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 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.А. Гуревич, В.Л. Кочеткова, О.В. Воловик, В.В. Заборовская

ОСНОВЫ

ЭКОЛОГИИ

Учебное пособие

УХТА 2002

УДК 502

О-75

Основы экологии: Учебное пособие / А.А. Гуревич, В.Л. Кочеткова, О.В.

Воловик, В.В. Заборовская. – Ухта: УГТУ, 2002. – 80 с.

ISBN 5-88179-271-8

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями действую щего Государственного образовательного стандарта. Учебное пособие пред ставляет современную экологию как междисциплинарный комплекс знаний.

Материал построен на системной основе, дающей представление об экологиче ских закономерностях взаимодействия общества, техники и природы. Излага ются основные свойства, законы и принципы функционирования экологических систем и биосферы, а также вопросы технического воздействия на природу и окружающую человека среду.

Предназначается студентам технических специальностей при изучении курса «Экология».

Учебное пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры Про мышленной безопасности и охраны окружающей среды от 15.05.02 г. № 7 и предложено для издания.

Рецензенты: генеральный директор ОАО «Севергеофизика» к.г.м.н.

В. Б. Ростовщиков;

ведущий инженер сектора патентно-лицензионных иссле дований и информации филиала ООО «ВНИИГАЗ» – «Се вернипигаз» Т. А. Векшина.

© Ухтинский государственный техни ческий университет, © Гуревич А. А., Кочеткова В. Л., Во ловик О. В., Заборовская В. В., ISBN 5-88179-271- Оглавление 1. Содержание, предмет и задачи экологии.............................................................. 1.1. Взаимосвязь экологии с другими науками.................................................... 1.2. Методы экологических исследований........................................................... 1.3. Законы экологии............................................................................................. 1.4. Экология, природопользование и охрана окружающей среды................. 2. Глобальный круговорот веществ......................................................................... 2.1. Круговороты газообразных веществ............................................................ 2.2. Осадочные циклы........................................................................................... 2.3. Возврат веществ в кругооборот.................................................................... 3. Экосистемы......

...................................................................................................... 3.1. Свойства и функции экосистем.................................................................... 3.2. Саморегуляция экосистем............................................................................. 3.3. Развитие экосистем........................................................................................ 3.4. Основные причины разрушения экосистем................................................ 4. Экологические факторы....................................................................................... 4.1. Абиотические факторы.................................................................................. 4.2. Биотические факторы.................................................................................... 4.3. Антропогенные факторы............................................................................... 5. Биосфера................................................................................................................. 5.1. Человек и биосфера........................................................................................ 5.2. Влияние урбанизации на биосферу.............................................................. 5.3. Эволюция биосферы...................................................................................... 6. Атмосфера, как часть биосферы.......................................................................... 7. Гидросфера, как часть биосферы......................................................................... 8. Литосфера, как часть биосферы........................................................................... 9. Защита биосферы от загрязнений........................................................................ 9.1. Основные виды загрязнений природной среды.......................................... 9.2 Защита атмосферы........................................................................................... 9.3. Защита гидросферы........................................................................................ 9.4. Охрана литосферы.......................................................................................... 10. Природные ресурсы и рациональное природопользование............................ 10.1. Природные ресурсы и их классификация.................................................. 10.2. Основные направления рационального природопользования................ 10.3. Безотходные и малоотходные технологии.

Основные принципы создания производств............................................. 10.4. Проблемы использования полезных ископаемых.................................... 10.5. Проблемы использования земельных ресурсов........................................ 11. Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию....... 12. Современные экологические концепции.......................................................... Список использованной литературы....................................................................... Экологические термины и понятия......................................................................... Перечень тем для самостоятельной работы........................................................... Контрольные вопросы............................................................................................... 1. Содержание, предмет и задачи экологии Содержание современной экологии лучше всего можно определить, ис ходя из концепции уровней организации живой материи, которые составляют своеобразный «биологический центр».

Ген, клетка, орган, организм, популяция и сообщество – основные уровни организации жизни. Расположены в иерархическом порядке – от малых систем к крупным. На каждом уровне или ступени в результате взаимодействия с ок ружающей физической средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы. Под системой понимаются упорядоченно взаимо действующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое.

Обычно выделяют несколько уровней организации живой материи, обра зующих иерархию: молекулярный – самый низкий уровень, на котором биоло гическая система проявляется в виде функционирования биологически актив ных крупных молекул – белков, липидов, нуклеиновых кислот, углеводов. С этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ, протекающий при превращении лучистой и химиче ской энергии, передача наследственности с помощью ДНК и РНК. Этому уров ню свойственна устойчивость структур в поколениях.

Клеточный – уровень, на котором биологически активные молекулы со четаются в единую систему. В отношении клеточной организации все организ мы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.

Тканевый – уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных общностью проис хождения и функций.

Органный – уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.

Организменный – уровень, на котором взаимодействие ряда органов сво дится в единую систему индивидуального организма. Представлен определен ными видами организмов.

Популяционно-видовой, где существует совокупность определенных од нородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные из менения в целом.

Биоценоз и биогеоценоз (экосистема) – более высокий уровень организа ции живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы. В биогеоценозе они взаимодействуют друг с другом на определенном участке земной поверхности с однородными абиотическими факторами.

Биосферный – уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах на шей планеты. На этом уровне осуществляются все глобальные круговороты вещества и энергии, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Основные свойства живых систем – структурная организация, способ ность к самовоспроизведению и самосборке, обмен веществ и энергии, раздра жимость, поддержание постоянства внутренней среды, способность к адапта ции и др. – реализуются уже на клеточном уровне.

Самой крупной и наиболее близкой к идеалу по «самообеспечению» ве ществом и энергией является биологическая система – биосфера.

Иерархический подход дает удобную основу для подразделения и изуче ния экологических ситуаций. На этом основании можно дать определение эко логии как науки, ее содержания, предмета и задач.

Экология – это наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов в их естественной среде обитания, с учетом изменений, вносимых в среду деятельностью человека.

Основным содержанием современной экологии является исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно биоценотическом уровне и изучение функционирования биологических макро систем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем), биосферы, их про дуктивности и энергетики.

1.1. Взаимосвязь экологии с другими науками Экология – одна из сравнительно молодых и бурно развивающихся наук.

