Учебные дисциплины

Экологическая биофизика

Погосян С.И.

Программа

Лекция 1. Экологическая биофизика в ряду экологических дисциплин. Адаптация, устойчивость и надежность биологических систем. Молекулярные механизмы адаптации живых организмов к экстремальным факторам внешней среды. Основные принципы и стратегии адаптации. Адаптация белков к изменениям температуры. Регуляция вязкости мембранных липидов. Энергетическая стоимость физиологических процессов. Сопоставление затрат энергии организмом в данных условиях среды с энергетическим ресурсом адаптации организма как количественная мера качества среды. Стресс как генетически обусловленный неспецифический синдром адаптации, приводящий к повышению устойчивости организма. Стресс и дистресс. Границы толерантности организма. Белки теплового шока, убиквитин. Мембраны как первый барьер для действия стрессовых факторов.

Лекция 2. Разнообразие ответных реакций индивидуумов в клеточных ансамблях и популяциях. Причины неоднородности биологических объектов. Генетическая и эпигенентическая гетерогенность. Диссоциации. Функциональная неоднородность клеток. Собственные ритмы активности и их влияние на функциональную неоднородность клеток Центральная предельная теорема. Структура клеточной популяции как отражение ее функционального состояния. Примеры. Связь функциональной структуры популяции с динамикой численности одноклеточных водорослей. Связь функциональной структуры популяции одноклеточных водорослей с дефицитом биогенов или присутствием токсических веществ. Влияние фотоокислительного повреждения на неоднородность клеток водорослей в популяции.

Лекция 3. Изменения параметров флуоресценции хлорофилла у двух видов водорослей при их совместном культивировании. Оценка состояния популяции и прогнозирование динамики численности природных популяций водорослей на основе неоднородности клеток. Повышение функциональной неоднородности объектов как показатель неблагоприятных условий среды обитания популяции. Задачи типизации особей в популяциях. Критерии применимости кластерного анализа для типизации особей в популяциях. Алгоритм многомерного кластерного анализа. Примеры применения типизации особей в природных популяциях.

Лекция 4. Фоновые воздействия. Трудности оценки воздействия сверхмалых доз биологически активных веществ и физических факторов на биосферу. Действие на организм сверхмалых доз биологически активных веществ. Аллелопатия. Предполагаемые механизмы действия сверхмалых доз биологически активных веществ. Действие электромагнитных полей на биологические системы. Затухание электромагнитных полей в биологических тканях. «Проблема kТ». Циклотронная частота иона. 11- летний цикл солнечной активности, число Вольфа. Спектр излучений и характеристики потоков частиц, испускаемых солнцем. Влияние солнечной активности и магнитного поля Земли на биологические системы. Атмосферное электричество. Физиологическое действие аэроионов. О дискретных состояниях в распределениях.

Лекция 5. Оптическое излучение Солнца. Поток излучения, интенсивность света, доза излучения. Характеристики отдельных участков оптического спектра. Свойства электронно-возбужденных состояний. Биологические эффекты действия оптического излучения. Фотохимическая чувствительность нуклеиновых кислот и белков. Спектр действия эритемы и загара. Иммуносупрессия, фотоалергические реакции. Природные и синтетические фотодинамические красители. Восприятие света человеком и животными. Относительная спектральная чувствительность глаза человека. Фотопериодизм. Гормон – мелатонин. Биологические часы. Фоторегуляция роста растений. Фотодвижение клеток водорослей. Биологические эффекты действия монохроматических излучений.

Лекция 6. Активные формы кислорода (АФК). Физико-химические свойства АФК. Повреждение ДНК с участием АФК. Повреждение белков с участием АФК. Перекисное окисление липидов. Продукты перекисного окисления липидов: перекиси липидов, малоновый диальдегид, шиффовы основания («пигменты старения». Оценка степени окислительного повреждения организма по накоплению продуктов перекисного окисления липидов. Хемилюминесценция как показатель интенсивности реакций с участием АФК. Защита организма от окислительного повреждения. Концентрация кислорода в клетке. Супероксиддисмутазы, каталаза, пероксидазы и глутатионпероксидаза. Антиоксиданты (?-токоферол, фенольные соединения, меланины). 

Лекция 7. Псевдоциклический электронный транспорт. Окислительное повреждение фотосинтетического аппарата растительных организмов. Перекисное окисление липидов субклеточных структур растений. Перекисное окисление липидов при действии гербицидов и старении растений. Роль АФК в реакциях иммунитета. Генерация АФК в целях защиты от инфекций фагоцитирующими клетками человека и животных. Иммунитет растений, элиситоры, реакции сверхчувствительности. Защита организма от ксенобиотиков и система цитохромов Р450. Изоформы цитохромов Р450. Дезактивация и детоксикация токсических веществ. Видовая специфичность активности монооксигеназ. Индукция активности системы цитохромов Р450.

