авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

 

Б.С. Истомин, Н.А. Гаряев, Т.А. Барабанова 

 

 

 

 

 

 

ЭКОЛОГИЯ 

В СТРОИТЕЛЬСТВЕ 

 

Московский  государственный  

строительный   университет 

 

 

 

М о с к в а  2010 

УДК 711.427:351.777.8

Рецензенты

почетный строитель России, канд. техн. наук Т.Е. Стороженко (ОАО «ЦНИИПромзданий»), почетный академик РААСН, д-р арх. В.В. Алексашина (Мосгосэкспертиза) Истомин Б.С., Гаряев Н.А., Барабанова Т.А. Экология в строительстве: монография / ГОУ ВПО Моск. гос. строит.

ун-т. М.: МГСУ, 2010. – 154 с.

ISBN 978-5-7264-0504-9 В монографии рассмотрены вопросы, касающиеся основ экологии, урбоэкологии, архэкологии, стройэкологии. Описана экологическая ситуация в Москве, освещены проблемы созда ния экосити. Приводятся материалы по экологической экспер тизе зданий и сооружений.

Предназначена для студентов и аспирнатов архитектурно строительных университетов, слушателей курсов повышения квалификации и лиц, занимающихся самообразованием.

Ил. 15, библ. сп. 24.

Рекомендовано Научно-техническим советом МГСУ © Истомин Б.С., Гаряев Н.А., ISBN 978-5-7264-0504- Барабанова Т.А., © МГСУ, © Оформление РИО МГСУ,   ПРЕДИСЛОВИЕ России 76% населения проживает в городах и промыш В ленных центрах, занимающих не более 5% общей терри тории страны. Более ста городов России находятся в крайне неблагоприятной экологической обстановке.

При этом в настоящее время воздействие человеческой дея тельности на окружающую среду приобрело глобальный харак тер. Главные источники загрязнения – городские агломерации и промышленность.

Создание поселений, зданий и сооружений, которые могли бы в значительной степени снижать все обостряющиеся экологические воздействия, требует комплексного подхода. Поэтому важно, что бы у архитекторов, строителей, инвесторов формировалось эколо гическое сознание. Важным является и внедрение в России собст венных стандартов «зеленой» архитектуры с учетом специфики нашей страны и на основе существующего международного опыта.

Ресурсообеспечение, преимущественное использование во зобновимых источников энергии, минимизация отрицательного влияния на окружающую природную среду, органичное включе ние возводимых объектов в природный ландшафт, использование экологически чистых материалов, - все это должно быть прави лом при создании современных строительных объектов.

Внедрение стандартов экологического строительства в миро вую практику – неизбежный путь спасения человечества от раз рушительных процессов глобализации.

При оценке соответствия строительного комплекса «зеленым»

стандартам должен рассматриваться весь его жизненный цикл, начиная от производства строительных материалов, самого про цесса строительства, периода эксплуатации и заканчивая сносом зданий и утилизацией строительных отходов.

Только благодаря грамотному сочетанию экологических принципов и эстетических достоинств с инновационными техно логиями удается создавать новую архитектуру, в которой соче таются защита окружающей среды и современные представления о комфорте.

Таким образом, в российской строительной отрасли умелая интеграция инновационных разработок в архитектурно строительные объекты - это одна из наиболее актуальных задач, которую необходимо решать на пути к реализации первых отече ственных «зеленых» проектов и экосити.

  1. Основы экологии 1.1. ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЮ 1.1.1. Основные экологические проблемы современного мира Д аже выйдя в космос и научившись жить под водой, чело век остался биологическим видом, которому необходи мы строго определённые условия окружающей среды:

воздух, пища, температура, свет, вода и т.д.

При отклонении составляющих окружающей природной сре ды (ОПС) от требуемой нормы возможны нарушения жизнедея тельности вплоть до несовместимости с жизнью. Невозможно обеспечить высокое качество ОПС, не зная, что она собой пред ставляет, по каким законам развивается, какие предельные на грузки на природу общество может допустить без ущерба для себя. Антропогенное воздействие на окружающую среду стано вится все более интенсивным и масштабным.

В соответствии с программой ООН по проблемам окружаю щей среды ЮНЕП (англ. UNEP, United National Environment Pro gramme) глобальными экологическими проблемами, возникшими в наше время в результате антропогенной деятельности, являются следующие проблемы:

• изменение атмосферы и климата;

• изменение гидросферы;

• изменение литосферы в результате использования и добычи полезных ископаемых и землепользования;

• изменение биоты (растительного и животного мира);

• изменение в сельском и лесном хозяйстве;

• демографические, в том числе проблема производства про дуктов питания;

• урбанизация - проблемы населенных пунктов;

• влияние окружающей среды на здоровье человека;

• связанные с развитием промышленного производства;

• связанные с производством и потреблением электроэнергии;

• связанные с развитием транспорта;

4   • связанные с воздействием войн на окружающую среду, а также возможные экологические последствия войн.

Термин «экология» образован от двух греческих слов (oikos дом, жилище и logos - наука, знание), т.е. обозначает в букваль ном смысле «наука о местообитании».

Первым трудом по экологии следует считать работу Ч. Дарви на (1859 г.) «Происхождение видов». Сформулированный им вы вод о существующей в природе постоянной борьбе за существо вание принадлежит, без сомнения, к числу центральных положе ний экологии. В 1866 г. вышел в свет фундаментальный труд не мецкого зоолога Э. Геккеля «Всеобщая морфология организмов».

В нём впервые дано общее определение экологии как суммы зна ний по совокупности взаимоотношений животного с окружаю щей средой, как органической, так и неорганической.

В качестве самостоятельной науки экология сформировалась к началу ХХ в. Наряду с зарубежными учёными в её развитие и ста новление внесли огромный вклад наши соотечественники: К.А. Ти мирязев, В.В. Докучаев, В.И. Вернадский, Н.И. Вавилов, В.Н. Сука чёв, С.С. Шварц, Г.Ф. Морозов, А.В. Яблоков, Н.Ф. Реймерс и другие. Так, крупнейший русский учёный В.И. Вернадский соз дал учение о биосфере, указав при этом, какую огромную роль играют живые организмы в геохимических процессах на нашей планете.

Истинное значение экологии по-настоящему стали осознавать лишь на закате XX в., когда возрастание численности населения планеты и резко усилившееся воздействие человека на природ ную среду, приведшее к её деградации, поставили со всей остро той вопрос, быть или не быть человеческой цивилизации. Чтобы удовлетворить свои немалые потребности в чистом воздухе, воде и физиологически здоровой пище, человеку надо знать не только, как устроена и как функционирует природная среда, но и как сделать её своим союзником, сведя в то же время до минимума наносимый ей вред. Эти проблемы как раз и изучает экология.

Итак, экология - синтетическая биологическая наука о взаимо отношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Она изучает влияние факторов среды на растительные и жи вотные организмы, реакции отдельных особей, популяций и со обществ на эти факторы, а также механизмы, которые влияют на   численность популяций, их структуру, исследует биологическую продуктивность природных сообществ, закономерности функ ционирования экологических систем.

1.1.2. Краткий исторический очерк развития экологии Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потреб ность в знаниях, определяющих «отношение живого к окружаю щей его органической и неорганической среде», возникла очень давно. Достаточно вспомнить труды Аристотеля (384 - 322 гг. до н.э.), Плиния Старшего (23 - 79 гг. н.э.), Р. Бойля (1627 - 1691) и др., в которых обсуждалось значение среды обитания в жизни организмов и приуроченность их к определенным местам обита ния, чтобы убедиться в этом.

В истории развития экологии можно выделить три основных этапа:

• Первый этап - зарождение и становление экологии как нау ки (до 60-х гг. XIX в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения.

В XVII - XVIII вв. экологические сведения составляли значи тельную долю во многих биологических описаниях (А. Реомюр, 1734;

А. Трамбле, 1744 и др.). Элементы экологического подхода содержались в исследованиях русских ученых И.И. Лепехина, А.Ф. Миддендорфа, С.П. Крашенинникова, французского учёно го Ж. Бюффона, шведского естествоиспытателя К. Линнея, не мецкого ученого Г. Йегера и др.

В этот же период Ж.-Б. Ламарк (1744 - 1829) и Т. Мальтус (1766 - 1834) впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу.