Экологию по размерам объекта изучения делят на:

– аутэкологию (особи, организм и его среда);

– демэкологию (популяция и ее среда);

– синэкологию (биотическое сообщество, экосистема и их среда);

– географическую или ландшафтную экологию (крупные геосистемы, географические процессы с участием живого и их среды);

– глобальную экологию (мегаэкология, учение о биосфере Земли).

По отношению к предметам изучения экологию подразделяют на эколо гию микроорганизмов (прокариот), грибов, растений, животных, человека, сельскохозяйственную, промышленную (инженерную), общую экологию.

По средам и компонентам различают экологию суши, пресных водоемов, морскую, Крайнего Севера, высокогорий, химическую (геохимическую, био химическую). По подходам к предмету выделяют аналитическую и динамиче скую экологии. С точки зрения фактора времени рассматривают историческую и эволюционную экологии (в том числе археологию). В системе экологии чело века выделяют социальную экологию (взаимоотношение социальных групп общества с их средой жизни).

Основные разделы современной экологии: общая (теоретическая) эколо гия, биоэкология, геоэкология, экология человека и социальная экология, при кладная экология. Общая экология объединяет разнообразные экологические знания на едином научном фундаменте. Ее ядром является теоретическая эко логия, которая устанавливает общие закономерности функционирования эколо гических систем. Экспериментальная экология обеспечивает методическим ин струментарием различные разделы науки. Но возможности эксперимента в эко логии ограничены. Поэтому широко применяется моделирование, в частности математическое. Вместе с обработкой информации и количественным анализом фактического материала оно входит в раздел теоретической экологии, который называют математической экологией. Биоэкология – «классическая» экология, сформировавшаяся в рамках биологии. Она посвящена взаимодействиям со средой надорганизменных биологических систем всех уровней. В ней выделя ются: экология отдельных особей как представителей определенного вида ор ганизмов – аутэкология;

экология генетически однородных групп организмов одного вида, имеющих общее место обитания, – популяционная экология;

эко логия многовидовых сообществ, биоценозов – синэкология;

учение об экологи ческих системах – биогеоценология. Еще один раздел составляет эволюционная экология – учение о роли экологических факторов в эволюции. На стыке био экологии и геохимии Земли на основе изучения роли живых организмов в пла нетарной трансформации солнечной энергии и в круговороте химических эле ментов возникло учение о биосфере – глобальной экологической системе. В сумму экологических знаний несколько отдельно от традиционной биоэкологии входит экология человека – комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как индивида (биологической особи) и личности (социального субъек та) с окружающей его природной и преобразованной самим человеком средой.

Социальная экология как часть экологии человека – это объединение научных отраслей, изучающих связь общественных структур (начиная с семьи и других малых общественных групп) с природной и социальной средой их окружения.

К этому объединению относятся экология народонаселения – экологическая де мография и экология человеческих популяций.

Прикладная экология –изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разработку принципов рационального использования природных ре сурсов без деградации среды жизни. Инженерная экология – изучает взаимо действие техники и природы, закономерности формирования региональных и локальных природно-технических систем и способы управления ими в целях защиты природной среды и обеспечения экологической безопасности. Про мышленная экология – изучает воздействие промышленности на природу, ок ружающую человека среду, разрабатывает средства регламентации этих воз действий и защиты от них окружающей среды. Сельскохозяйственная экология сливается с биологическими основами земледелия (агроэкология) и животно водства (экология сельскохозяйственных животных). Биоресурсная и промы словая экология изучает условия, при которых эксплуатация биологических ре сурсов природных экосистем (лесов, континентальных водоемов, морей, океа на) не приводит к их истощению и нарушению, утрате видов, уменьшению биологического разнообразия. Экология поселений, коммунальная экология – посвящена особенностям и влияниям различных факторов искусственно преоб разованной среды обитания людей в жилищах, населенных пунктах, в городах (урбаэкология). Медицинская экология – область изучения экологических усло вий возникновения, распространения и развития болезней человека, обуслов ленных природными факторами и неблагоприятными техногенными воздейст виями среды. Медицинская экология включает в качестве раздела рекреацион ную экологию, т.е. экологию отдыха и оздоровления людей, смыкающуюся с курортологией. Происходит интеграция знаний: в пограничных областях про исходит взаимное обогащение наук. Размах экологизации указывает на то, что экология претендует на лидирующее положение в современной науке и способ ствует синтезу фундаментальных знаний о природе и обществе.

1.2. Методы экологических исследований Методическую основу современной экологии составляет сочетание сис темного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования.

Методы регистрации и оценки состояния среды являются необходимой частью любого экологического исследования. К ним относятся метеорологиче ские наблюдения;

измерения температуры, прозрачности, солености воды и анализ ее химического состава;

определение характеристик почвенной среды, измерения освещенности, радиационного фона, напряженности физических по лей, определение химической и бактериальной загрязненности среды и т.п.

К этой же группе методов следует отнести мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качест вом окружающей среды. Большое практическое значение имеет регистрация состава и количества вредных примесей в воде, воздухе, почве, растениях в зо нах антропогенного загрязнения, а также исследования переноса загрязнителей в разных средах. В настоящее время техника экологического мониторинга ис пользует новейшие методы физико-химического и химического экспресс анализа, дистанционного зондирования, телеметрии и компьютерной обработки данных. Важным средством экологического мониторинга, позволяющим в ряде случаев получить интегральную оценку качества среды, является биоиндикация – использование для контроля состояния среды некоторых организмов, особо чувствительных к изменениям среды и к появлению в ней вредных примесей.

Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных лежат в основе изучения природных сообществ. Определение биомассы и продуктивности различных сообществ ор ганизмов позволяет оценить биопродукционный потенциал отдельных террито рий и акваторий, а также глобальный природный фонд органического вещества биосферы и пределы его использования.

Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организ мов составляют наиболее разнообразную группу методов экологии. Применя ются экспериментальные подходы. Этим путем устанавливаются оптимальные или граничные условия существования. В частности, так определяются крити ческие и летальные дозы химических и других агентов, по которым рассчиты вают предельно допустимые концентрации и воздействия, лежащие в основе экологического нормирования.

Методы изучения взаимоотношений между организмами во многовидо вых сообществах составляют важную часть системной экологии.

