20. Környezetbiofizika Növekedési modellek Egy populáció növekedését legegyszerűbben így lehet leírni: xt+1=a xt , ahol xt megadja a populáció méretét a t időpontban, a pedig a növekedési faktor. Ez a differenciálegyenlet exponenciális növekedési modellt ad, ami pl. a következő esetekben alkalmazható: sejttenyészet nevelése optimális körülmények között, új faj megjelenése egy szigeten, ahol nagyon sok élelem van, és nincs ragadozó. A természetben azonban általában az exponenciális növekedés helyett egyensúly figyelhető meg: egy faj egyedszáma nagyjából állandó, annak ellenére, hogy egyedek folyamatosan pusztulnak el és születnek. Ha figyelembe vesszük azt, hogy a környezet eltartóképessége véges (jelölje K azt az egyedszámot, amit még el tud tartani), akkor a modell így módosul: xt+1=a xt (K-xt)/K, ahol az új faktor azt fejezi ki, hogy ha a populáció mérete közeledik a felső határhoz, akkor a növekedés lassul, sőt, ha túllépi, akkor csökkenni fog.
Az ábrázolt első példa (szigmoid görbe) sok esetben közel áll a valósághoz, a többi (néhány stabil érték között ugráló és káosz) inkább a modell matematikai érdekessége, bár hasonlóak előfordulhatnak a természetben is. A legtöbb esetben azonban ennél az egyszerű két paraméternél sokkal több faktor befolyásolja a populáció méretét, ráadásul általában K is időben változik. Érdemes megemlíteni még azt a kiterjesztést, amikor K úgy változik időben, hogy csökken, ha a populáció mérete megközelíti (tehát a túl sok egyed megeszi az összes táplálékot, így az
eltartóképesség csökken). Használható még az a modell, amikor a következő populáció méretét nemcsak az előző ciklus befolyásolja, hanem az annál korábbiak is, valamint lehet egy területen élő, egymással versengő populációval számolni: a növekedési ütemet nemcsak a környezet eltartóképessége, hanem a másik faj egyedeinek száma is korlátozza. Figyelembe lehet még venni a ragadozó jelenlétét is: a ragadozó faj egyedeinek számának megfelelően minden ciklusban elpusztít valamennyit a másik populcióból. Ha az áldozat egyedeinek száma csökken, akkor ez visszahat a ragadozóra is. Bolygók hőmérséklete A légkör nélküli bolygók hőmérsékletét alapvetően a Napból érkező sugárzás határozza meg:
(1 − a )πR 2 I = 4πR 2 σT04 ,
ami azt fejezi ki, hogy a Napból érkező I felületegységenkénti teljesítmény a hányadát (albedo) a bolygó felszíne visszaveri, így annak csak 1-a hányada melegít. Ezzel tart egyensúlyt a felmelegített kőzet (infravörös) sugárzása, ami a felszíni T0 hőmérséklet negyedik hatványával arányos (Stefan-Boltzmann). Ha a bolygónak van légköre, akkor a meleg kőzet az előző energiamennyiségnek csak egy részét (b) sugározza ki (üvegházhatás):
(1 − a )πR 2 I = b ⋅ 4πR 2σT 4
A Földre jellemző állandók: I=1,4 kW/m2, a=30% , b=80%, így a ,,meztelen” bolygó átlaghőmérséklete: T0= -18 °C, valójában T=15 °C a légkörben található poláros, infravörösben erősen elnyelő H2O, CO2, CH4, N2O, CCl2F2 gázok miatt. Korábban a Földet érő napsugárzás intenzitása lényegesen alacsonyabb volt (a Nap hidrogéntratalmának csökkenésével egyre fényesebb lesz), mégis a víznek már 3,5 milliárd évvel ezelőtt is folyékonynak kellett lennie, különben nem alakulhatott volna ki az élet. Az ellentmondást úgy lehet feloldani, hogy figyelembe vesszük azt, hogy a légkör üvegházgázainak aránya nem volt állandó. Ez úgy képzelhető el, hogy kezdetben az erős vulkanikus tevékenység