) в хлорированной питьевой воде (J.Rook, 1974). Выявление в питьевой воде более 500 органических веществ, в том числе галогенорганических веществ, обладающих токсичными, мутагенными, канцерогенными свойствами.

Отдельные классы продуктов дезинфекции. Хлорорганические вещества. Почти двукратное увеличение частоты спонтанных абортов у женщин, которые ежедневно пили 5 и более стаканов воды с повышенным содержанием ТГМ (Исследование S. Swan, K. Waller 1998, цит. по Richardson et al., 2002). Галонитрометаны (halonitromethanes) и их цитотоксическое и генотоксическое действие. Броморганические вещества. Бромированные дифенилэфиры (polybrominated diphenyl esthers, brominated flame retardants). Иодорганические вещества, их токсичность (Cemeli et al., 2006; Richardson, 2006).

Другие контаминанты питьевой воды. Вещества, воздействующие на гормональную систему человека (endocrine disruptors). Фармацевтические вещества как контаминанты. Фторсодержащие поверхностно-активные вещества. Оловоорганические соединения. Пестициды и продукты их трансформации. Метил терт-бутилэфир (methyl tert-butyl ether). Перхлорат. Мышьяк и другие загрязняющие вещества (Richardson, 2006). Загрязнение воды токсинами цианобактерий. Проблемы и способы снижения содержания контаминантов в воде.

3. Биохимические и химические компоненты пищи как экологические факторы.

3.1. Загрязняющие вещества в пище. Органические контаминанты.. Неорганические контаминанты. Важнейшие загрязняющие вещества (пестициды, тяжелые металлы, метилртуть и др. металорганические соединения, перхлорат и др.) и их неблагоприятное действие (мутагенез, карциногенез, нарушение гормональной системы, нарушение антиоксидантной защиты, ослабление иммунитета и др.) Проблемы и способы снижения содержания контаминантов в пище.

3.2. Витамины и витаминоподобные вещества в пище (Лифляндский и др., 1997; Морозкина, Мойсеенок, 2002; Остроумов, 2004а, 2005). Концепции DRI (dietary reference intake), EAR (estimated average requirement), RDA (recommended dietary allowances - рекомендуемые нормы потребления, РНП), AI (adequate intake), UL (tolerable upper intake level). Водорастворимые витамины. Жирорастворимые витамины. Витаминоподобные вещества. Проблемы доступности (bioavailability). Ненасыщенные жирные кислоты и роль гидробионтов как источников этих важных компонентов. Пищевые волокна. Другие биологически активные органические вещества природного происхождения, в том числе растительного происхождения (phytochemicals).

3.3. Минеральные компоненты пищи (Остроумов 2004а). Элементы, классифицируемые как электролиты (Na, K, хлорид) и как микроэлементы. Проблемы доступности (bioavailability). Компоненты пищи, степень необходимости которых изучена недостаточно.

3.4. Другие важные компоненты пищи (Остроумов 2004б). Холин, таурин, карнитин, мио-инозитол. Некоторые общие вопросы питания человека. Антиоксидантная роль компонентов пищи. Взаимодействие компонентов. Роль компонентов пищи для профилактики отклонений от здорового состояния. Биологически активные добавки к пище (БАД). Продукты растительного, животного, микробного происхождения и их синтетические аналоги, входящие в состав БАД.

3.5. Особенности водно-пищевого рациона для отдельных категорий. Особенности водно-пищевого рациона для различных поло-возрастных групп.

4. Организационные и информационные аспекты развития данной области знания. Источники получения новой информации.

Институты Россиив которых разрабатываются затронутые вопросы. Ин-т экологии человека. Агентство по охране окружающей среды США. Национальная академия наук США и издаваемые National Research Council и Institute of Medicine сборники по nutrition science. Включение вопросов экологии водно-пищевого рациона в тематику конференций по водной экологии (Водные организмы и экосистемы, Москва, МГУ, каф. гидробиологии, с 1999 г.).

Дальнейшие перспективы развития концепции биохимической экологии водно-пищевого рациона.

Благодарность. Благодарю С. МакКатчеона (Ун-т штата Джорджия и U.S. E.P.A.) и С. Ричардсон (U.S. E.P.A.) за помощь в получении информации, программу Contemporary Issues (IREX) за предоставление возможности для работы. Благодарю рецензентов – сотрудников каф. физиологии человека и животных МГУ, ф-та фундаментальн. медицины МГУ, Ин-та питания РАМН, Российского гос. мед. ун-та.

ЛИТЕРАТУРА приведена в: Остроумов С. А. От экологии к здоровью. Поиск рекомендаций на основе биохимической экологии человека. М.: МАКС Пресс. 2006. 32 c. Idem. Экология и гидробиология. Программы учебных курсов. М.: МАКС-Пресс, 2005. 36 c. Лифляндский В.Г., Закревский В.В., Андронова М.Н. Лечебные свойства пищевых продуктов. СПб.: Азбука-Терра. 1997. Т.1 336 с.; Т.2. 288 с. (авторы - сотрудники Петербургской госмедакадемии; в т.2 даны таблицы с содержанием витаминов в различных видах продуктов питания). Морозкина Т.С., Мойсеенок А.Г. Витамины. Минск: Асар. 2002. 112 с. Остроумов С.А. Введение в биохимическую экологию. М.: МГУ, 1986. 176 с. Idem. Водно-пищевой рацион и некоторые вопросы экологии человека и здорового образа жизни - от экологических знаний к практическим рекомендациям // Ecol. Stud. Haz. Sol. 2004а. 7: 79-83 [Качество воды как экологический фактор. Цифры о суточной потребности человека в витаминах А, B1, B2,B5, B6,B12, С, D, E, H, PP, фолатах, Fe, Zn, Se, Cu, Mn,Ca, Mg]. Idem. Экология и гидробиология. 11. Новая научная дисциплина, биохимическая экология человека. Некоторые концепции и приложения // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2004б. Т. 10. С. 126-129. [Цифры о суточной потребности человека в линолевой, линоленовой кислотах, инозите, карнитине, липоевой кислоте, холине; данные о профилактическом действии капсаицина, ликопина, куркумина и многих других веществ растительного происхождения]. Пилат Т.Л., Иванов А.А. Биологически активные добавки к пище (теория, производство, применение). М.: Авваллон. 2002. 710 с. Cemeli E., Wagner E., Anderson D., Richardson S., Plewa M. Modulation of the cytotoxicity and genotoxicity of the drinking water disinfection byproduct iodoacetic acid by suppressors of oxidative stress // Environ. Sci. Technol. 2006, 40, 1878-1883. DRI (Dietary Reference Intakes) for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zink. Institute of Medicine. Washington DC. National Academy Press. 2001. 773 p. DRI (Dietary Reference Intakes) for Calcium, Phosphorus, Magnesium, Vitamin D, and Fluoride. Institute of Medicine. Washington DC. National Academy Press. 1997. 432 p. EPA. The Occurrence of Disinfection By-Products (DBP) of Health Concern in Drinking Water: Results of Nationwide DBP Occurrence Study. EPA. Athens, GA. 2002. 460 p. Guidelines for Drinking-Water Quality. 2nd ed. Vol.1. Recommendations. World Health Organization. Geneva.1993. 188 p.Richardson S. New disinfection by-product issues: emerging DBPs and alternative routes of exposure // Global NEST Journal, 2005. Vol. 7, No.1, pp. 43-60. Richardson S. Environmental Mass Spectrometry: Emerging Contaminants and Current Issues // Anal. Chem. 2006, 78, 4021-4046.