Кибернетические исследования и методы математического моделирова ния приобретают все большее значение в экологии. Существуют близкие к ре альным процессам математические модели техногенных эмиссий, распростра нения загрязнителей в атмосфере, самоочищения реки. На первое место выдви гаются численные методы имитационного моделирования, основанные на при менении современной вычислительной техники.

При этом все большее значение приобретают такие новые компьютерные методы, как применение технологии нейронных сетей и аппарата теории нечет ких множеств. Быстро совершенствуются приемы глобального моделирования.

Они позволяют рассматривать варианты сценариев и строить обоснованные прогнозы глобального развития.

Основные методы экологических исследований: полевые, эксперимен тальные исследования с использованием экосистемного, популяционного, эво люционного и исторических подходов, изучение сообществ и анализ местооби таний, Экосистемный подход. При экосистемном подходе центром внимания являются поток энергии и круговорот веществ между биотическим и абиоти ческим компонентами экосферы. Наибольший интерес представляет установле ние функциональных связей, таких, как цепи питания живых организмов между собой и с окружающей средой. Все связи оцениваются по их воздействию на установленный объект.

В экосистемном подходе находит приложение концепция саморегуляции (гомеостаза), из которой становится ясным, что нарушение регуляторных меха низмов, например, в результате загрязнения среды, может привести к биологи ческому дисбалансу. Экосистемный подход важен при разработке стратегии развития сельского хозяйства.

Изучение сообществ. При изучении сообществ исследуют растения, жи вотных и микроорганизмы, которые обитают в различных биотических едини цах, таких, как лес, луг, пустошь. Основное внимание уделяется определению и описанию видов, изучению факторов, ограничивающих их распространение.

Одним из аспектов подобных исследований является получение научных дан ных о сукцессиях и климаксовых сообществах, что весьма важно для решения вопросов рационального использования природных ресурсов.

Популяционный подход. В современных популяционных исследованиях используются математические модели роста, самоподдержания и уменьшения численности популяции тех или иных видов. Построение моделей связано с та кими понятиями, как рождаемость, выживаемость и смертность. Популяцион ный подход обеспечивает теоретическую базу для понимания вспышек числен ности вредителей и паразитов, имеющих значение для медицины и сельского хозяйства. Дает возможность борьбы с ними применением биологических ме тодов, позволяет оценить критическую численность вида, необходимую для его выживания. Это особенно важно при организации заповедников, ведении сель ского и охотничьего хозяйства, а в теоретическом плане – при изучении вопро сов эволюционной и исторической экологии.

Изучение местообитаний. Анализ местообитания особо выделяют в свя зи с удобством проведения исследований. Он широко распространен в полевых исследованиях, так как местообитания легко поддаются классификации. Здесь изучают биотические компоненты экосистемы, основные факторы окружающей среды – эдафические, топографические и климатические, такие, как почва, во да, влажность, температура, свет и ветер. Анализ местообитаний имеет тесные связи с экосистемным подходом и изучением сообществ.

Эволюционный и исторический подходы. Важный материал о характере вероятных будущих изменений мы можем получить, изучая, как экосистемы, сообщества, популяции и местообитания менялись во времени. Эволюционная экология рассматривает изменения, связанные с развитием жизни на Земле, по зволяет понять основные закономерности, которые действовали в экосфере до того момента, когда важным экологическим фактором, влияющим на большин ство организмов и на физическую среду, стала деятельность человека. Эволю ционный подход в исследованиях позволяет реконструировать экосистемы прошлого, используя палеонтологические данные (анализ пыльцы, ископаемые остатки и т.д.) и сведения о современных экосистемах.

Историческая экология изучает изменения, связанные с развитием чело веческой цивилизации и технологии, их возрастающее влияние на природу, ох ватывая период от неолита до наших дней. Используя исторические подходы, можно выявлять долговременные экологические тенденции.

1.3. Законы экологии Каждый живой организм может нормально существовать и продолжать свой род в определенной области значений факторов среды. Для нормального существования наземных животных и человека существуют нижние и верхние пределы температуры, освещенности, концентрации кислорода в воздухе, атмо сферного давления и др. Область количественных значений какого-либо факто ра среды, в пределах которой могут существовать особи данного вида (популя ции), называют диапазоном выживания, зоной устойчивости или зоной толе рантности, или биоинтервалом фактора среды. Обычно выделяют зону нор мальной жизнедеятельности и стрессовые зоны (зоны угнетения), за которыми следуют пределы выносливости (устойчивости). За нижним и верхним преде лами устойчивости происходит гибель организма.

Закон лимитирующих факторов: даже единственный средовый фактор за границами зоны своего оптимума приводит к угнетенному (стрессовому) со стоянию организма, а за пределами выносливости – к его гибели. Такой фактор называется лимитирующим. Это может относиться к любому средовому факто ру, которого слишком много или слишком мало (например, как избыток, так и недостаток влаги может привести к гибели растений).

Закон лимитирующих факторов был впервые сформулирован Ю. Либи хом в 1840 г., и поэтому его называют законом минимумов Либиха. Он приме ним как к растениям, так и к животным. Из сказанного следует, что плотность популяций любого вида будет наивысшей там, где все параметры среды для не го оптимальны. Она снизится, но не упадет до нуля, если значение одного или нескольких средовых факторов будет стрессовым. Наконец, вид отсутствует, если один из факторов выходит за пределы выживания (устойчивости) вида.

Этот закон еще называется законом толерантности.

Виды могут существенно отличаться с точки зрения оптимальных усло вий и пределов выносливости. Однако, если оптимумы и пределы выносливо сти у разных видов неодинаковы, их общие пределы выносливости могут в зна чительной степени перекрываться.

Именно этим объясняется увеличение устойчивости экосистем с увеличе нием количества видов в ней. Например, экосистемы тайги значительно устой чивее экосистем пустыни или тундры.

Закон биогенной миграции атомов (В. И. Вернадского) имеет важное теоретическое и практическое значение. Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредст венном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т.д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое существовало на Земле в течение всей геологической истории.

Согласно закону биогенной миграции атомов, понимание общих химических процессов, протекавших и протекающих на поверхности суши, в атмосфере и заселенных организмами глубинах литосферы и вод, а также геологических слоях, сложенных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учета биотических факторов, в том числе эволюционных.

Б. Коммонер выдвинул ряд положений, которые сегодня называют «зако нами» экологии: 1) все связано со всем;

2) все должно куда-то деваться;

3) при рода «знает» лучше;

4) ничто не дается даром.