miatt a légkör sok CO2-t tartalmazott. Ez az idők folyamán lassan megkötődött: 2CO2 + 2H2O → 2H2CO3 (feloldódik a vízben) CaSiO3 (bazalt) + 2H2CO3 → CaH2(CO3) 2 (óceánba kerül) CaH2(CO3) 2 → CaCO3 (mészkő, leülepedik) + CO2 + H2O H2SiO3 → SiO2 (homok) + H2O Így azonban a bolygó légköréből előbb-utóbb eltűnne a CO2, és kihűlne. A Földön azonban van egy másik effektus is: a leülepedő mészkő (CaCO3) mélyebb rétegekbe kerülve a Föld belseljének radioaktivitása miatt felmelegszik és újra CO2 szabadul fel. CaCO3 → CaO + CO2, CaO + SiO2 → CaSiO3 (bazalt) A CO2 vulkánkitörések alkalmával kerül a légkörbe. Tehát tulajdonképpen egy körforgásról van szó: a CO2 egy része vagy a levegőben van, vagy mészkő formájában a kőzetben megkötve. A körforgást a radioaktivitás által hajtott lemeztektonikai tevékenység tartja életben: mindig újabb bazaltrétegeket hoz felszínre. A szabályozás a következőképpen történhet: ha melegebb van, a kémiai reakciók gyorsabban folynak le, a CO2 gyorsabban kötődik meg. Ha hidegebb van, több CO2 marad a levegőben így melegszik a klíma. Ez a rendszer azonban nem elegendő ahhoz, hogy a hőmérséklet ennyi időn keresztül állandó maradjon. A szabályozásban sokkal fontosabb szerepe van a bioszféranak. Ha több a CO2 a levegőben, akkor több növény és kevesebb állat lesz a Földön, így a növények végeredményben csökkentik a CO2-ot. Ha kevés a CO2, akkor az állatok kerülnek túlsúlyba, így nő a légkör CO2 tartalma. Ezt erősíti egy további hatás: az ,,élő” termőföldnek sokkal
2
nagyobb a felszíne, mint a sima kőnek, így a CaSiO3 feloldása itt sokkal gyorsabb lehet. Ezen kívül a talajban folyó intenzív lebontó folyamatok miatt a CO2 lokális koncentrációja itt magasabb, mint a levegőben, tehát összességében a fent leírt szabályozó mechanizmus is sokkal hatásosabb lehet. A bolygó hőmérsékletét még egy folyamat is szabályozhatja: az óceán és a Golf-áramlat hatása. Az óceán felső kb. 1 km-es rétegét süti a Nap, fényes, élettel teli és sok CO2 van benne. Az alatta levő réteg sötét, élettelen és CO2-szegény. A vulkanikus tevékenység és az ember által kibocsátott CO2-mennyiség nagyjából fele az óceánoknak ebben a felső rétegében nyelődik el. Az elnyelés intenzitását nagyban befolyásolja az, hogy ez a telített felső réteg milyen gyorsan süllyed le az alsóba. Ennek az áramlásnak az egyik legjobb példája a Golfáramlat. A Golf-áramlat kb. 1 km3/perc vizet szállít, ami nagyjából 10-szerese a Föld összes folyójának szállítási kapacitásának. A Mexikói-öbölből indul északkelet (Norvégia) felé. A sarki vizeknél jóval melegebb víz gyorsabban párolog, így nő a sókoncentrációja és a sűrűsége, ezáltal elkezd süllyedni, és magával viszi a CO2-t is a mélybe. Az áramlás fenntartásához a Mexikói-öbölben CO2-szegény víz áramlik fel a mélyből. Tehát a Golfáramlat egy pumpa, ami CO2-ot szállít a mélybe és amit a Mexikó és Norvégia közötti hőmérséklet-különbség hajt. Ha a légkör hőmérséklete csökken, akkor elsősorban a pólusoknál lesz hidegebb, az egyenlítő környékének hőmérséklete alig változik. Ezért hidegebb korokban a Golf-áramlat hatékonyabb, tehát több CO2-ot von ki a légkörből, tovább csökkentve az üvegházhatást, ami tovább csökkenti a hőmérsékletet. (Ez okozhatta a jégkorszakokat.) A pozitív visszacsatolás fordítva is működik, ha melegebb van, kisebb a hőmérsékletkülönbség, gyengébb az áramlat, a légkörben több CO2 marad, erősebb az