• Второй этап - оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60-х гг. XIX в.). Начало этапа ознаменова лось выходом работ русских ученых К.Ф. Рулье (1814 - 1858), Н.А. Северцова (1827 - 1885), В.В. Докучаева (1846 - 1903), впер вые обосновавших ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. Не слу 6   чайно поэтому американский эколог Ю. Одум (1975) считает В.В.

Докучаева одним из основоположников экологии. В конце 70-х гг. XIX в. немецкий гидробиолог К. Мёбиус (1877) вводит важ нейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании орга низмов в определенных условиях среды.

Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (1809 - 1882), вскрывший основные факторы эволюции органиче ского мира. То, что Ч. Дарвин называл «борьбой за существова ние», с эволюционных позиций можно трактовать как взаимоот ношения живых существ с внешней абиотической средой и меж ду собой, т. е. с биотической средой.

Немецкий биолог-эволюционист Э. Геккель (1834 - 1919) пер вый понял, что это самостоятельная и очень важная область био логии, и назвал ее экологией (1866). Как самостоятельная наука экология окончательно оформилась в начале XX столетия. Круп нейший русский ученый XX в. В.И. Вернадский создает фунда ментальное учение о биосфере.

В 30-е и 40-е гг. ХХ в. экология поднялась на более высокую ступень в результате нового подхода к изучению природных сис тем. Сначала А. Тенсли (1935) выдвинул понятие об экосистеме, а несколько позже В.Н. Сукачев (1940) обосновал близкое этому представление о биогеоценозе. Во второй половине XX в. в связи с прогрессирующим загрязнением окружающей среды и резким усилением воздействия человека на природу экология приобрета ет особое значение.

• Третий этап - 50-е гг. XX в. - до настоящего времени - пре вращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Из строгой биологической науки экология превращается в «значи тельный цикл знания, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики...»

(Реймерс, 1994).

Современный период развития экологии в мире связан с име нами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Цж. М.

Андерсен и др. Среди отечественных ученых следует назвать И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В.Г. Горшкова и др.

  1.1.3. Разделы современной экологии В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:

• Аутэкология, изучающая влияние факторов окружающей среды на отдельные организмы, популяции и виды (растений, животных, грибов, бактерий). Задача аутэкологии – выявление физиологических, морфологических и прочих приспособлений (адаптаций) видов к различным экологическим условиям: режиму увлажнения, высоким и низким температурам, засолению почвы (для растений). В последние годы у аутэкологии появилась новая задача - изучение механизмов реагирования организмов на раз личные варианты химического и физического загрязнения (вклю чая радиоактивное загрязнение) среды.

Аутэкология базируется на следующих законах:

- Первый закон аутэкологии - закон оптимума: по любому экологическому фактору любой организм имеет определенные пределы распространения (пределы толерантности).

- Второй закон аутэкологии - индивидуальность экологии ви дов: каждый вид по каждому экологическому фактору распреде лен по-своему, кривые распределений разных видов перекрыва ются, но их оптимумы различаются.

- Третий закон аутэкологии - закон лимитирующих (ограничи вающих) факторов: наиболее важным для распределения вида является тот фактор, значения которого находятся в минимуме или максимуме.

Законы аутэкологии широко используются в сельскохозяйст венной практике, например, при выборе сортов растений и пород животных, которые наиболее целесообразно выращивать или раз водить в конкретном районе.

• Демэкология (от греч. demos - народ), экология популяций, изучающая динамику численности популяций, внутрипопуляци онные группировки и их взаимоотношения. В рамках демэколо гии выясняются условия, при которых формируются популяции.

Демэкология описывает колебания численности различных видов под воздействием экологических факторов и устанавливает их причины, рассматривает особь не изолированно, а в составе 8   группы таких же особей, занимающих определённую территорию и относящихся к одному виду.

• Синэкология (биоценология), изучающая взаимоотношения популяций, сообществ и экосистем со средой.

1.1.4. Экологические теоремы Современная экология располагает обширной аксиоматикой, относящейся ко всем уровням организации природных систем.

Некоторые, достаточно общие постулаты, теоремы, правила за имствованы из смежных дисциплин и опираются на фундамен тальные законы естествознания. Таковы начала термодинамики, законы сохранения вещества и энергии, закон минимума рассеи вания энергии Л. Онсагера - И. Пригожина и др. Среди них есть несколько принципов, важных для понимания поведения эколо гических систем, их способности к самоподдержанию и авторе гуляции.

Одним из наиболее важных постулатов является принцип Ле Шателье – Брауна: «При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния выдерживаемого равновесия, это равнове сие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется».

О важнейшей необходимости поддержания биологического разнообразия предупреждает закон генетического разнообразия:

«Все живое генетически различно и стремится к увеличению био логической разнородности».

Закон константности (В.И. Вернадского): «Количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) – кон станта» свидетельствует о том, что любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы влечет за собой такое же изменение в другом регионе, но с обратным знаком.

О роли способа накопления и использования энергии в выжи ваемости свидетельствует закон максимизации энергии (Г. и Э.

Одумы): «Выживает та система, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует ее наиболее эф фективно: накапливает высококачественную энергию, затрачива ет ее часть на поступление новой энергии, обеспечивает круго оборот различных веществ, создает механизмы регулирования и   приспособления к меняющимся условиям, обменивается с други ми системами для получения специальных видов энергии».

Закон минимума (Ю. Либиха) отмечает, что «Выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его эколо гических потребностей».

Необычны выводы из закона неравномерности развития сис тем: «Системы одного уровня или иерархии развиваются не стро го синхронно».

О важности сбережения ресурсов предупреждает закон огра ниченности природных ресурсов: «Все природные ресурсы и ус ловия Земли конечны».

Необходимость энергосбережения следует из закона однона правленности потока энергии: «Энергия, получаемая экосисте мой и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их массой предается консументам, а затем редуцентам с падением потока необратимо».

О необходимости сохранения вокруг городов больших есте ственных природных территорий свидетельствует закон обедне ния разнородного живого вещества в островных его сгущениях (Г.Ф. Хильми): «Любые сложные биотические сообщества, со храняемые среди нарушенной человеком природы, на небольших пространствах, обречены на деградацию».

При создании проектов застройки интересен закон оптималь ности: «С наибольшей эффективностью любая экосистема функ ционирует в некоторых пространственно-временных пределах».

О необходимости сбережения ресурсов предупреждает и закон падения природно-ресурсного потенциала: «В рамках одного способа производства и одного типа технологий природные ре сурсы делаются все менее доступными, и требуется рост труда и энергии на их извлечение и транспорт (все более глубокое зале гание, бедные руды)».

Одна из энергетических особенностей природных процессов отмечается в законе пирамиды энергии (Р. Линдемана): «С одно го трофического уровня экологической пирамиды на другой пе реходит не более 10% энергии».

О взаимозависимости в природе свидетельствует закон разви тия природной системы за счет окружающей ее среды: «Любая природная система может развиваться только за счет использова 10   ния материально-энергетических и информационных возможно стей окружающей ее среды».

О сбережении энергии предупреждает закон снижения энерге тической эффективности природопользования: «При получении из природных систем полезной продукции на ее единицу затра чивается все больше энергии».

Актуален закон сукцессионного замедления: «Процессы, иду щие в зрелых равновесных системах, как правило, проявляют тенденцию к замедлению».

Интересен закон толерантности (В. Шелфорда): «Лимити рующим фактором процветания организма может быть как мак симум, так и минимум экологического воздействия, диапазон между которыми и определяет величину выносливости (толе рантности). Плохо и перекормить, и недокормить».

Об опасности внесения даже малых загрязнений предупреж дает закон экологической корреляции: «В экосистеме все входя щие в нее виды живого вещества и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу».

Предлагает использовать мягкие формы взаимодействия с при родой принцип естественности: «Технические системы управления природой требуют со временем все большего вложения средств».

Принцип катастрофического толчка: «Глобальная катастрофа (природная или природно-антропогенная) ведет к существенным эволюционным перестройкам».

Принцип удаленности события: «Явление, отдаленное во вре мени и пространстве, кажется менее существенным».

Принцип обманчивого благополучия: «Первые успехи или не удачи в природопользовании могут быть кратковременными, объективный результат получается при взаимодействии природ ных и антропогенных факторов в сроки 10-30 лет».