Первый закон «Все связано со всем» отражает существование сложней шей сети взаимодействий в экосфере. Он предостерегает человека от необду манного воздействия на отдельные части экосистем, что может привести к не предвиденным последствиям.

Второй закон «Все должно куда-то деваться» вытекает из фундаменталь ного закона сохранения материи. Он позволяет по-новому рассматривать про блему отходов материального производства. Огромные количества веществ из влечены из Земли, преобразованы в новые соединения и рассеяны в окружаю щей среде без учета того факта, что «все должно куда-то деваться». И как ре зультат – большие количества веществ зачастую накапливаются там, где в при роде их не должно быть.

Третий закон «Природа знает лучше» исходит из того, что «структуры организмов нынешних живых существ или организмов современной природной экосистемы – наилучшие в том смысле, что они были тщательно отобраны из неудачных вариантов и что любой новый вариант, скорее всего, будет хуже су ществующего ныне». Этот закон призывает к тщательному изучению естест венных био- и экосистем, сознательному отношению к преобразующей дея тельности. Без точного знания последствий преобразования природы недопус тимы никакие ее «улучшения».

Четвертый закон «Ничто не дается даром», по мнению Б. Коммонера, объединяет предшествующие три закона, потому что биосфера как глобальная экосистема, представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не мо жет быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеоб щего улучшения;

все, что было извлечено из нее человеком, должно быть воз мещено.

1.4. Экология, природопользование и охрана окружающей среды Практическая значимость экологии заключается, в первую очередь, в том, что она может и должна осуществлять научный контроль природопользо вания. Природопользование составляет ресурсную базу экономики. Имеются в виду не только природные биоресурсы – лес и другие эксплуатируемые челове ком сообщества дикорастущих растений и промысловых животных, но и про странства территорий и акваторий, земля, вода, воздух, солнечный свет, агроре сурсы, продукты недр – все, что так или иначе участвует в природных и антро погенных трансформациях энергии и круговоротах веществ.

Природопользование может быть рациональным (разумным) и нерацио нальным. При рациональном природопользовании, обеспечивающем экономи чески эффективное потребление и воспроизводство природных ресурсов, соз даются возможности для удовлетворения потребностей в них не только на стоящего, но и будущих поколений людей. В основе природопользования должны лежать законы экологии, законы экономики природы. Нарушение эко логических требований ведет к ухудшению природной среды и вызывает необ ходимость проведения специальных природоохранных мероприятий.

Основания охраны окружающей среды формируются в первую очередь со стороны безопасности и потребностей человека. Охранять среду – означает не допускать появления в среде обитания людей вредных для здоровья агентов.

Эти подходы соотносятся как стратегия и тактика, как выбор долговре менного поведения и меры первоочередных решений. Они не могут быть разъ единены: загрязнение окружающей человека среды наносит вред другим орга низмам и живой природе в целом, а деградация природных систем ослабляет их способность к естественному очищению среды. Но всегда следует понимать, что сохранить качество окружающей человека среды невозможно без участия природных экологических механизмов.

На протяжении истории цивилизации практически все формы инженер ной деятельности и все технические достижения человека имели в той или иной степени антиприродную, природопокорительную направленность. Распашка степей, уничтожение лесов, осушение болот, возведение плотин, прокладка ма гистральных дорог, каналов, трубопроводов, бурение скважин, вскрытие карье ров, выброс в среду отходов производства, взрывы, военные действия и, по су ществу, любая человеческая деятельность наносила и наносит раны природе.

Необходимо отказаться от природопокорительной идеологии и практики, научиться соизмерять технический прогресс с выносливостью природы. Необ ходим поиск принципиально новых решений, технологий, производственных процессов, создание нового, экологически адекватного мира вещей. Отсюда – необходимость высокой экологической образованности каждого инженера.

2. Глобальный круговорот веществ Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ:

большой, или геологический (абиотический), и малый, или биологический (био тический).

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздуш ных масс и воды. В основе большого геологического круговорота веществ ле жит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабе планеты. Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т.п. Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ.

Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возни кает круговорот органических веществ, или малый, биологический круговорот.

В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей. В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание ор ганического вещества затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучи стой энергии.

Все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ. Более или менее замкнутые пути движения химических элементов на зываются биогеохимическими циклами («био» – относится к живым организ мам, а «гео» – к твердым породам, воздуху и воде). Из почти ста химических элементов, встречающихся в природе, 30-40 являются биогенными, т.е. необхо димыми организмам. Жизненно важные для организмов элементы всегда уча ствуют в биохимических циклах, которые называют круговоротом питательных или биогенных веществ. В круговороте отдельных элементов различают две части: резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ (в ос новном, небиологическая часть) и подвижный, или обменный фонд, – меньший, но более активный. Иногда резервный фонд называют «недоступным», а об менный – «доступным». Биогеохимические циклы делятся на два типа: круго вороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохими ческими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме круговорота во ды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.

2.1. Круговороты газообразных веществ Биогеохимические циклы углерода и азота – примеры круговоротов наи более важных газообразных биогенных веществ.

Круговорот углерода. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО относительно невелики в сравнении с его запасами в океанах и земной коре (в виде ископаемого топлива). Циркуляция углерода в биосфере основана на по ступлении СО2 в атмосферу и его потреблении.

Поступление углекислого газа в атмосферу в современных условиях происходит в результате: 1) дыхания всех организмов;

2) минерализации орга нических веществ;

3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеют также биогенное происхождение);

4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (незначительная часть – до 0,01%) и 5) сжигания топлива.

Потребление углекислого газа происходит главным образом: 1) в процес се фотосинтеза;

2) в реакциях его с карбонатами в океане;

3) при выветривании горных пород. Низкое содержание СО2 и высокие концентрации О2 в атмосфере сейчас служат лимитирующими факторами для фотосинтеза, а зеленые расте ния являются регуляторами этих газов. Таким образом, «зеленый пояс» Земли и карбонатная система океана поддерживают относительно постоянное со держание СО2 в атмосфере. Влияние человека на круговорот углерода прояви лось в том, что с развитием индустрии и сельского хозяйства поступление СО2 в атмосферу стало расти за счет антропогенных источников. Разведанные запасы горючих ископаемых (угли, нефть, битумы, торф, сланцы, газы) содержат около 1•1013 т углерода. Главная причина увеличения содержания СО2 в атмосфере – это сжигание горючих ископаемых, однако, свой вклад вносят и транспорт, и уничтожение лесов. При уничтожении лесов содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древесины, за счет снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы (если на месте лесов рас пахивают поля или строят города).