üvegházhatás, melegszik a klíma, stb. Meg kell még említeni, hogy a az óceáni áramlások nem stabil képződmények, elképzelhető, hogy a klíma melegedésével egyszercsak leáll, és nem is indul újra többé. Az ipari forradalom óta az elégetett fosszilis tüzelőanyagok miatt a Föld légkörének CO2 tartalma 0,28 ‰-ről 0,35 ‰-re nőtt, ez kb. 1 °C hőmérséklet-emelkedést okozott, emiatt a tengerek szintje 1 m-t emelkedett. Ha figyelembe vesszük a mai tüzelőanyagfogyasztást és annak növekedését, akkor kiderül, hogy az elkövetkező 100 évben a CO2 tartalom 1 ‰-re nő, ami 10-15 °C hőmérsékletemelkedést, és akkora tengerszintemelkedést okoz, hogy a mai termőterületek legalább 25 %-a víz alá kerül és 1 milliárd embernek kell elhagynia otthonát. Ha figyelembe vesszük a Golf-áramlat hatásának csökkenését is, az eredmény még ennél is rosszabb lesz. Savas eső A légköri CO2 tartalom nemcsak az üvegházhatást, hanem az eső pH értékét is befolyásolja. A pH értékre további gázok is hatással vannak: pl. a SO2 és a NOX is, ezek mind a fosszilis üzemanyagok elégetéséből származnak. A légköri CO2 a következőképpen tart egyensúlyt az esőben oldott hidrogénkarbonáttal: CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO30,3 ‰ CO2 mellett ez az egyensúly úgy áll be, hogy az esővíz pH értéke 5,6 lesz. Az ennél savasabb esőt már savas esőnek szokás nevezni. Míg a CO2 szintemelkedéséből származó üvegházhatás-növekedés globális klímaváltozáshoz vezet, addig a pH érték csökkenés lokális jelenség, az ipari környezetek közelében jelentkezik (nagyvárosok közelében elérheti a 3,5-3,0 értéket is). A savas eső elsősorban erősebben oxidáló (korrodáló) és a felszíni vizeket elsavasító hatása miatt káros. Ezek azután további károkat okoznak: a vizekben több oldott fémion lesz, egyes növények, állatok tűréshatárába már nem fér bele a megváltozott pH érték; valamint számottevő az emberi alkotások (pl. épületek) rongálódása is. 3
A fejlett országokban az utóbbi évtizedekben szerencsére csökkent a SO2 kibocsátása (füstgáz-tisztító rendszerek), azonban a CO2 és NOX kibocsátás tovább növekszik. UV-sugárzás, ózonlyuk A Földet a Napból nemcsak a látható tartományban, hanem az ezalatti és efölötti hullámhossztartományban is éri elektromágneses sugárzás. A légkör a látható tartományban a legátlátszóbb, infravörösben és ultraibolyában jelentősen elnyel. Az UV-ben történő elnyelésért túlnyomórészt az ózon (O3) felelős, ami a nagyenergiájú fotonok hatására képződik oxigénből (O2) miközben a fotont elnyeli. Az ózon instabil, rövid idő alatt elbomlik, majd a sugárzás hatására újraképződik. Ózont a magas hőmérsékleten történő égés is termel (pl. belsőégésű motorok), ez nagymértékben oxidáló és ezért itt, a felszín közelében káros anyag. A légköri ózon 85%-a 10 km feletti magasságokban található. Az UV-fényt 3 hullámhossz-sávra szokás osztani: UV-A (320-400 nm), UV-B (280320 nm), UV-C (180-280 nm). Ezekből az UV-B-t nyeli el az ózon, az UV-C még az ionoszférában ionizál és elnyelődik, az UV-A pedig nagyrészt eléri a Föld felszínét. Mivel normálisan a bioszférát érő UV-B és UV-C sugárzás minimális szintű, az élőlények csak kismértékben vannak felkészülve az ellenük való védekezésre. Az ember által termelt és a légkörbe juttatott freon (CF2Cl2), valamint más, halogéntartalmú (F, Cl, Br) vegyületek a felső légrétegekbe kerülve, ott felbomolva nagyon erősen képesek az ózont bontani, és