Как отрицательное, так и положительное действие озона на живые клетки следует учитывать в среде обитания организмов. Угроза истощения озона в атмосфере и порой чрезмерное повышение его концентрации в приземном слое воздуха, выдвигает проблему соотношения жизни и содержания озона в атмосфере на одно из первых мест .В связи с большой опасностью для живых организмов высоких концентраций тропосферного озона индикация повреждений, им вызванных, представляет важную задачу.
Озон О3 - аллотропическое видоизменение кислорода. Этот газ тяжелее воздуха и постоянно образуется в атмосфере. В отличие от обычного двухатомного кислорода О2 воздуха озон включает три кислородных атома, и, вследствие этого обладает высокой окислительной способностью. Это - вещество с характерным запахом свежести, названное от греческого слова “озо” , что означает “пахну”. В сжиженной форме озон приобретает голубую окраску, поскольку имеет полосу поглощения в области 580-620 нм.
Озон возникает при диссоциации кислорода воздуха, который поступает в атмосферу при фотосинтезе растений. Под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца в начале образуется атомарный кислород О,который при соударении с молекулой молекулярного кислорода и в присутствии любой частицы воздуха дает озон:
Принципиально важно, что озон может образовываться в любых процессах, где возникает атомарный кислород. Источниками озона являются окислы азота, угарный газ и углеводороды, выделяемые растениями или антропогенными источниками – выбросами промышленности и автотранспортом. В цепи химических реакций под влиянием ультрафиолетовой радиации из этих соединений возникает атомарный кислород, из которого затем образуется озон. Появление техники, выделяющей ультрафиолетовую радиацию (компьютеры, копировальные аппараты и др.), также способствует образованию озона и внутри помещений.
Распределение озона в атмосфере неравномерно. Наибольшая плотность озона (число молекул в единице объема) наблюдается на высоте 24-26 км в тропиках и 18-20 км в полярной зоне. Общее содержание озона в атмосфере принято условно характеризовать слоем озона, приведенным к нормальным условиям (0o С, 1 атм). Это - так называемый озоновый слой. Принято считать, что он расположен в стратосфере на высоте примерно 20-25 км над поверхностью Земли.
Значение озонового слоя для биосферы наглядно видно из оптических свойств этого газа, если сравнить спектры поглощения озона и важнейших компонентов живых клеток – нуклеиновых кислот и белков. Озон имеет самую интенсивную полосу поглощения в области 200-300 нм. В этой же области спектра поглощают нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. Озон, содержащийся в верхних слоях атмосферы, целиком поглощает особенно губительные коротковолновые ультрафиолетовые лучи, препятствуя тем самым повреждению живых систем. Снижение концентрации озона в атмосфере в целом хотя бы на 10 % уже сказывается на живых организмах - снижается урожай растений, у животных и человека наблюдаются различного рода патологии, например нарушение легочной функции, увеличение хронических заболеваний легких, нервной и иммунной систем, рак кожи и сетчатки глаз. Заметные сдвиги под влиянием возросшего ультрафиолетового облучения могут наблюдаться и в состоянии целых экосистем, особенно наземной растительности и фитопланктона, а также осуществлении биогеохимических циклов.
Снижение содержания озона в стратосфере связано с различными химическими соединениями, проникающими в атмосферу в результате ядерных взрывов, космических полетов и полетов сверхзвуковой авиации, применением хлор- и фторорганических аэрозолей и удобрений в сельском хозяйстве, холодильном производстве и др. Под влиянием ультрафиолетовой радиации все они катализируют распад озона.
Проблема образования “озоновых дыр” (больших участков атмосферы, со сниженным содержанием или почти полностью лишенных озона) особенно актуальна для человечества , поскольку за последние двадцать лет наблюдалось заметное снижение концентрации озона в некоторых районах Земли, особенно Антарктиды и Арктики. Местами даже над Восточной Сибирью площадь “озоновых дыр” составляла несколько тысяч квадратных километров, а концентрация озона а таких участках атмосферы снижалась на 40 %.
Озоновый слой имеет значение не только как экран биосферы от повреждения жестким ультрафиолетовым излучением, но и определяет термический режим атмосферы. В инфракрасной области спектра у озона есть еще важная полоса поглощения с максимумом 960 нм. Благодаря этому, О3 поглощает выделяемую Землей энергию инфракрасного диапазона (тепловую), не дает ей рассеяться в Космосе, и, тем самым задерживает тепло в атмосфере нашей Планеты.