Лекция 8. Экология фотосинтеза. Фотосинтез - энергетическая основа жизни на Земле. Особенности фотосинтеза в водных и наземных экосистемах. Олиготрофные, мезотрофные и эвтрофные зоны Мирового Океана. Распределение фитопланктона в толще воды. Ослабление интенсивности и изменения спектрального состава света под водой. Зависимость эффективности фотосинтеза от интенсивности света. Первичная продукция водных экосистем. Состав и организация фотосинтетических пигментов (хлорофиллы, бактериохлорофиллы, бактериородопсин, каротиноиды, фикобилины). Спектры поглощения главных групп пигментов, ассоциированных в фотосинтетический аппарат. Размеры антенного комплекса и его пигментный состав. Роль каротиноидов в составе фотосинтетического аппарата. Деградация фотосинтетических пигментов растительных организмов. Фотозащитные пигменты растительных организмов.

Лекция 9. Общая характеристика первичных процессов фотосинтеза. Разделение зарядов в РЦ P700 и P680. Цепь электронных переносчиков фотосинтетического аппарата. Регуляция первичных процессов фотосинтеза. «Быстрая» и «медленная» регуляция состояния фотосинтетического аппарата растений. Окислительное повреждение фотосинтетического аппарата. Диссипация энергии света как механизм защиты растений. Методы определения состояния фотосинтетического аппарата. Абсорбционные методы. Флуоресценция хлорофилла фотосинтетического аппарата. Кривая индукции флуоресценции хлорофилла. Определение эффективного сечение поглощения пигментов, приходящихся на один реакционный цент фотосистемы 2. Влияние оптической плотности образца на кинетику индукции флуоресценции хлорофилла. Длительное послесвечение хлорофилла фотосинтетического аппарата. Термохемилюминесценция растительных организмов. 

Лекция 10. Определение продукционных показателей фитопланктона по параметрам флуоресценции хлорофилла. Спектры возбуждения флуоресценции хлорофилла и первичная продукция. Лимитирование первичной продукции. Фотоингибирование и фотодеструкция. Определение функционального состояния ФСА высших растений по параметрам флуоресценции хлорофилла. Примеры определения состояния природного фитопланктона по параметрам флуоресценции хлорофилла. Вклад отдельных видов водорослей в общее содержание фотосинтетических пигментов и продукцию фитопланктонного сообщества. Пример оценки физиологического состояния древесных растений по характеристикам флуоресценции хлорофилла коры однолетних побегов.

Лекция 11. Аппаратура для определения состояния ФСА растительных объектов по показателям флуоресценции хлорофилла. Различные способы (протоколы) измерения параметров флуоресценции хлорофилла. Лабораторные и бортовые приборы для измерения параметров флуоресценции хлорофилла различных объектов. Проточные флуориметры, зонды-флуориметры и автономные автоматические станции для мониторинга состояния фитопланктона в выбранной акватории. Аппаратура для микрофлуорометрического анализа параметров флуоресценции хлорофилла отдельных клеток. Перспективы использования флуоресцентных методов в экологическом мониторинге. Многоуровневая система экологического мониторинга прибрежных акваторий. Контактные и дистанционные методы. Космическое зондирование.

Лекция 12. Оптические свойства листьев высших растений in situ. Соотношение отраженного, проходящего и поглощенного света биологическим объектом. Корректированные на рассеяние спектры поглощения. Спектры отражения и поглощения ряда объектов. Экранирование видимого и УФ излучения как фотозащитный механизм растений. Микоспорин-подобные аминокислоты, меланины, беталаины, каротиноиды, фенольные соединения. Спектры поглощения некоторых каротиноидов, флавоноидов и фенольных кислот. Оптические свойства одноклеточных водорослей и фитопланктона природных вод, эффекты «упаковки». Абсорбционные методы для оценки пигментов природного фитопланктона и растворенного в воде органического вещества, примеры. 

Лекция 13. Проблема оценки состояния среды обитания. Проблема оценки состояния водной среды. Антропогенные и «природные загрязнения» загрязнения среды. Климатические и антропогенные изменения среды. Критерии оценки состояния среды обитания. Предельно допустимые концентрации, биотестирование и биоиндикация. Концепции «оценки риска» и «экологически допустимых нормативов». Методология биотестирования и биоиндикации. Современные методы битестирования и биоиндикации (биолюминесценция). Практическое использование биотестирования и биоиндикации для оценки качества среды и в системах биологического мониторинга. Перспективы развития методов биомониторинга.