Круговорот азота. Воздух по объему почти на 80% состоит из молеку лярного азота N2 и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента.

Поступление азота в атмосферу происходит: 1) в процессе денитрифи кации, т.е. биохимического восстановления оксидов азота до молекулярного га за N2;

2) с вулканическими газами и 3) с «индустриальными вулканами» (ды мом, выхлопными газами). В водоемы соединения азота поступают: c поверх ностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий;

с подзем ными водами;

с городскими и промышленными стоками;

со сточными водами сельскохозяйственных производств.

Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в процессе азотфиксации благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и многих водорослей (прежде всего синезеленых), 2) в результате естественных физических процес сов фиксации азота в атмосфере (электрические разряды при грозе и др.) и 3) в процессе промышленного синтеза NH3. Минеральные соединения азота (NH4+, NO2-, NO3-) потребляются растениями при фотосинтезе.

Поскольку продуктом разложения аминокислот независимо от путей расщепления является аммиак NH3, то эта стадия называется аммонификацией.

Выделившийся аммиак в природных условиях частично используется расте ниями как питательный материал, а частично окисляется, взаимодействуя с ки слородом. Эта стадия превращений азота называется нитрификацией и проте кает в две фазы в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий.

Образовавшиеся при нитрификации нитриты и нитраты могут быть потенци альным источником кислорода в анаэробных условиях. Безазотистые органиче ские вещества окисляются за счет нитритов и нитратов. При этом нитриты и нитраты восстанавливаются до газообразного азота, вновь поступающего в ат мосферу. Этот процесс называется денитрификацией. В сточных водах часто образуются излишние количества нитритов и нитратов, которые могут вызвать нежелательное «цветение» воды в водоемах. Поэтому процессы денитрифика ции используются для глубокой доочистки сточных вод от минеральных форм азота. Азотфиксация (связывание молекулярного азота) – процесс, обратный денитрификации.

2.2. Осадочные циклы Наибольшее значение имеет в биосфере круговорот фосфора.

Круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных биогенных элементов. В биотический круговорот фосфор поступает в процессе разруше ния протоплазмы организмов и постепенно переходит в фосфаты. Особенность биогеохимического цикла фосфора заключается в том, что, в отличие от азо та и углекислого газа, резервным фондом его является не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.

Поступление фосфора в круговорот происходит в основном: в процессе эрозии фосфатных пород (в том числе, гуано) и вследствие минерализации про дуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных. Об разующиеся фосфаты (РО4 3-) поступают в наземные и водные экосистемы, где вновь могут потребляться растениями.

Потребляется фосфор растениями и животными для построения белков протоплазмы и в промышленном производстве удобрений и моющих средств.

Основные потери фосфора из круговорота происходят при сбросе промыш ленных, городских и сельскохозяйственных сточных вод в водоемы;

при приме нении избыточных количеств фосфорных удобрений и фосфорсодержащих моющих средств.

Биогеохимический цикл ртути Hg – пример круговорота природного эле мента, который почти не влиял на организмы до наступления индустриальной эры. Ртуть химически малоподвижна, а концентрации ее в природе невелики.

Разработка месторождений и промышленное использование увеличили поток ртути в атмосферу. Соответственно увеличился и ее сток с поверхностными во дами. Увеличение содержания ртути, как, впрочем, и других тяжелых металлов (кадмия, меди, цинка, хрома), в окружающей среде стало серьезной проблемой.

В результате разработки отложений и увеличения выбросов ртути возрастает ее количество в почвах, воде, живых организмах. При этом микроорганизмы, уча ствующие в круговороте, превращают ее нерастворимые формы в раствори мую, очень подвижную и очень ядовитую – метилртуть. Рыбы и моллюски на капливают метилртуть до концентраций, опасных для человека, использующего их в пищу.

2.3. Возврат веществ в кругооборот Основные пути возвращения веществ в кругооборот.

Непосредственные выделения животных и человека без предварительно го разложения бактериями.

Микробное разложение органических остатков – детрита – редуцента ми. Бактерии и грибы – основные агенты регенерации элементов этим путем.

Возвращение веществ в круговорот благодаря жизнедеятельности орга низмов, живущих в симбиозе с растениями. Это могут быть бактерии, микро скопические грибы, водоросли, лишайники, другие растения.

Поступление в круговорот элементов и веществ в результате физиче ских процессов, движимых солнечной энергией, т.е. в результате выветривания, эрозии, с потоками воды и т.д.

Поступление элементов в биохимические циклы, связанные с деятельно стью человека и затратами энергии ископаемого топлива. Таким путем возвра щаются в круговорот опресненная морская вода, биогенные элементы в виде удобрений, металлы, другие ценные вещества, извлекаемые из отходов, и т.д.

На возврат веществ в круговорот всегда затрачивается энергия. Для первых трех путей энергия поступает из органических веществ, для четвертого – от Солнца, для пятого – от топлива.

3. Экосистемы Основной объект экологии – экологическая система, или экосистема – пространственно определенная совокупность организмов разных видов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационны ми взаимодействиями.

Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А. Тенс ли (1935). Оно приложимо как к относительно простым искусственным (аква риум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Различают водные и наземные экосистемы.

В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп, или экотоп – пространство, участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями, и биотический компонент – сообще ство, или биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих дан ный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообще ства. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов.

Совокупность сообществ определенной крупной географической области называют региональной биотой.

Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов: абиотиче скими – компонентами неживой природы и биотическими – компонентами жи вой природы.

Абиотические компоненты – это следующие основные элементы нежи вой природы:

– неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, кислород, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фос фор, сера, хлор и др.);

– органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.);

– воздушная, водная или твердая среда обитания;

– климатический режим и др.

Особое значение для выделения экосистем имеют трофические, т.е. пи щевые взаимоотношения организмов, регулирующие всю энергетику биотиче ских сообществ и всей экосистемы в целом. Прежде всего все организмы делят ся на две большие группы – автотрофы и гетеротрофы.

Биотические компоненты состоят из трех функциональных групп орга низмов. Первая группа организмов - продуценты (создающий, производящий), или автотрофные организмы (пища). Они подразделяются на фото- и хемоав тотрофов.