Если в верхнем слое атмосферы (в стратосфере) концентрация озона имеет тенденцию к снижению, то в нижних районах атмосферы (в тропосфере), напротив, к увеличению. Обычно концентрация озона в приземных слоях тропосферы невелика - до 2,1-21 мкг /м 3 (0,001-0,01 мкл /л). Но она резко возрастает при грозе и, в еще большей мере, при загрязнении воздуха. Запах озона ощущается примерно в его концентрациях 21 мкг/м 3 (0,01 мкл/л), а превышение этой концентрации в 10 раз есть предел безопасности для живых организмов. Обычно экологи называют ее предельно допустимой концентрацией. Выше нее состояние атмосферы характеризуют уже определенным уровенем загрязнения, когда озон становится опасным токсикантом. В тропосфере озон является компонентом “фотохимического смога”, который представляет собой туман, ставший более тяжелым и более темным благодаря промышленным выбросам, продуктам сжигания угля и нефти. Впервые описанный в ЛосАнжелосе ,такой смог наблюдается во многих городах Мира. Под влиянием высоких 1-10 мкл/л концентраций озона в легких многих млекопитающих и Человека наблюдаются заметные воспалительные реакции, а у ряда чувствительных растений, которые служат индикаторами озонового загрязнения, видны характерные признаки повреждения в виде белых или цветных пятен. На уровне целого организма озоновые повреждения при высоких концентрациях О3 вначале обнаруживаются по резкому снижению активности фотосинтеза (у растений и фотосинтезирующих организмов), а затем дыхания у всех живых существ. Особенно наглядны эффекты на растениях при хроническом воздействии озоном, поскольку обнаруживаются выцветание пигментов и некротические пятна.
Среди проблем, связанных с озоном особенно важна ранняя диагностика вызванных им нарушений, чтобы принять защитные меры. Ведется и поиск организмов – индикаторов озонового загрязнения в природе.
Однако имеются все предпосылки для практического использования искусственного воздействия озоном, например в санитарных или лечебных целях. Следует учитывать, что у разных царств живых организмов проявляется разная чувствительность к озону. Даже при небольших дозах озона может наступать гибель микроорганизмов, что широко используется в санитарии и пищевой промышленности, для обеззараживания воды и др. Причем при определенных дозах гибнут возбудители опасных инфекций, например таких как сальмонелла. Иногда даже улучшается состояние ВИЧ-инфицированных пациентов, по-видимому за счет воздействия на возбудителей вторичного бактериального заражения. Окислительный эффект озона может быть так велик, что озонированная вода уже применяется как пестицид в сельском хозяйстве для уничтожения паразитов. У животных обнаружена стимуляция иммунитета при воздействии низкими дозами озона, и угнетение легочной функции в высоких его дозах. Причем наиболее чувствительны в этом отношении млекопитающие, а низкоорганизованные животные менее изучены – это поле деятельности в будущем.
Что же касается растений, то их реакции наиболее разнообразны по сравнению с другими царствами – от стимуляции роста и развития низкими дозами озона до повреждения и опада листьев, усыхания лесов и общего нарушения фитоценозов при хронических воздействиях озона в урбанизированных районах. Особенно чувствительны хвойные растения. Это тем более опасно, поскольку источниками озона на Земле является окисление кислородом воздуха монотерпенов лесных растений, в основном, хвойных пород.
Глобальные эффекты озона связаны, в первую очередь, с экранирующей ролью озона для всей биосферы. В результате нарушения озонового экрана и появления “озоновых дыр” происходит усиление ультрафиолетовой радиации. Это ведет, прежде всего, к исчезновению организмов, неустойчивых к ультрафиолетовому излучению, и вследствие этого, происходит нарушение биоразнообразия фауны и флоры. В перспективе, возможно, будет расти число заболеваний, обусловленных УФ –радиацией, таких как рак кожи, катаракта и др. Глобальные последствия действия озона в тропосфере приведут к снижению урожая (а это жизненно необходимые продукты питания и одежда), отмиранию лесов, будут прелюдией кислых дождей, поскольку при больших концентрациях озона образуется много пероксидов с кислой реакцией, произойдет ускорение старения и возникнут многочисленные заболевания легких.
Локальные последствия действия озона приведут к увеличению числа легочных заболеваний в городах, вымиранию растений, неустойчивых к озону. В настоящее время 64 миллиона человек постоянно живут в районах с концентрацией озона весьма опасной для здоровья. Основные меры для предотвращения таких нарушений - не создавать крупные мегаполисы и снижать число выбросов автотранспорта и промышленности в атмосферу.
Литература
1.Рощина В.В. Озон и живые организмы. Наука в России, 2005, N2 , C. 60-63.
2.Учебное пособие
Рощина В.В. (2009) Озон и живая клетка. (Учебное пособие к спецкурсу). Электронное изд-во “Аналитическая микроскопия”. Пущино, 94 с. (каталог образовательных Интернет-ресурсов http://window.edu.ru/window/library?p_rid=62294, http://cam.psn.ru/view.asp?p=bk&key=10 )
3.Roshchina V.V. , Roshchina V.D. Ozone and Plant Cell. 2003. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2003, 240 pp.