Принцип неполноты информации (неопределенности): «Ин формация при проведении акций по преобразованию природы всегда недостаточна для априорного суждения о результатах (в далекой перспективе)».

Принцип направленности эволюции (закон минимума дисси пации энергии): «При вероятности развития процесса во множе стве направлений реализуется то, которое обеспечивает минимум диссипации энергии или минимум роста энергии».

  Принцип торможения развития: «В период наибольших по тенциальных темпов развития системы возникают максимальные тормозящие эффекты».

Об опасности изменения любого экологического компонента говорит правило оптимальной компонентной дополнительности:

«Никакая экосистема не может самостоятельно существовать при искусственно созданном значительном недостатке или избытке одного из экологических компонентов».

Жизненную необходимость корреляции между размером по пуляции и количеством пищи подчеркивает правило пищевой корреляции (В. Уинн-Эдвардса): «В ходе эволюции сохраняются только те популяции, скорость размножения которых скоррели рована с количеством пищевых ресурсов среды их обитания».

Удивительно по разумности и правило максимального «давле ния жизни»: «Организмы размножаются с интенсивностью, обес печивающей максимально возможное их число».

Очень важно знать правило 1%: «Изменение энергетики при родной системы в пределах 1% выводит природную систему из равновесного состояния».

Все экологические постулаты носят предупреждающий харак тер. Они направлены на повышение устойчивости, эластичности (адаптивной способности), саморегуляции экосистем, сохранения потенциала для восприятия негативных воздействий без сущест венного снижения их первоначальных функций и разрушения.

Они свидетельствуют о необходимости мягкого, опосредованно го природовосстанавливающего отношения к природе, в том чис ле при градостроительном освоении и эксплуатации мест рассе ления (особенно в случаях крупномасштабных вмешательств).

1.1.5. Значение экологии в современном мире Современный мир отличается необычайной сложностью и противоречивостью событий, он пронизан противоборствующими тенденциями, полон сложнейших альтернатив, тревог и надежд.

Конец XX в. характеризуется мощным рывком в развитии на учно-технического прогресса, ростом социальных противоречий, резким демографическим взрывом, ухудшением состояния окру жающей человека природной среды (рис. 1).

12   Рис. Поистине наша планета никогда ранее не подвергалась таким физическим и политическим перегрузкам, какие она испытывает на рубеже XX - XXI вв. Человек никогда ранее не взимал с при роды столько дани и не оказывался столь уязвимым перед мо щью, которую сам же создал.

Что же несет нам век грядущий - новые проблемы или безоб лачное будущее? Каким будет человечество через 150, 200 лет?

Сможет ли человек своим разумом и волей спасти себя самого и нашу планету от нависших над ней многочисленных угроз?

Эти вопросы, несомненно, волнуют многих людей. Будущее биосферы стало предметом пристального внимания представите лей многих отраслей научного знания, что само по себе может быть достаточным основанием для выделения особой группы проблем - философско-методологических проблем экологическо го прогнозирования. Следует подчеркнуть, что данный аспект является одной из слабостей молодой науки футурологии в це лом. Разработка этих проблем является одним из важнейших тре бований развития человеческой культуры на современном этапе развития человечества. Ученые согласились, что принятая поли тика по принципу “реагировать и исправлять” бесплодна, повсе местно завела в тупик. Предвидеть и предотвращать - единствен но реалистический подход. Исследование будущего поможет   всем странам мира решить самый насущный вопрос: как напра вить огромную по своим масштабам циркуляцию природных сил и ресурсов по пути, который будет полнее удовлетворять потреб ности людей и не нарушать при этом экологические процессы?

Рост масштабов хозяйственной деятельности человека, бурное развитие научно-технической революции усилили отрицательное воздействие на природу, привели к нарушению экологического равновесия на планете. Возросло потребление в сфере матери ального производства природных ресурсов. За годы после второй мировой войны было использовано столько минерального сырья, сколько за всю предыдущую историю человечества. Поскольку запасы угля, нефти, газа, железа и других полезных ископаемых не возобновляемы, они будут исчерпаны, по расчётам учёных, через несколько десятилетий. Но даже если и ресурсы, которые постоянно возобновляются, на деле быстро убывают, вырубка леса в мировом масштабе значительно превышает прирост древе сины, площадь лесов, дающих земле кислород, уменьшается с каждым годом.

Главный фундамент жизни - почвы - повсюду на Земле дегра дируют. В то время как Земля накапливает один сантиметр черно зёма за 300 лет, ныне один сантиметр почвы погибает за три года.

Не меньшую опасность представляет собой загрязнение планеты.

Мировой океан постоянно загрязняется из-за расширения до бычи нефти на морских промыслах. Огромные нефтяные пятна губительны для жизни океана. В океан сбрасываются миллионы тонн фосфора, свинца, радиоактивных отходов. На каждый квад ратный километр океанской воды сейчас приходится 17 тонн раз личных отбросов суши. Самой уязвимой частью природы стала пресная вода. Сточные воды, пестициды, удобрения, ртуть, мышьяк, свинец и многое другое в огромных количествах попа дают в реки и озёра.

Сильно загрязнены Дунай, Волга, Рейн, Миссисипи, Великие американские озёра. По заключению специалистов, в некоторых районах земли 80 % всех болезней вызваны недоброкачественной водой.

Загрязнение атмосферного воздуха превзошло все допустимые пределы. Концентрация вредных для здоровья веществ в воздухе превышает медицинские нормы во многих городах в десятки раз.

14   Кислотные дожди, содержащие двуокись серы и окись азота и являющиеся следствием функционирования тепловых электро станций и заводов, несут гибель озёрам и лесам. Авария на Чер нобыльской АЭС показала экологическую угрозу, которую соз дают аварии на атомных электростанциях, они эксплуатируются в 26 странах мира. Исчезает вокруг городов чистый воздух, реки превращаются в сточные канавы, повсюду груды мусора, свалки, искалеченная природа – такова бросающаяся в глаза картина бе зумной индустриализации мира.

Главное, однако, не в полноте списка этих проблем, а в ос мыслении причин их возникновения, характера и, что самое важ ное, в выявлении эффективных путей и способов их разрешения.

1.1.6. Экология и строительство Города, крупные поселения - это центры возникновения ос новных экологических проблем и вместе с тем места сосредото чения жителей Земли, призванные удовлетворить их потребности и обеспечить достаточно высокое, экологически обоснованное качество жизни.

Перед специалистами - архитекторами и строителями стоят две важнейшие задачи: создать высокое качество жизни и одно временно обеспечить экологичность городов, снизить поступле ние загрязнений в среду и достичь экологического равновесия между городами и природой.

В конце XX - начале XXI вв. особенно сильно стали заметны признаки глобального экологического кризиса и техногенной эволюции городов. Природа отступает под антропогенным воз действием, и для восстановления экологического равновесия и природной среды исследователями предлагается только один способ: сократить площадь антропогенно измененных и застро енных земель, возвратить значительную часть (называется ог ромная цифра - около трети используемых земель) "освоенных" и загрязненных территорий в естественное состояние. Такой воз врат невозможен при наблюдающемся росте урбанизированных территорий и возрастании численности человечества.

Однако представляется возможной замена этого возврата ус тойчивым строительством, экологизацией урбанизированных   территорий, устойчивой биопозитивной реконструкцией мест расселения, зданий и инженерных сооружений. Будут созданы принципиально новые биопозитивные объекты, родственные при роде, не отторгаемые природой и включаемые в естественные эко системы. Природа будет воспринимать биопозитивные объекты (здания, сооружения, поселения, страны) как естественные при родные объекты, что постепенно приведет к достижению устойчи вости, восстановлению нарушенного равновесия и исключению отступления природы под антропогенным давлением человека.

Это положение делает исключительно актуальной задачу практического применения архитектурно-строительной экологии, экологизации мест расселения, их устойчивого проектирования и строительства, экологичной реконструкции и создания экосити.

Архитектор и инженер-строитель как основные участники про цесса создания среды обитания человека должны представлять, каким образом они будут влиять на окружающую среду и живые организмы, как будут взаимодействовать искусственная и естест венная природная среда. От знания законов развития природы, основ экологии будет зависеть их профессиональное умение ис ключить негативное воздействие зданий и сооружений на приро ду, органично вписать их в природную среду, помочь развитию природных систем и одновременно повысить качество жизни че ловека.