Литература к курсу «Экологическая биофизика»

Статьи из Соросовского образовательного журнала

• Будников Г.К. «Диоксины и родственные соединения как экотоксиканты» №8, 1997
• Будников Г.К. «Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных экосистем» №5, 1998.
• Кулаева О.Н. «Белки теплового шока и устойчивость растений к стрессу» №2, 1997
• Кулинский В.И. «Активные формы кислорода и окислительная модификация макромолекул: польза, вред и защита»; «Обезвреживание ксенобиотиков» №1,1999
• Леменовский Д.А. «Соединения металлов в живой природе» №9, 1997
• Мерзляк М.Н. «Пигменты, оптика листа и состояние растений» №4, 1998
• Мерзляк М.Н. «Активированный кислород в жизнедеятельности растений» №9, 1999
• Потапенко А.Я. «Действие света на человека и животных» №10, 1986
• Рубин А.Б. «Биофизические методы в экологическом мониторинге» №4, 2000
• Скулачев В.П. «Кислород в живой клетке: добро и зло» №3, 1996
• Скулачев В.П. «Эволюция, митохондрии и кислород» №9, 1999
• Скулачев В.П. «Явление запрграммированной смерти. Митахондрии, клетки т органы: роль активных форм кислорода» №6, 2001. 
• Тихонов А.Н. «Молекулярные преобразователи энергии в живой клетке» N7, 1997. стр. 10 – 17.
• Улахович Н.А. «Комплексы металлов в живых организмах» №8, 1997.
• Уткин В.Н. «Радоновая проблема в экологии» №3, 2000.
• Чиркова Т.В. «Клеточные мембраны и устойчивость растений к стрессовым воздействиям» №9, 1997, с. 12-17); 
• Шноль С.Э. «Биологические часы» №7, 1996