ezzel lehetővé teszik, hogy az UV-B sugárzás elérje a Föld felszínét. Mivel ezek a vegyületek (összefoglaló néven CFC: chlorofluorocarbons) rendkívül stabilak, hosszú idő alatt képesek feljutni a felső légkörbe. Éppen ha hirtelen leállítanánk ezen vegyületek légkörbe jutattását, a probléma akkor sem oldódna meg, a hatás legalább 10 évig még megmaradna. A Földön az Antarktisz fölött van a leghidegebb, ezért itt képződik a legkevesebb ózon. Ráadásul itt sok jégkristály is van a levegőben, amire a CFC molekulák ki tudnak tapadni, és így nagyobb effektív felületen mehet végbe az ózon bontása. Ezért az ózonréteg elvékonyodását először az Antarktisz fölött fedezték fel (1985-ben), azóta az Északi-sark fölött is jelentősen csökkent. Az UV-B sugárzás káros biológiai hatásai közé szokták sorolni emberi betegségek közül a bőrrákot, hályogot, valamint a megfigyelhető még a bőrben termelt immunanyagok mennyiségének csökkenése is. Hasonló betegségek előfordulási gyakoriságának növekedését figyelték meg Chile déli részén (az ,,ózónlyuk” közelében) juhok, kecskék és nyulak esetében is. Az erős UV-B sugárzás a növények egy részére is káros, és képes a tengeri plankton mennyiségét is számottevően csökkenteni, ami viszont a teljes tengeri táplálékláncra hatással lehet. A káros biológiai hatásokért a DNS sérülése felelős: a pirimidin bázisokból dimérek képződnek, amik meggátolják a szekvencia leolvasását és a replikációt.
4
D vitam in képzõdés növekedésgátlás Földetérõ spektrum
230
250
270
290
310
330
350
370
hullám hosz [nm ]
Az UV „jótékony hatása”, hogy az ember bőrében a D-vitamin előanyagából D-vitamin képződik. (Csontnövekedéshez, kalciumbeépüléshez szükséges faktor.) A grafikon mesterséges körülmények között vizsgált D-vitamin képződés spektrális hatékonyságát mutatja. A másik görbe sejttenyészeteken végzett kísérletek alapján készült: milyen hullámhosszú sugárzás mennyire gátolja a sejtek szaporodását, növekedését. A harmadik görbe a Föld felszínét érő sugárzás (normál ózonréteg mellett) spektrális eloszlását ábrázolja. A kapott UV dózis jellemzésére szokás használni az effektív dózist: E eff = ∫ E λ S λ dλ , ahol Eλ a spektrális energiaeloszlás Sλ a hullámhossz – relatív érzékenység függvény. Az egészségügyi határérték 3 mJ/cm2/nap = 1 Exposure Limit (EL), az évi határérték 50 EL. UV besugárzás biológiai hatásának mérésére használható pl. a kaukázusi fehérember bőrtípusú ember bőrének besugárzásának hatására kialakuló bőrpír. Ábrázolni az akció– spektrumot szokták: annak a fizikai dózisnak a reciproka, ami 14 órával a besugárzás után bőrpírt okoz. A kapott görbéből számítható az effektív dózis, ebből pedig az S(λ) függvény. kísérletiérzékenység uracilérzékenység
180
230
280
330
380
430
480
hullám hosz [nm ]
Összehasonlításhoz a kísérleti érzékenység mellett uracil vékonyréteg spektrális érzékenysége (dimerképződésre) látható. Ezzel nagyjából együtt fut a DNS érzékenysége. Mint látható, alacsonyabb hullámhosszoknál már relatíve kevésbé érzékeny a bőr, ez a külső, elhalt hámréteg elnyelésével hozható összefüggésbe. „Humánusabb” kísérleti módszer, illetve jó biológiai doziméter az, amikor bakteriofágokat sugároznak be. Bizonyos fágoknak olyan sűrűn van kódolva a genomjuk, hogy egyetlen bázis sérülése is látható elváltozást vagy működésképtelenséget okoz. Ezért egyszerű detektálni a legkisebb sérülést is: nagyon jó az érzékenység.