Конструкционно-строительная экология тесно связана с архи тектурной экологией. Она изучает конструктивные решения эко логичных зданий и сооружений, поддерживающих и даже вос производящих природную среду. Важным разделом архитектур но-строительной экологии является экология строительных мате риалов, в том числе производства конструкций и материалов.

Строительно-технологическая экология учитывает экологиче ское влияние технологий на рабочих в период строительства, на жителей городов и на природу.

Архитектор и инженер-строитель должны обладать как общи ми знаниями, формирующими их экологическое "круговоротное" мышление, так и специальными, дающими возможность проек тировать и строить в согласии с природой, не загрязнять и вос станавливать среду при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

16   1.2. ПОПУЛЯЦИИ И ЭКОСИСТЕМЫ 1.2.1. Популяции Объектом изучения демэкологии, или популяционной эколо гии, служит популяция. Ее определяют как группу организмов одного вида (внутри которой особи могут обмениваться генети ческой информацией), занимающую конкретное пространство и функционирующую как часть биотического сообщества. Популя ция характеризуется рядом признаков;

единственным их носите лем является группа, но не особи в этой группе.

Популяция - это совокупность особей одного вида, обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других попу ляций.

Популяция обладает только ей присущими особенностями:

численностью, плотностью, пространственным распределением особей. Различают возрастную, половую, размерную структуру популяции. Соотношение разных по возрасту и полу групп в по пуляции определяет ее основные функции. Соотношение разных возрастных групп зависит от двух причин: от особенностей жиз ненного цикла вида и от внешних условий.

Условно в популяции можно выделить три экологические воз растные группы:

• предрепродуктивная - группа особей, возраст которых не достиг способности воспроизведения;

• репродуктивная - группа, воспроизводящая новые особи;

• пострепродуктивная - группа особей, утративших способ ность участвовать в воспроизведении новых поколений.

Длительность этих возрастов по отношению к общей продол жительности жизни сильно варьируется у разных организмов.

Выделяют виды с простой возрастной структурой, когда попу ляция представлена организмами одного возраста, и виды со сложной возрастной структурой, когда в популяции представле ны все возрастные группы или одновременно живут несколько поколений.

Количественные характеристики популяции как целого выра жают численность и плотность. Численность популяции выража   ется числом особей данного вида, обитающих на единице зани маемой ею площади. Динамика численности популяций во вре мени определяется соотношением показателей рождаемости, смертности, выживаемости, которые, в свою очередь, определя ются условиями жизни.

Плотность популяции - это величина популяции, отнесенная к единице пространства: число особей, или биомасса, популяции на единицу площади или объема. Плотность зависит от трофиче ского уровня, на котором находится популяция. Чем ниже трофи ческий уровень, тем выше плотность.

У многих видов в тех или иных условиях рождаются преиму щественно самцы или самки, а иногда особи, неспособные к вос произведению. У тлей, например, летом сменяют друг друга по коления, состоящие из одних самок. При неблагоприятных усло виях появляются самцы. У некоторых брюхоногих моллюсков, многощетинковых червей, рыб, ракообразных происходит изме нение пола особи с возрастом.

Значения коэффициентов рождаемости и смертности зависят от очень многих факторов, действующих на популяцию извне, а также от ее собственных свойств. Объективный показатель спо собности организмов увеличивать свою численность - макси мальная мгновенная скорость прироста популяции. Репродукци онные возможности популяции зависят от ее возрастного состава.

На уровне популяции абиотические факторы воздействуют на такие параметры, как рождаемость, смертность, средняя продол жительность жизни особи, скорость роста популяции и ее разме ры, нередко являясь важнейшими причинами, определяющими характер динамики численности популяции и пространственное распределение особей в ней. Популяция может приспосабливать ся к изменениям абиотических факторов, во-первых, меняя ха рактер своего пространственного распределения и, во-вторых, путем адаптивной эволюции.

Абиотические факторы оказывают существенное влияние на плотность популяций животных и растений. Понижение темпера туры часто катастрофически сказывается на популяциях живот ных: в районах, прилегающих к северным границам ареала, вид может стать редким и даже полностью исчезнуть. Кроме того, морозы в ряде случаев влияют и косвенно, поскольку пища, 18   скрытая под толстым слоем льда или снега, становится совер шенно недоступной для животных. В местах, подверженных сильным ветрам, рост растений задерживается, а фауна может быть частично или полностью уничтожена.

1.2.2. Экосистемы Экосистемой называют совокупность продуцентов, консумен тов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окру жающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.

Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:

• экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;

• в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложени ем на неорганические составляющие;

• экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотиче ских и абиотических компонентов.

Примерами природных экосистем являются озеро, лес, пусты ня, тундра, суша, океан, биосфера.

Итак, экосистема является важнейшей структурной единицей устройства окружающего мира. Основу экосистем составляют живое вещество, характеризующееся биотической структурой, и среда обитания, обусловленная совокупностью экологических факторов. Рассмотрим их более подробно.

Экосистема основана на единстве живого и неживого вещест ва. Суть этого единства проявляется в следующем. Из элементов неживой природы, главным образом молекул CO2 и H2O, под воздействием энергии солнца синтезируются органические веще ства, составляющие все живое на планете. Процесс создания ор ганического вещества в природе происходит одновременно с противоположным процессом - потреблением и разложением это го вещества вновь на исходные неорганические соединения. Со   вокупность этих процессов протекает в рамках экосистем раз личных уровней иерархии. Чтобы эти процессы были уравнове шены, природа за миллиарды лет отработала определенную структуру живого вещества системы.

Движущей силой в любой материальной системе служит энер гия. В экосистемы она поступает главным образом от Солнца.

Растения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для син теза основы любого органического вещества - глюкозы C6H12O6.

Кинетическая энергия солнечного излучения преобразуется таким образом в потенциальную энергию, запасенную глюкозой.

Из глюкозы вместе с получаемыми из почвы минеральными эле ментами питания - биогенами - образуются все ткани раститель ного мира - белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК, РНК, т.е. орга ническое вещество планеты.

Кроме растений продуцировать органическое вещество могут некоторые бактерии. Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого газа без уча стия солнечной энергии. Вместо нее они используют энергию, которая образуется при окислении неорганических соединений, например, аммиака, железа и особенно серы (в глубоких океани ческих впадинах, куда не проникает солнечный свет, но где в изобилии скапливается сероводород, обнаружены уникальные экосистемы). Это так называемая энергия химического синтеза, поэтому организмы называются хемосинтетиками.

Таким образом, растения и хемосинтетики создают органиче ское вещество из неорганических составляющих с помощью энер гии окружающей среды. Их называют продуцентами, или авто трофами. Высвобождение запасенной продуцентами потенциаль ной энергии обеспечивает существование всех остальных видов живого на планете. Виды, потребляющие созданную продуцен тами органику как источник вещества и энергии для своей жиз недеятельности, называются консументами, или гетеротрофами.

Консументы - это самые разнообразные организмы (от микроор ганизмов до синих китов): простейшие, насекомые, пресмыкаю щиеся, рыбы, птицы и, наконец, млекопитающие, включая человека.

Консументы, в свою очередь, подразделяются на ряд подгрупп в соответствии с различиями в источниках их питания.

20   Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, на зываются первичными консументами или консументами первого порядка. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы.

Например, кролик, питающийся морковкой, - это консумент пер вого порядка, а лиса, охотящаяся за кроликом, - консумент второ го порядка. Некоторые виды живых организмов соответствуют нескольким таким уровням. Например, когда человек ест овощи он консумент первого порядка, говядину - консумент второго по рядка, а употребляя в пищу хищную рыбу, выступает в роли кон сумента третьего порядка.

Первичные консументы, питающиеся только растениями, на зываются растительноядными, или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков - плотоядные. Виды, употреб ляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеяд ным, например, человек.

Мертвые растительные и животные остатки, например опав шие листья, трупы животных, продукты систем выделения, назы ваются детритом. Это органика. Существует множество организ мов, специализирующихся на питании детритом. Они называются детритофагами. Примером могут служить грифы, шакалы, чер ви, раки, термиты, муравьи и т.п. Как и в случае обычных консу ментов, различают первичных детритофагов, питающихся непо средственно детритом, вторичных и т. п.