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основ ном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии.

Хемоавтотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты.

Вторая группа организмов - консументы (потреблять), или гетеро трофные организмы (пища), осуществляют процесс разложения органических веществ.

Эти организмы используют органические вещества в качестве источника и питательного материала и энергии. Их делят на фаготрофов (пожирающий) и сапротрофов (гнилой).

Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся, в основном, крупные животные - макроконсу менты.

Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.

Третья группа организмов – редуценты (возвращающий). Они участвуют в последней стадии разложения – минерализации органических веществ до не органических соединений (СО2, Н2О и др.). Редуценты возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. К редуцентам относятся, главным образом, микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) – микроконсументы.

Роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без реду центов в биосфере накапливались бы груды органических остатков;

иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем, прекратилась бы.

Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трех основных составляющих: сообщества, потока энергии и круговорота веществ.

Часто экосистему выделяют внутри естественных границ. Например, границей озера служит береговая линия, а границами города - административные грани цы. Но эти границы могут быть и условными.

С точки зрения пространственной структуры, в природных экосистемах можно выделить два яруса: верхний, автотрофный ярус, или «зеленый пояс»

Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл;

здесь преобладают фиксация света, использование простых неорганических соедине ний и накопление солнечной энергии в сложных фотосинтезируемых вещест вах;

нижний, гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами и донными осадками, в которых преобладают процессы разложения мертвых органических остатков растений и животных.

3.1. Свойства и функции экосистем Взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов является наиболее важной функцией любых экосистем. В течение значительного геоло гического периода, начиная приблизительно с кембрия (600 млн. – 1 млрд. лет назад), небольшая, но заметная часть синтезируемого органического вещества не расходовалась, а сохранялась и накапливалась в осадках. Именно преоблада ние скорости синтеза над скоростью разложения органических веществ и яви лось причиной уменьшения содержания углекислого газа и накопления кисло рода в атмосфере.

Зеленые организмы сыграли основную роль в формировании геохимиче ской среды Земли, благоприятной для существования всех других организмов.

Значительное накопившееся количество кислорода сделало возможным появление и эволюцию высших форм жизни. Примерно 300 млн. лет назад от мечался особенно большой избыток органической продукции, что привело к образованию горючих ископаемых. За счет накоплений этой энергии позже че ловек смог совершить промышленную революцию. За последние 60 млн. лет в атмосфере выработалось относительно постоянное соотношение кислорода (21%) и углекислого газа (0,03%).

3.2. Саморегуляция экосистем Обеспечивается внутренними механизмами, устойчивыми связями между их компонентами, трофическими и энергетическими взаимоотношениями.

Сообщество организмов и физическая среда развиваются и функциони руют как единое целое.

Экосистемы имеют кибернетическую природу (искусство управления) и характеризуются развитыми информационными сетями, состоящими из пото ков физических и химических сигналов, связывающих все их части в единое целое. Эти потоки управляют системой.

Гомеостаз – это способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды.

Стабильность экосистем в экологии означает свойство любой системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из со стояния равновесия. Стабильность определяется устойчивостью экосистем к внешним воздействиям. Выделяют два типа устойчивости: резистентную и уп ругую.

Резистентная устойчивость (сопротивляемость) – это способность эко системы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою струк туру и функцию.

Упругая устойчивость – способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функции.

Например, калифорнийский лес из секвойи устойчив к пожарам (высокая резистентная устойчивость), но, если сгорит, то восстанавливается очень мед ленно или вовсе не восстанавливается (низкая упругая устойчивость). А зарос ли вереска очень легко выгорают (низкая резистентная устойчивость), но быст ро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость).

Образование органических веществ на свету называется фотосинтезом (свет, соединение).

Фотосинтез есть накопление части солнечной энергии путем превраще ния ее в потенциальную энергию, химических связей органических веществ.

Фотосинтез - необходимое связующее звено между живой и неживой природой. Синтезированные растениями углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал и др.) являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных организмов, населяющих нашу планету.

Разложение органических веществ происходит в процессе метаболизма (изменение) в живых клетках.

Метаболизм - это совокупность биохимических реакций и превращений энергии в живых клетках, сопровождающихся обменом веществ между орга низмами и средой.

Сумма реакций, ведущих к распаду или деградации молекул и выделению энергии, называется катаболизмом, а приводящих к образованию новых моле кул - анаболизмом.

Дыхание может происходить как в аэробных, т. е. в присутствии кисло рода, так и в анаэробных - бескислородных условиях.

Аэробное дыхание - процесс, обратный нормальному фотосинтезу, ана эробное дыхание протекает без участия газообразного кислорода.

Бескислородное дыхание служит основой жизнедеятельности многих са протрофов (бактерий, дрожжей, плесневых грибков, простейших), но может встречаться и в тканях высших животных. Брожение - это анаэробное дыхание.

Разложение органических веществ есть результат добывания необхо димых химических элементов и энергии организмами при преобразовании пищи внутри клеток их тела. Если бы вдруг эти процессы прекратились, то все био генные элементы оказались бы связанными в мертвых остатках, а продолжение жизни стало бы невозможным. Комплекс разрушителей в биосфере состоит из огромного числа видов, которые, действуя последовательно, осуществляют распад органических веществ до минеральных. Процессы образования органи ческих веществ и их распад называют также процессами продукции (создание, производство) и деструкции (разрушение).

3.3. Развитие экосистем Наблюдения в природе показывают, что заброшенные поля или выжжен ный лес постепенно завоевываются многолетними дикими травами, затем кус тарниками и, в конце концов, деревьями. Сукцессия – это направленное пред сказуемое развитие экосистемы до установления равновесия между биотиче ским сообществом – биоценозом и абиотической средой – биотопом. Развитие экосистем во времени известно под названием экологических сукцессий (преем ственность, последовательность).

Экологическая сукцессия – это последовательная смена биоценозов, пре емственно возникающих на одной и той же территории под воздействием при родных или антропогенных факторов.

Сукцессия, начинающаяся на участке, прежде не занятом, называется первичной. Например, поселения лишайников на камнях: под действием выде лений лишайников каменистый субстрат постепенно превращается в подобие почвы, где поселяются затем кустистые лишайники, зеленые мхи, травы, кус тарники и т. д.