• А.И.Арчаков, И.И.Карузина «Микросомальное окисление» Энциклопедия. Современное естествознание. М., Магистр-пресс. 2000 г. Т.8, с.261-267; 
• Г.А.Белякова, Ю.Т.Дьяков, К.Л.Тарасов «Ботаника» в 4 т. Т.2 –М., Издательский центр «Академия», 2006.- 320с.
• В.Н.Бинги, А.В.Савин «Физические проблемы действия слабых магнитных полей на биологические системы». Успехи физических наук, 2003. т.173, с.265-300.
• «Биологический контроль окружающей среды. Биоиндикация и биотестирование.» под ред. Мелеховой и Т.И., Сарапульцевой, М., «Академия», 2008. 288 стр. 
• Н. Г. Бухов Динамическая световая регуляция фотосинтеза. Физиология растений, Т. 51, N 6, 2004, стр. 825-837.
• Ю.А.Владимиров и др. «Свободные радикалы в живых системах»; Итоги науки и техники. Сер. Биофизика. 1991. Т.29.
• Ю.А.Владимиров, А.Я.Потапенко «Физико-химические основы фотобиологических процессов» М.;Дрофа, -285 с., 2006.
• Ю.А.Владимиров, Е.В.Проскурина «Лекции по медицинской биофизике», М.,Изд-во МГУ; ИКЦ «Академкнига», 2007. -432 с.
• Т.В.Веселова, В.А.Веселовский Д.С.Чернавский «Стресс у растений (Биофизический подход)». М. Изд-во Моск. ун-та. 1993. 144 с.
• Е.Г.Говорунова, К.-Х.джанг, О.А.Синещеков «Фототаксис зеленых водорослей: новый класс родопсиновых рецепторов», Биофизика, Т.49, вып.2, 2004, с.278-293.
• Н.И.Гольдштейн «Биофизические аспекты физиологического действия экзогенного О2-. на животных» автореферат диссертации на соискание степени доктора биологических наук. М. 2000, 57 стр.
• Н.И.Гольдштейн, Р.Н.Гольдштейн «Многоликий радикал, или новое в науке об аэроионах» Природа, 2009, №4, 28-35. 
• В.В.Добровольский «Основы биогеохимии» М. Издательский центр «Академия», 2003, 400 с.
• В.М.Захаров, Д.М.Кларк «Биотест» М.1993, 68 с.
• Ю.Н.Кауров, С.И.Погосян, А.С.Микоэлян, Б.Возняк, Р.Хаптер «Опыт применения метода регистрации термохемилюминесценции хлорофилла для оценки функционального состояния сообществ фитопланктона (по результатам 23-го рейса НИС «Витязь»)», Физиология растений, т.43, №4, 1996, с. 629-637. 
• С.В.Климов «Пути адаптации растений к низким температурам», Успехи современной биологии, 2001, том 121, № 1, с. 3-22.
• Р.Клинтон «Фотосинтез. Физические механизмы и химические модели», М., Мир, 1984.-350 с.
• А.А.Красновский мл. «Фотодинамическое действие и синглетный кислород», Биорфизика, 2004, том 49, вып.2, с.305-321.
• А.А.Красновский мл. «Фотодинамическая регуляция биологических процессов:первичные механизмы» Проблемы регуляции в биологических системах. Биофизические аспекты. Под ред. А.Б.Рубина. Ижевск. стр.223-254.
• Ю.Б.Кудряшов, Ю.Ф.Перов, А.Б.Рубин «Радиационная биофизика радиочастотоные и микроволновые электромагнитные излучения» М. Физматлит., 2007.
• Кукушкин А.К., Тихонов А.Н. Лекции по биофизике фотосинтеза (1988) М.: МГУ, 320с.
• Ю.И.Куклев «Физическая экология», М., «Высшая школа», 2001. - 357 с.
• А.П.Левич, Н.Г.Булгаков, Е.А.Забурдаева, В.Н.Максимов, С.В.Мамихин «Лабораторные методы определения ПДК следует дополнить методами установления экологически допустимых норативов вредных воздействий по данным экологического мониторинга»
• Н.П. Масюк, Ю.И. Посудин, Г.Г. Лилицкая «Фотодвижение клеток Dunaliella Teod. (Dunaliellales, Chlorophyceae, Viridiplantae)»; Киев. 2007.
• В.С.Мартынюк, Н.А.Темурьянц, Б.М.Владимирский «У природы нет плохой погоды: космическая погода в нашей жизни», Киев, 2008. – 212 с.
• Маторин Д.Н., Венедиктов П.С. Люминесценция ХЛа в культурах микроводорослей и природных популяциях фитопланктона.//Итоги науки и техники. Т.40. Биофизика. М. 1990. стр. 49-100.
• Ю.Одум «Экология» М., «Мир», 1986, Т.2, 376 с.
• Погосян С.И. Состояние растительных организмов в природных условиях и окислительное повреждение фотосинтетического аппарата.// автореф. Докторской диссерт. М. 2003. 56 стр.
• О.Г.Полесская «Растительная клетка и активные формы кислорода» М. КДУ, 2007. – 140 с
• У.Г.Рис «Основы дистанционного зондирования» М.; Техносфера, 2006. 336 с.
• Рубин А.Б. Биофизика. Т.2. М.: Книжный дом «Университет», 2000. 468с.
• Рубин А. Б. Принципы организации и регуляции первичных процессов фотосинтеза. Тимирязевские чтения LV. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1995,  38 С.
• Рубин А.Б., Кренделева Т.Е. Регуляция первичных процессов фотосинтеза. // Биофизика. Т. 49. вып. 2. 2004. стр.239-253.
• Г.Селье «Стресс без дистресса». — М: Прогресс, 1979. — 123 с.
• Г.Селье «Очерки об адаптационном синдроме», М., Медгиз, 1960. -255 с. 
• И.А.Торчевский «Метаболизм растений при стрессе» Казань, «Фен», , 2001. – 448 с. 
• И.А.Тарчевский «Метаболизм растений при стрессе», Изд-во «Фэн», Казань 2001. - 448 с.
• А.Н.Теренин «Фотоника молекул красителей», Л. Наука,1967.
• П.Хочачка, Дж. Сомеро «Биохимическая адаптация» М. «Мир», 1988. - 568 с. 
• П.В.Фурсова и др. «Лимитирующие ресурсы и состав сообщества бактерий: эксперименты и модельный анализ» М., ГЕОС, 2008, 162 с.
• Дж.Харборн «Введение в экологическую биохимию» М., «Мир», 1985, 312 с.
• У.Хебер, О.Л.Ланге, В.А.Шувалов «Запасание и диссипация энергии света растениями как взаимнодополняющие процессы, вовлеченные в поддержание жизни растения». Проблемы регуляции в биологических системах. Биофизические аспекты. Под ред. А.Б.Рубина. Ижевск. стр.195-222.
• К.С.Шифрин «Введение в оптику океана», Л. «Гидрометиздат», 1983, -278 с.
• С.Э.Шноль и др. «Зависимость «Макроскопических флуктуаций» от географических координат по материалам Арктической (2000 г.) и Антарктической (2001 г.) экспедиций», Биофизика, 2003, Т.48, вып. 6, с. 1123-1131). 
• С.Э.Шноль и др. «Зависимость «Макроскопических флуктуаций» от космофизических факторов. Пространственная анизотропия», Биофизика, 2004, Т.49, вып. 1, с. 132-139.
• В.А.Шувалов «Преобразование солнечной энергии в первичном акте разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза» Тимирязевские чтения, LX, М.,Наука, 2000.-50с.
• L.R.Brown, W.W.Norton “Plan B 3.0: Mobilizing to save civilization” Earth Policy Institute. 2008.
• «Большая наука» на ОТР: С.И.Погосян Фотосинтез (с 21-ой минуты)

См. также: практика по биофизической экологии