Наконец, значительная часть детрита в экосистеме, в частно сти опавшие листья, валежная древесина, в своем исходном виде не поедается животными, а гниет и разлагается в процессе пита ния ими грибов и бактерий.

Поскольку роль грибов и бактерий столь специфична, их обычно выделяют в особую группу детритофагов и называют ре дуцентами. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на ис ходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду.

Таким образом, несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурным сходством. В каждой из них можно выде лить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и состав ляют биотическую структуру экосистем.

  Неживая и живая природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания. Множество отдельных компонентов среды, влияющих на организмы, называется эколо гическими факторами.

По природе происхождения выделяют абиотические, биотиче ские и антропогенные факторы. Абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Биотические факторы - это все формы воздействия живых организмов друг на друга. Раньше к биотиче ским факторам относили и воздействие человека на живые орга низмы, однако в настоящее время выделяют особую категорию факторов, порождаемых человеком. Антропогенные факторы это все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания и других ви дов и непосредственно сказываются на их жизни.

Таким образом, каждый живой организм испытывает влияние неживой природы, организмов других видов, в том числе и чело века, и, в свою очередь, оказывает воздействие на каждую из этих составляющих.

Температура является наиболее важным климатическим фак тором. От нее зависит интенсивность обмена веществ организмов и их географическое распространение. Любой организм способен жить в пределах определенного диапазона температур. И хотя для разных видов организмов (эвритермных и стенотермных) эти интервалы различны, для большинства из них зона оптимальных температур, при которых жизненные функции осуществляются наиболее активно и эффективно, сравнительно невелика. Диапа зон температур, в которых может существовать жизнь, составляет примерно 300°С: от -200 до +100°С. Но большинство видов и большая часть активности приурочены к еще более узкому диа пазону температур. Определенные организмы, особенно в стадии покоя, могут существовать, по крайней мере, некоторое время, при очень низких температурах. Отдельные виды микроорганиз мов, главным образом бактерии и водоросли, способны жить и размножаться при температурах, близких к точке кипения. Верх ний предел для бактерий горячих источников составляет 88°С, для сине-зеленых водорослей - 80°С, а для самых устойчивых рыб и насекомых - около 50°С. Как правило, верхние предельные 22   значения фактора оказываются более критическими, чем нижние, хотя многие организмы вблизи верхних пределов диапазона то лерантности функционируют более эффективно.

У водных животных диапазон толерантности к температуре обычно более узок по сравнению с наземными животными, так как диапазон колебаний температуры в воде меньше, чем на суше.

Таким образом, температура является важным и очень часто лимитирующим фактором. Температурные ритмы в значительной степени контролируют сезонную и суточную активность расте ний и животных.

Количество осадков и влажность - основные величины, изме ряемые при изучении этого фактора. Количество осадков зависит в основном от путей и характера больших перемещений воздуш ных масс. Например, ветры, дующие с океана, оставляют боль шую часть влаги на обращенных к океану склонах, в результате чего за горами остается "дождевая тень", способствующая фор мированию пустыни. Двигаясь в глубь суши, воздух аккумулиру ет некоторое количество влаги, и количество осадков опять уве личивается. Пустыни, как правило, расположены за высокими горными хребтами или вдоль тех берегов, где ветры дуют из об ширных внутренних сухих районов, а не с океана, например, пус тыня Нами в Юго-Западной Африке. Распределение осадков по временам года - крайне важный лимитирующий фактор для орга низмов.

Влажность - параметр, характеризующий содержание водя ного пара в воздухе. Абсолютной влажностью называют количе ство водяного пара в единице объема воздуха. В связи с зависи мостью количества пара, удерживаемого воздухом, от температу ры и давления, введено понятие относительной влажности - это отношение пара, содержащегося в воздухе, к насыщающему пару при данных температуре и давлении. Так как в природе сущест вуют суточный ритм влажности (повышение ночью и снижение днем) и колебание ее по вертикали и горизонтали, этот фактор наряду со светом и температурой играет важную роль в регули ровании активности организмов. Доступный живым организмам запас поверхностной воды зависит от количества осадков в дан ном районе, но эти величины не всегда совпадают. Так, пользуясь подземными источниками, куда вода поступает из других рай   онов, животные и растения могут получать больше воды, чем от поступления ее с осадками. И наоборот, дождевая вода иногда сразу же становится недоступной для организмов.

Излучение Солнца представляет собой электромагнитные вол ны различной длины. Оно совершенно необходимо живой приро де, так как является основным внешним источником энергии. На до иметь в виду то, что спектр электромагнитного излучения Солнца весьма широк и его частотные диапазоны различным об разом воздействуют на живое вещество.

Для живого вещества важны качественные признаки света длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия.

Ионизирующее излучение выбивает электроны из атомов и присоединяет их к другим атомам с образованием пар положи тельных и отрицательных ионов. Источником ионизирующего излучения служат радиоактивные вещества, содержащиеся в гор ных породах, кроме того, оно поступает из космоса.

Разные виды живых организмов сильно отличаются по своим способностям выдерживать большие дозы радиационного облу чения. Как показывают данные большей части исследований, наиболее чувствительны к облучению быстро делящиеся клетки.

У высших растений чувствительность к ионизирующему из лучению прямо пропорциональна размеру клеточного ядра, а точ нее объему хромосом или содержанию ДНК.

Газовый состав атмосферы также является важным климати ческим фактором. Примерно 3-3,5 млрд лет назад атмосфера со держала азот, аммиак, водород, метан и водяной пар, а свобод ный кислород в ней отсутствовал. Состав атмосферы в значи тельной степени определялся вулканическими газами. Из-за от сутствия кислорода не существовало озонового экрана, задержи вающего ультрафиолетовое излучение Солнца. С течением вре мени за счет абиотических процессов в атмосфере планеты стал накапливаться кислород, началось формирование озонового слоя.

Ветер способен даже изменять внешний вид растений, осо бенно в тех местообитаниях, где лимитирующее воздействие ока зывают другие факторы, например в альпийских зонах. Экспери ментально показано, что в открытых горных местообитаниях ве тер лимитирует рост растений: когда построили стену, защищав шую растения от ветра, высота растений увеличилась. Большое 24   значение имеют бури, хотя их действие сугубо локально. Урага ны и обычные ветры способны переносить животных и растения на большие расстояния и тем самым изменять состав сообществ.

Атмосферное давление, по-видимому, не является лимити рующим фактором непосредственного действия, однако оно име ет прямое отношение к погоде и климату, которые оказывают непосредственное лимитирующее воздействие.

Рассмотрим далее факторы водной среды.

Водные условия создают своеобразную среду обитания орга низмов, отличающуюся от наземной прежде всего плотностью и вязкостью. Плотность воды примерно в 800 раз, а вязкость при мерно в 55 раз выше, чем у воздуха. Вместе с плотностью и вяз костью важнейшими физико-химическими свойствами водной среды являются: температурная стратификация, т.е. изменение температуры по глубине водного объекта, и периодические изме нения температуры во времени, а также прозрачность воды, оп ределяющая световой режим под ее поверхностью: от прозрачно сти зависит фотосинтез зеленых и пурпурных водорослей, фито планктона, высших растений.

Как и в атмосфере, важную роль играет газовый состав вод ной среды. В водных местообитаниях количество кислорода, уг лекислого газа и других газов, растворенных в воде и потому доступных организмам, сильно варьируется во времени. В водо емах с высоким содержанием органических веществ кислород является лимитирующим фактором первостепенной важности.

Кислотность - концентрация водородных ионов (рН) - тесно связана с карбонатной системой. Значение рН изменяется в диа пазоне от 0 рН до 14: при рН=7 среда нейтральная, при рН7 кислая, при рН7 - щелочная. Если кислотность не приближается к крайним значениям, то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора - толерантность сообщества к диапазо ну рН весьма значительна. В водах с низким рН содержится мало биогенных элементов, поэтому продуктивность здесь крайне мала.

Соленость - содержание карбонатов, сульфатов, хлоридов и т.д.

- является еще одним значимым абиотическим фактором в вод ных объектах. В пресных водах солей мало, из них около 80% приходится на карбонаты. Содержание минеральных веществ в мировом океане составляет в среднем 35 г/л. Организмы откры   того океана обычно стеногалинны, тогда как организмы при брежных солоноватых вод в общем эвригалинны. Концентрация солей в жидкостях тела и тканях большинства морских организ мов изотонична концентрации солей в морской воде, так что здесь не возникает проблем с осморегуляцией.