5
Természetes radioaktivitás A Naprendszer egy szupernóva-robbanásból visszamaradt anyagokból keletkezett. A robbanásban létrejött a periódusos rendszer összes eleme, köztük a rendkívül instabil nehéz elemek is (pl. Plutónium), amelyeket ma már csak mesterségesen tudunk előállítani, mert már mind elbomlottak. A spontán bomló, azaz radioaktív elemek közül azonban soknak olyan hosszú a felezési ideje, hogy még ma is rengeteg fordul elő belőlük a természetben. Az élőlények a külső káros hatások ellen általában úgy védekeznek, hogy az okozott sérülést valamilyen módszerrel kijavítják. Ez így van a radioaktív elemek által kibocsátott ionizáló sugárzással is: az alfa-, béta- vagy gamma-részecskék az élőlény sejtjeibe jutva ionizálnak, ezek az ionok a vizes környezetben oxigén-szabadgyököket hoznak létre. Ezek a reaktív gyökök zavarják a rendszer normális biokémiai folyamatait, valamint rongálják a sejt DNS-állományát. Az észlelt hibákat a rendszer igyekszik javítani; normális körülmények között a DNS-ben nagyon ritkán marad hiba. (Ha mégis marad hiba, amit nem tud javítani, akkor sokszor apoptózis következik be: a hibás sejt elpusztítja önmagát.) Ha egy sejtet vagy élőlényt nagyobb intenzitású sugárzás ér annál, mint amire a javító apparátus ,,fel van készülve", akkor több eset lehetséges: a sejt észleli a változást (pl. a megváltozott biokémiai folyamatokon keresztül), és növeli a javítókapacitást (pl. több enzimet termel) vagy a hatékonyságot fokozza. Előfordulhat az is, hogy a DNS-ben hiba marad, amit a rendszer nem tud javítani, de a sejt mégsem pusztul el, mert az a régió (is) sérült, amelyik az apoptózisért felelős. Ez vezethet pl. oda, hogy egy sejt rákos burjánzásnak indul. Van olyan elmélet is (sok bizonyítékkal), ami szerint a túl alacsony intenzitású sugárzás sem előnyös. A sejtek normális működése közben rengeteg szabadgyök képződik úgy is, ha az ionizáló sugárzást nem nézzük. Ezért elképzelhető, hogy egy bizonyos szintű sugárzást még könnyen elvisel az élő anyag, ráadásul ez működésben tartja a védekező-javító folyamatokat, amik a sugárzás nélkül csak alcsonyabb intenzitással működnének.
Az ember sugárterhelésének legnagyobb része a radontól és ennek radioaktív leányelemeitől származik. A radon - nemesgáz lévén - könnyen bejut a tüdőbe, ahol az alfasugárzás képes kárt tenni a tüdő hámsejtjeiben. (Kívülről az alfa hatástalan: a bőr elhalt rétegén nem jut túl.) A béta- és gamma-sugárzás kívülről is képes kárt tenni. A radioaktivitás emberre gyakorolt hatása nagyrészt két forrásból ismert: a II. Világháború végén ledobott 2 atomboba túlélőinek vizsgálatából és uránbányában (sok radon a levegőben), valamint más, magas sugárzású helyen dolgozó emberek között végzett kutatásokból. Az első forrás adataiból - többek közt - megállapították, hogy az igen nagy intenzitású sugárzás azonnal tüneteket okoz (bőrpír, fekély). Kisebb dózisnál csak később és sztochasztikusan jelentkeznek hatások, de még ezekre is megállapítható egy egyszerű modell, hogy minél nagyobb dózisú sugárzás érte az embert, annál nagyobb valószínűséggel betegszik meg valamilyen rákban. Az uránbányászok közötti kutatásokból hasonló dolgok derülnek ki:
6
minél több időt tölt a bányában a munkás (minél nagyobb dózist kap), annál valószínűbb, hogy tüdőrákja lesz. Ezeket az eredményeket azonban óvatosan kell az alacsony (természetes) dózisokra extrapolálni: amíg egy uránbányász tüdejében egy év alatt több hámsejtet is érhet 2 olyan találat, amikor az alfa-részecske a sejtmagon megy át (ez a legmutagénebb sérülés), addig ez egy átlagembernél csak elhanyagolható valószínűséggel fordul elő (a legtöbb hámsejtet egyetlen részecske sem találja el). A kutatási adatok is azt mutatják, hogy ebben a természetes tartományban másképp alakul a dózis-rákkockázat összefüggés. (A kutatást nehezíti, és sokszor ellentmondó eredményekhez vezet az, hogy ebben a tartományban kevés az egyértelműen a sugárzásnak tulajdonítható megbetegedés, valamint az, hogy ezzel a hatással rengeteg más hatás hat kölcsön: pl. dohányzás, táplálkozás.)
7