Если сообщество развивается на месте уже существовавшего, то говорят о вторичной сукцессии. Например, изменения, происходящие после раскорчев ки или порубки леса, устройства пруда или водохранилища и т. п.

Скорость сукцессии различна. В историческом аспекте смена фауны и флоры по геологическим периодам есть не что иное, как экологические сукцес сии. Они тесно связаны с геологическими и климатическими изменениями и эволюцией видов. Такие изменения происходят очень медленно. Для первич ных сукцессий требуются сотни и тысячи лет. Вторичные протекают быстрее.

Для восстановления растительной биомассы на месте вырубки, лесного пожара или покинутого сельскохозяйственного участка требуется от 30-50 до 250 лет.

Автотрофная сукцессия – широко распространенное в природе явление, которое начинается в незаселенной среде: формирование леса на брошенных землях или восстановление жизни после извержения вулканов и других при родных катастроф. Она характеризуется длительным преобладанием автотроф ных организмов.

Гетеротрофная сукцессия характеризуется преобладанием бактерий и встречается тогда, когда среда пересыщена органическими веществами. На пример, в реке, загрязняемой сточными водами с большим содержанием орга нических веществ, или на очистных сооружениях.

В климаксных системах образуется сложная сеть взаимоотношений, под держивающих ее стабильное состояние. Теоретически такое состояние должно быть постоянным во времени и существовать до тех пор, пока его не нарушат сильные внешние возмущения.

В отличие от сукцессии, эволюция экосистем представляет собой дли тельный процесс их исторического развития. Эволюционные процессы необра тимы. По сути дела, эволюция экосистем - это история развития жизни на Земле от возникновения биосферы до наших дней. В основе эволюции лежит естест венный отбор на видовом или более низком уровне.

Физико-химические и климатические условия в разных частях биосферы различны. Климатически обусловленные крупные совокупности экосистем на зывают биомами, или формациями.

Биом – это макросистема, совокупность экосистем, тесно связанных кли матическими условиями, потоками энергии, круговоротом веществ, миграцией организмов и типом растительности. Биомы можно подразделить на три основ ные группы, приуроченные к наземным, морским и пресноводным местообита ниям. Формирование их зависит от макроклимата, а последний - от географиче ской широты местности. Важными факторами являются: циркуляция воздуха, распределение солнечного света, сезонность климата, высота и ориентация гор, гидродинамика водных систем.

Наземные формации, в основном, определяются растительностью, так как растения теснейшим образом зависят от климата и именно они образуют ос новную часть биомассы.

Самый богатый по числу видов биом планеты - это вечнозеленый дожде вой тропический лес.

Морские биомы в меньшей степени зависят от климата, чем наземные.

Они формируются в зависимости от глубины водоема и вертикального разме щения организмов. Крупные биомы земного шара отличаются стабильностью.

Примером антропогенных систем является город. Любой город, особен но промышленный, является гетеротрофной экосистемой, получающей энер гию, пищу, воду и другие вещества с больших площадей, находящихся за его пределами.

3.4. Основные причины разрушения экосистем Основные причины разрушения экосистем и истощения ресурсов сле дующие:

– В отличие от природы, где образование и потребление пищевых ре сурсов происходят по безотходному, почти замкнутому циклу, при производстве продуктов и товаров человеком образуются отходы. Для удовлетворения всех своих нужд человеку в год требуется около 20 т природного сырья, 90-95% которого поступает в отходы. Когда-то природные системы перерабатывали отходы человеческой деятельно сти, как бы защищая себя от их вредного воздействия. В современных условиях возможности биосферы к самоочищению и саморегуляции почти исчерпаны.

– Емкость природной среды, т.е. максимальная численность популяции определенного вида, которую в течение длительного времени экоси стема может выдержать и не деградировать, не позволяет переработать все отходы деятельности человека, накопление которых создает угрозу глобального загрязнения окружающей среды и деградации естествен ных экосистем.

– Запасы полезных ископаемых ограничены физико-химическими усло виями и размерами нашей планеты, что приводит к их постепенному истощению.

– Результаты разрушительной деятельности людей часто имеют долго временные последствия, которые не прослеживаются одним поколе нием. Кроме того, воздействие на природу в одном регионе может ска зываться в отдаленных от этого региона местах.

По мере роста города затраты на обеспечение его функций возрастают, а качество жизни снижается. Оптимальная емкость среды, очевидно, соответст вует городам умеренных размеров, с населением около 100 тысяч человек.

Индустриально-городская система сильно зависит также от емкости сре ды на входе и выходе, т.е. размеров сельского окружения. Чем больше город, тем больше он нуждается в пригородных пространствах. Часто именно качест во жизни, а не недостаток энергии и других удобств становится фактором, ли митирующим развитие города. Некоторые ученые полагают, что поддержи вающая емкость Земли уже превышена.

4. Экологические факторы Среда обитания – это природное окружение живого организма. Она сла гается из множества неорганических и органических компонентов, включая привносимые человеком. Важные для жизни организма компоненты окружаю щей среды, с которыми он неизбежно сталкивается, называются экологически ми факторами - это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы. Экологические факторы делятся на три категории: 1) абиотические – факторы неживой природы;

2) биотиче ские – факторы живой природы;

3) антропогенные – факторы человеческой деятельности. Приспособительные реакции организмов к тем или иным факто рам среды определяются периодичностью их воздействия. К первичным перио дическим факторам относятся явления, связанные с вращением Земли, - смена времен года, суточная смена освещенности и т.д. Эти факторы действовали еще до появления жизни на Земле, и возникающие живые организмы должны были сразу адаптироваться к ним. Вторичные периодические факторы – следствия первичных, это влажность, температура, осадки и т.д. К непериодическим фак торам относятся стихийные явления, а также факторы, имеющие техногенную природу.

4.1. Абиотические факторы Это факторы неорганической (неживой) природы: свет, температура, влажность, давление, агрегатное состояние среды, химический состав среды, концентрация веществ в ней, а также физические поля (гравитационное, маг нитное), ионизирующая и проникающая радиация, суточные и сезонные изме нения в природе.