Течение не только сильно влияет на концентрацию газов и пи тательных веществ, но и прямо действует как лимитирующий фактор. Многие речные растения и животные морфологически и физиологически особым образом приспособлены к сохранению своего положения в потоке: у них есть вполне определенные пре делы толерантности к фактору течения.

Гидростатическое давление в океане имеет большое значе ние. С погружением в воду на 10 м давление возрастает на 1 атм (105 Па). В самой глубокой части океана давление достигает атм (108 Па). Многие животные способны переносить резкие ко лебания давления, особенно, если у них в теле нет свободного воздуха. В противном случае возможно развитие газовой эмбо лии. Высокие давления, характерные для больших глубин, как правило, угнетают процессы жизнедеятельности.

Перейдем к характеристике почвы.

Почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных по род земной коры. Русский ученый-естествоиспытатель В.В. Доку чаев в 1870 г. первым рассмотрел почву как динамическую, а не инертную среду. Он доказал, что почва постоянно изменяется и развивается, а в ее активной зоне идут химические, физические и биологические процессы. Почва формируется в результате слож ного взаимодействия климата, растений, животных и микроорга низмов. В состав почвы входят четыре основных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50-60 % общего состава почвы), органическое вещество (до 10 %), воздух (15-25 %) и вода (25-30 %).


Минеральный скелет почвы - это неорганический компонент, который образовался из материнской породы в результате ее вы ветривания.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей и экскрементов. Не полностью разложившиеся органические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения - аморфное вещество, в котором 26   уже невозможно распознать первоначальный материал, - называ ется гумусом. Благодаря своим физическим и химическим свой ствам гумус улучшает структуру почвы и ее аэрацию, а также повышает способность удерживать воду и питательные вещества.

В почве обитает множество видов растительных и животных организмов, влияющих на ее физико-химические характеристики:

бактерии, водоросли, грибы или простейшие одноклеточные, чер ви и членистоногие. Биомасса их в различных почвах равна (кг/га):

бактерий 1000-7000, микроскопических грибов - 100-1000, водо рослей 100-300, членистоногих - 1000, червей 350-1000.

Главным топографическим фактором является высота над уров нем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличива ется суточный перепад температур, возрастают количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижаются атмосфер ное давление и концентрации газов.

Все эти факторы влияют на растения и животных, обусловливая вертикальную зональность.

Горные цепи могут служить климатическими барьерами. Горы служат также барьерами для распространения и миграции орга низмов и могут играть роль лимитирующего фактора в процессах видообразования.

Еще один топографический фактор - экспозиция склона. В се верном полушарии склоны, обращенные на юг, получают больше солнечного света, поэтому интенсивность света и температура здесь выше, чем на дне долин и на склонах северной экспозиции.

В южном полушарии имеет место обратная ситуация.

Важным фактором рельефа является также крутизна склона.

Для крутых склонов характерны быстрый дренаж и смывание почв, поэтому здесь почвы маломощные и более сухие.

Для абиотических условий справедливы все рассмотренные законы воздействия экологических факторов на живые организ мы. Знание этих законов позволяет ответить на вопрос: почему в разных регионах планеты сформировались разные экосистемы?

Основная причина - своеобразие абиотических условий каждого региона.

Ареалы распространения и численность организмов каждого вида ограничиваются не только условиями внешней неживой среды, но и их отношениями с организмами других видов. Непо   средственное живое окружение организма составляет его биоти ческую среду, а факторы этой среды называются биотическими.

Представители каждого вида способны существовать в таком ок ружении, где связи с другими организмами обеспечивают им нор мальные условия жизни.

Рассмотрим характерные особенности отношений различных типов.

Конкуренция является в природе наиболее всеохватывающим типом отношений, при котором две популяции или две особи в борьбе за необходимые для жизни условия воздействуют друг на друга отрицательно.

Конкуренция может быть внутривидовой и межвидовой.

Внутривидовая борьба происходит между особями одного и того же вида, межвидовая конкуренция имеет место между осо бями разных видов. Конкурентное взаимодействие может касаться жизненного пространства, пищи или биогенных элементов, света, места укрытия и многих других жизненно важных факторов.

Межвидовая конкуренция, независимо от того, что лежит в ее основе, может привести либо к установлению равновесия между двумя видами, либо к замене популяции одного вида популяцией другого, либо к тому, что один вид вытеснит другой в иное место или же заставит его перейти на использование иных ресурсов.

Установлено, что два одинаковых в экологическом отношении и потребностях вида не могут сосуществовать в одном месте и рано или поздно один конкурент вытесняет другого. Это так называемый принцип исключения или принцип Гаузе.

Поскольку в структуре экосистемы преобладают пищевые взаимодействия, наиболее характерной формой взаимодействия видов в трофических цепях является хищничество, при котором особь одного вида, называемая хищником, питается организмами (или частями организмов) другого вида, называемого жертвой, причем хищник живет отдельно от жертвы. В таких случаях го ворят, что два вида вовлечены в отношения хищник - жертва.

Еще один тип взаимодействия видов - паразитизм. Паразиты питаются за счет другого организма, называемого хозяином, од нако в отличие от хищников они живут на хозяине или внутри его организма на протяжении значительной части их жизненного цикла. Паразит использует для своей жизнедеятельности пита 28   тельные вещества хозяина, тем самым постоянно ослабляя, а не редко убивая его.

От паразитизма отличается аменсализм, при котором один вид причиняет вред другому, не извлекая при этом для себя никакой пользы. Чаще всего это те случаи, когда причиняемый вред за ключается в изменении среды. Так поступает человек, разрушая и загрязняя окружающую среду.

Нейтрализм - это такой тип отношений, при котором ни одна из популяций не оказывает на другую никакого влияния: никак не сказывается на росте его популяций, находящихся в равнове сии, и на их плотности. В действительности бывает, однако, до вольно трудно при помощи наблюдений и экспериментов в при родных условиях убедиться, что два вида абсолютно независимы один от другого.

Обобщая рассмотрение форм биотических отношений, можно сделать следующие выводы:

• отношения между живыми организмами являются одним из основных регуляторов численности и пространственного распре деления организмов в природе;

• негативные взаимодействия между организмами проявля ются на начальных стадиях развития сообщества или в нарушен ных природных условиях;

в недавно сформировавшихся или но вых ассоциациях вероятность возникновения сильных отрица тельных взаимодействий больше, чем в старых ассоциациях;

• в процессе эволюции и развития экосистем обнаруживается тенденция к уменьшению роли отрицательных взаимодействий за счет положительных, повышающих выживание взаимодейст вующих видов.

Все эти обстоятельства человек должен учитывать при прове дении мероприятий по управлению экологическими системами и отдельными популяциями с целью использования их в своих ин тересах, а также предвидеть косвенные последствия, которые мо гут при этом иметь место.

Напомним, что экосистема - это совокупность живых орга низмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Рассмотрим сначала процесс обмена энергией.

  Энергию определяют как способность производить работу.

Свойства энергии описываются законами термодинамики.

Первый закон (начало) термодинамики, или закон сохранения энергии, утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

Второй закон (начало) термодинамики, или закон энтропии, утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только воз растать. Применительно к энергии в экосистемах удобна сле дующая формулировка: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при усло вии, что энергия переходит из концентрированной формы в рас сеянную, т.е. деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера из менения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.

Таким образом, любая живая система, в том числе и экосисте ма, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде в избытке даровой энергии (энер гия Солнца);

во-вторых, способности за счет устройства состав ляющих ее компонентов эту энергию улавливать и концентриро вать, а использовав, - рассеивать в окружающую среду.

Таким образом, сначала улавливание, а затем концентрирова ние энергии с переходом от одного трофического уровня к дру гому обеспечивает повышение упорядоченности, организации живой системы, т.е. уменьшение ее энтропии.

Итак, жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непре кращающемуся прохождению через живое вещество энергии, пе редаваемой от одного трофического уровня к другому;

при этом происходит постоянное превращение энергии из одних форм в другие. Кроме того, при превращениях энергии часть ее теряется в виде тепла.

Тогда возникает вопрос: в каких количественных соотношени ях, пропорциях должны находиться между собой члены сообще ства разных трофических уровней в экосистеме, чтобы обеспечи вать свою потребность в энергии?

Весь запас энергии сосредоточен в массе органического веще ства - биомассе, поэтому интенсивность образования и разруше 30   ния органического вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему (биомассу всегда можно выразить в единицах энергии).

Скорость образования органического вещества называют про дуктивностью. Различают первичную и вторичную продуктивность.

В любой экосистеме происходит образование биомассы и ее разрушение, причем эти процессы всецело определяются жизнью низшего трофического уровня - продуцентами. Все остальные организмы только потребляют уже созданное растениями орга ническое вещество и, следовательно, общая продуктивность эко системы от них не зависит.

Высокие скорости продуцирования биомассы наблюдаются в естественных и искусственных экосистемах там, где благоприят ны абиотические факторы, и особенно при поступлении дополни тельной энергии извне, что уменьшает собственные затраты сис темы на поддержание жизнедеятельности. Такая дополнительная энергия может поступать в разной форме: например, на возделы ваемом поле - в форме энергии ископаемого топлива и работы, совершаемой человеком или животным.


Таким образом, для обеспечения энергией всех особей сообщест ва живых организмов экосистемы необходимо определенное коли чественное соотношение между продуцентами, консументами раз ных порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизне деятельности любых организмов, а значит и системы в целом, толь ко энергии недостаточно, они обязательно должны получать раз личные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества.

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связы вании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совер шает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверх ности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпаде ние осадков на поверхность океана образуют малый круговорот.

Если же водяной пар переносится воздушными течениями на су шу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, дру гая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в   океан речным и подземным стоком, завершая тем самым боль шой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и жи вым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.

Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, прив носят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.

Обобщая законы функционирования экосистем, сформулиру ем еще раз основные их положения:

• природные экосистемы существуют за счет не загрязняю щей среду даровой солнечной энергии, количество которой избы точно и относительно постоянно;

• перенос энергии и вещества через сообщество живых орга низмов в экосистеме происходит по пищевой цепи;

все виды жи вого в экосистеме делятся по выполняемым ими функциям в этой цепи на продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов это биотическая структура сообщества;

количественное соотно шение численности живых организмов между трофическими уровнями отражает трофическую структуру сообщества, которая определяет скорость прохождения энергии и вещества через со общество, т.е. продуктивность экосистемы;

• природные экосистемы благодаря своей биотической структуре неопределенно долго поддерживают устойчивое со стояние, не страдая от истощения ресурсов и загрязнения собст венными отходами;

получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

1.2.3. Пищевые цепи и экологические пирамиды Внутри экологической системы органические вещества созда ются автотрофными организмами (например, растениями). Расте ния поедают животные, которых, в свою очередь, поедают другие животные. Такая последовательность называется пищевой цепью (рис. 2);

каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем (греч. trophos «питание»).

32   Рис. В схемах пищевых цепей каждый организм представлен опре делённым типом питания (рис. 3). Действительность намного сложнее, и организмы (особенно, хищники) могут питаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети.

Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид (рис. 4). Простейшими из них являются пирамиды чис ленности, которые отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаются прямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов, обитающих в изучае мой экосистеме, либо логарифму этого количества. Часто пира миды численности строят в расчёте на единицу площади (в на земных экосистемах) или объёма (в водных экосистемах).

В пирамидах численности дерево и колосок учитываются оди наково, несмотря на их различную массу. Поэтому более удобно использовать пирамиды биомассы (рис. 5), которые рассчитыва ются не по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе. Слева на рисунке изображена прямая пи рамида биомасс, справа – перевёрнутая. Построение пирамид биомассы – сложный и длительный процесс.

  Рис. Рис. 34   Рис. Пирамиды биомассы не отражают энергетической значимости организмов и не учитывают скорость потребления биомассы. Это может приводить к аномалиям в виде перевёрнутых пирамид.

Выходом из положения является построение наиболее сложных пирамид – пирамид энергии. Они показывают количество энер гии, прошедшее через каждый трофический уровень экосистемы за определённый промежуток времени (например, за год – чтобы учесть сезонные колебания). В основание пирамиды энергии час то добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии. Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетиче скую значимость популяций внутри экосистемы. Так, доля энер гии, проходящей через почвенные бактерии, несмотря на их ни чтожную биомассу, может составлять десятки процентов от об щего потока энергии, проходящей через первичные консументы.

Органическое вещество, производимое автотрофами, называ ется первичной продукцией. Скорость накопления энергии пер вичными продуцентами называется валовой первичной продук тивностью (ВПП), а скорость накопления органических веществ – чистой первичной продуктивностью (ЧПП). ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.

При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество ор ганического вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выде ляют непереваренные остатки, в каждом звене часть энергии те ряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей;

количество звеньев в них редко бывает больше шести. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних   организмов к другим значительно выше, чем эффективность про изводства первичной продукции. Средняя эффективность пере носа энергии от растения к животному составляет около 10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетически менее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины, не перевариваемых боль шинством животных.

Изучение продуктивности экосистем важно для их рациональ ного использования. Эффективность экосистем может быть по вышена за счёт повышения урожайности, уменьшения помех со стороны других организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственным культурам), использования культур, бо лее приспособленных к условиям данной экосистемы. По отно шению к животным необходимо знать максимальный уровень добычи (т.е. количество особей, которые можно изъять из попу ляции за определённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности).

1.2.4. Фотосинтез Фотосинтез - образование органических веществ зелеными растениями и некоторыми бактериями с использованием энергии солнечного света (рис. 6).

Рис. 36   В ходе фотосинтеза происходит поглощение из атмосферы диоксида.

В 1860-х гг. было высказано предположение, что диоксид уг лерода в растениях восстанавливается до органических кислот, в частности, муравьиной и щавелевой. Затем эти кислоты при дальнейшем восстановлении переходят в углеводы. В 1861 г. рус ский химик А.М. Бутлеров получил при действии известковой воды на формальдегид сиропообразное вещество, содержащее уг леводы. Основываясь на этом открытии, немецкий химик А. Байер в 1870 г. высказал предположение, что первичным продуктом восстановления диоксида углерода в зеленых растениях является формальдегид, который затем превращается в углеводы. Эта ги потеза привлекла всеобщее внимание - она казалась наиболее правдоподобной. Однако она ничего не говорила о механизме выделения кислорода.

В ХХ в. было установлено, что процесс фотосинтеза начина ется на свету в фоторецепторах хлорофиллов, однако многие из последующих стадий могут протекать в темноте. Общий процесс является эндотермическим (DH° ~ 469 кДж/моль СО2). В нем уча ствует несколько типов хлорофилла, а также другие комплексы магния, железа и меди.

Полная последовательность всех стадий фотосинтеза пока еще выяснена не до конца, однако интенсивная научная работа в этом направлении продолжается. Исследуется механизм электронного транспорта, продолжается выяснение природы комплекса, ката лизирующего образование кислорода, изучается структура реак ционных центров и светособирающих комплексов.

Таким образом, в основе фотосинтеза лежит превращение электромагнитной энергии света в химическую энергию. Эта энергия, в конце концов, дает возможность превращать диоксид углерода в углеводы и другие органические соединения с выде лением кислорода.

Фотосинтез, являющийся одним из самых распространенных процессов на Земле, обусловливает природные круговороты уг лерода, кислорода и других элементов и обеспечивает материаль ную и энергетическую основу жизни на нашей планете. Фотосин тез является единственным источником атмосферного кислорода.

  Процесс фотосинтеза является основой питания всех живых существ, а также снабжает человечество топливом (древесина, уголь, нефть), волокнами (целлюлоза) и бесчисленными полез ными химическими соединениями. Из диоксида углерода и воды, связанных из воздуха в ходе фотосинтеза, образуется около 90 95% сухого веса урожая. Остальные 5-10% приходятся на мине ральные соли и азот, полученные из почвы.

Человек использует около 7% продуктов фотосинтеза в пищу, в качестве корма для животных и в виде топлива и строительных материалов.

1.3. БИОСФЕРА 1.3.1. Биогеохимические циклы Наверное, все слышали о круговороте веществ в природе, то есть о системе биохимических циклов Земли. Она представлена на рис. 7.

Рис. 38   Основной цикл – это цикл углерода. Цифрами показано рас пределение вещества по Земле. Двуокись углерода СО2, напри мер, распределена между атмосферой и океаном. Кислород – преимущественно газообразный в атмосфере, хотя входит в со став многих веществ. Сера распределена между океаном и зем ными породами.

Основной углеродный цикл очень простой. В процессе фото синтеза из углекислого газа и воды образуются углеводы (глюко зы, например) и кислород. Потом происходит деструкция – об ратная реакция, разрушение органических веществ, когда в ре зультате окисления питательных веществ в организме образуется вода и двуокись углерода. Причем при фотосинтезе энергия света затрачивается на образование углеводов, а при деструкции эта энергия выделяется и организм использует ее для своих нужд.

Это и есть цикл углерода. Если посмотреть на схему, то можно увидеть, что он незамкнутый. Углерод все время изымается, с частью живых организмов уходит в осадочные породы, при этом кислород остается в избытке. Если его не убирать, то его станет очень много, может остановиться углеродный цикл. Что проис ходит с этим избыточным кислородом? Он идет ("стекает") на окисление серы и железа, т.е. с углеродным циклом сопряжен цикл железа и серы. Таким же образом сопряжены циклы других веществ. Для каждого из этих процессов существует группа мик роорганизмов, бактерий, которые занимаются поддержанием это го круговорота, и за счет этого получают энергию. Разнообразие метаболизма бактерий таково, что они способны катализировать прохождение всех биогеохимических циклов на Земле. Биосфера встроена в цикл геохимических процессов.

В качестве источников энергии бактерии могут использовать самые разнообразные соединения. Часть бактерий, которые ис пользуют кислород, называются аэробами, те, которые не ис пользуют кислород, – анаэробами, способные обойтись без орга нических веществ, – автотрофами, а те, которым нужны органи ческие вещества, – гетеротрофами.

В углеродном цикле фотосинтетическую функцию выполняют простейшие бактерии и высшие растения. Деструкцию также вы полняют некоторые бактерии, грибы, небольшой вклад вносят животные.

  Биосфера представляет собой систему геобиохимических цик лов. Если в клетке каждый метаболический процесс контролиру ют ферменты, то в биосфере такие метаболические циклы плане ты контролируются группами бактерий определенных видов. То есть бактерии катализируют метаболизм в планетарном масшта бе. В эту систему можно включать не только бактерии, но и дру гие организмы. Однако некоторые процессы (фиксация азота, ме таболизм железа и серы) осуществляются только бактериями.

В изучении происхождения жизни наиболее перспективным представляется сочетание подходов, учитывающее физические, геохимические и молекулярные процессы в атмосфере молодой Земли.

1.3.2. Биохимические циклы кислорода, азота и воды Своей уникальной среди планет атмосферой с высоким со держанием свободного кислорода Земля обязана процессу фото синтеза. Кислород освобождается из молекул воды и является по сути дела побочным продуктом фотосинтетической активности растений. Абиотическим путем кислород возникает в верхних слоях атмосферы за счет фотодиссоциации паров воды, но этот источник составляет лишь тысячные доли процента от кислорода, поставляемого фотосинтезом. Между содержанием кислорода в атмосфере и гидросфере существует подвижное равновесие. В воде кислорода примерно в 21 раз меньше, чем в том же объеме воздуха.

Выделившийся кислород интенсивно расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов и на окисление разнообраз ных минеральных соединений. Эти процессы происходят в атмо сфере, почве, воде, илах и горных породах. Показано, что значи тельная часть кислорода, связанного в осадочных породах, имеет фотосинтетическое происхождение. Обменный фонд О2 в атмо сфере составляет не более 5 % от общей продукции фотосинтеза.

Многие анаэробные бактерии также окисляют органические ве щества в процессе анаэробного дыхания, используя для этого сульфаты или нитраты.

Накопление кислорода в атмосфере и гидросфере происходит в геологической истории в результате неполной замкнутости цик 40   ла углерода. На полное разложение органического вещества, соз даваемого растениями, требуется точно такое же количество ки слорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение ор ганики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере. Весь имеющийся в ней кислород проходит полный цикл через живые организмы примерно за 2000 лет.

В настоящее время значительная часть кислорода атмосферы связывается в результате работы транспорта, промышленности и других форм антропогенной деятельности. По расчетам, челове чество тратит уже более 10 млрд т свободного кислорода из об щего количества в 430 – 470 млрд т, поставляемых процессами фотосинтеза. Если учесть, что в обменный фонд поступает лишь небольшая часть фотосинтетического кислорода, деятельность людей в этом отношении начинает приобретать угрожающие масштабы.

В ходе фотосинтеза растения используют водород воды в по строении органических соединений, освобождая молекулярный кислород. В процессах дыхания всех живых существ, при окис лении органических соединений, вода образуется вновь. В исто рии жизни вся свободная вода гидросферы многократно прошла циклы разложения и новообразования в живом веществе планеты.

Кроме биологических циклов на Земле также осуществляется глобальный круговорот воды, движимый энергией Солнца. Вода испаряется с поверхности водоемов и суши и затем вновь посту пает на Землю в виде осадков. Над океаном испарение превышает осадки, над сушей – наоборот. Эти различия компенсируются речным стоком. В глобальном круговороте воды растительность суши играет немаловажную роль. Транспирация растений на от дельных участках земной поверхности может составить до 80 90 % выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатиче ским поясам – около 30 %. В истории биосферы появление на земной растительности вызвало за счет транспирации перерас пределение осадков над морем и сушей и тем самым косвенно повлияло на размеры речного стока и процессы физического и химического выветривания.

В атмосфере и живом веществе содержится менее 2 % всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете.

  Азот входит в состав важнейших органических молекул – ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и других. В раститель ных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1:30, а в морских водорослях 1:6. Биологический цикл азота по этому также тесно связан с углеродным.

Рис. Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям, кото рые могут усваивать этот элемент только в виде ионов аммония, нитратов или из почвенных или водных растворов, поэтому не достаток азота часто является фактором, лимитирующим первич ную продукцию. Тем не менее, атмосферный азот широко вовле кается в биологический круговорот благодаря деятельности про кариотических организмов (рис. 8). Способностью к фиксации молекулярного азота обладают очень многие прокариоты. В большой мере она развита у фотосинтезирующих сине-зеленых водорослей (цианобактерий). Активно фиксируют азот свободно живущие в почве бактерии рода Azotobacter, а также клубенько вые бактерии Rhizobium, живущие на корнях растений семейства бобовых. При этом может связываться до 400 кг азота на га в год.

Отмирая, бактериальные клетки обогащают почву азотными со единениями, доступными для растений. Симбиотические формы снабжают хозяина и за счет прижизненных выделений.

42   В круговороте азота принимают большое участие также аммо нифицирующие микроорганизмы. Они разлагают белки и другие содержащие азот органические вещества до образования аммиа ка. В аммонийной форме азот частью вновь поглощается корнями растений, а частью перехватывается нитрифицирующими микро организмами. Они используют для себя химическую энергию, окисляя аммиак сначала в нитритную форму (бактерии Nitro somonas). Окисление нитритов в нитраты производят бактерии рода Nitrobacter. Образовавшиеся нитраты вновь используются растениями в ходе фотосинтеза.

1.3.3. Учение В.И. Вернадского о биосфере Биосфера (греч. bios – жизнь, sphaira – шар, сфера) – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляю щими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важ нейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.

Впервые термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько вели ки, что уже в первой трети XX в. возникло новое фундаменталь ное научное направление в естествознании – учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый В.И. Вернадский (1863 - 1945).

В.И. Вернадский говорил, что биосфера – это среда нашей жизни, это та природа, которая нас окружает, о которой мы гово рим в разговорном языке. Человек, прежде всего, своим дыхани ем, проявлением своих функций, неразрывно связан с этой «при родой», живет ли он в городе или в уединенном домике.

По современным представлениям, биосфера – это особая обо лочка земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Эти представления базируются на учении В.И. Вернадского о биосфере, являющемся крупнейшим из обобщений в области ес   тествознания в ХХ в. Важнейшая значимость его учения в пол ном объеме проявилась лишь во второй половине XX века. Этому способствовало развитие экологии и, прежде всего, глобальной экологии, где биосфера является основополагающим понятием.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.