Свет. Наиболее важную роль для фотосинтеза играют оранжево-красные лучи, на которые приходится 45% солнечной радиации. Инфракрасные лучи не воспринимаются многими животными и растениями, но являются необходи мыми источниками тепловой энергии. На ультрафиолетовую часть спектра приходится 7% солнечной энергии. Ионизирующее излучение – это излучение с очень высокой энергией. Источник ионизирующего излучения – радиоактивные вещества и космические лучи. Влажность атмосферного воздуха – параметр, характеризующий процесс насыщения его водяными парами. Разность между максимальным (предельным) насыщением и данным насыщением называется дефицитом влажности. Чем выше дефицит, тем суше и теплее, и наоборот.

Осадки являются результатом конденсации водяных паров. Они играют важ ную роль в круговороте воды на Земле. В зависимости от характера их выпаде ния выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны. Газовый со став атмосферы. Важнейшим биогенным элементом атмосферы, который уча ствует в образовании белков в организме, является азот. Кислород, поступаю щий в атмосферу в основном от зеленых растений, обеспечивает дыхание. Озон выполняет экранирующую роль по отношению к ультрафиолетовой части сол нечного спектра. Температура на поверхности Земли определяется темпера турным режимом атмосферы и тесно связана с солнечным излучением. Для большинства наземных животных и растений температурный оптимум колеб лется от 15 до 30С;

некоторые моллюски живут в горячих источниках при тем пературе до 53С, а некоторые сине-зеленые водоросли и бактерии – до 70 90С. Глубокое охлаждение вызывает у насекомых, некоторых рыб и пресмы кающихся полную остановку жизни – анабиоз.

Абиотические факторы водной среды:

На долю Мирового океана приходится 71% земной поверхности. Водная среда отличается от наземной плотностью и вязкостью. Плотность воды в раз, а вязкость в 55 раз больше плотности воздуха. Наряду с этим, важнейшими особенностями водной среды являются: подвижность, температурная стра тификация, прозрачность и соленость, от которых зависит фотосинтез бакте рий и фитопланктона и своеобразие среды обитания гидробионтов.

4.2. Биотические факторы Под биотическими факторами понимают совокупность влияний жизне деятельности одних организмов на другие. Все многообразие взаимоотношений между организмами можно разделить на два основных типа: антагонистические и неантагонистические. Антагонистические – это такие отношения, при кото рых организмы двух видов подавляют друг друга (––) или один из них подавля ет другой без ущерба для себя (+–). Основные формы этого вида биотических отношений: хищничество, паразитизм и конкуренция. Хищничество – форма взаимоотношений организмов разных трофических уровней, при которой один вид организмов живет за счет другого, поедая его (+–). Паразитизм (тунеядец) – межвидовые взаимоотношения, при которых один вид живет за счет другого (+–), поселяясь внутри или на поверхности тела организма-хозяина. Конкурен ция (соперничество) – форма взаимоотношений, при которых организмы одно го трофического уровня борются за пищу и другие условия существования, по давляя друг друга (– –). Тип взаимодействий конкретных видов может меняться в зависимости от условий или стадий жизненного цикла. Неантагонистические взаимоотношения теоретически можно выразить многими комбинациями: ней тральные (0 0), взаимовыгодные (+ +), односторонние (0 +) и др. Основные формы этих взаимодействий следующие: симбиоз, мутуализм и комменсализм.


Симбиоз (сожительство) – это обоюдовыгодные, но не обязательные взаимо отношения разных видов организмов (+ +). Мутуализм (взаимный) – взаимовы годные и обязательные для роста и выживания отношения организмов разных видов (+ +). Комменсализм (сотрапезник) – взаимоотношения, при которых один из партнеров извлекает выгоду, а другому они безразличны (+ 0). Несмот ря на конкуренцию и другие типы антагонистических отношений, в природе многие виды могут спокойно уживаться. В таких случаях говорят, что каждый вид обладает собственной экологической нишей (гнездо). Термин был предло жен в 1910 г. Р. Джонсоном.

Экологическая ниша – это совокупность территориальных и функцио нальных характеристик среды обитания, соответствующих требованиям данно го вида: пищи, условий размножения, отношений с конкурентами и т.д. П.

Агесс (1982 г.) приводит такие определения ниши и среды: среда – адрес, по которому проживает организм, а ниша – его профессия.

4.3. Антропогенные факторы Аптропогенные факторы – порождены деятельностью человека (изъятие природных ресурсов, изменение ландшафтов, загрязнение природной среды, техногенные и нетехногенные факторы).

Преобладающая часть антропогенных факторов, связанная с производст вом, с применением техники, машин, строительства, носит название техноген ных факторов. Нетехногенная часть антропогенных факторов связана с бытом и поведением человека в природе (свалки бытовых отходов, мусора, последствия "активного отдыха" и т. д.).

Границы между биотическими, абиотическими и антропогенными факто рами условны, и некоторые абиотические факторы имеют биогенное или техно генное происхождение (состав воздуха, качество воды, свойства почвы и т. д.).

Все перечисленные факторы действуют на живые организмы экосистемы одновременно. Степень присутствия или отсутствия каждого из них сущест венно отражается на жизнеспособности организмов, но неодинаково действует на разные виды. Это влияет на экосистему в целом.

5. Биосфера Биосфера планеты – сфера жизни всего живого и человека в том числе.

Состав, структура и энергетика биосферы определяются совокупной деятельно стью живых организмов и космоса. Биосфера – это не вся планета. Она ограни чена сверху до высоты озонового слоя, т.е. 20-25 км над уровнем океана, на суше – на глубину 2-3 км ниже дна океана. По физическим природным услови ям биосфера делится на три среды: атмосферу, гидросферу, литосферу. Уче ние В. И. Вернадского о биосфере играет ключевую роль в формировании ми ровоззрения современного человека, в понимании им своего места в природе и ответственности за будущее биосферы.

Термин «биосфера» впервые применил австрийский геолог Э. Зюсс (1873), определяя им пространство органической жизни на Земле.

Биосферу слагают три категории субстанций:

Живое вещество – совокупность всех живых организмов – микроорга низмов, растений и животных, и их активная биомасса;

живое вещество проти вопоставлено неживому, косному веществу – горным породам, минералам, ни как не связанным с деятельностью живых организмов (изверженные и мета морфические породы земной коры, магматические руды, продукты их абиоген ного преобразования и т.п.);

Биогенное вещество – мертвая органика, все формы детрита, торф, уголь, нефть и газ биогенного происхождения, а также осадочные карбонаты, извест няки и т.п.;

Биокосное вещество – смеси живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных по род).

В. И. Вернадский рассматривал земную кору как продукт деятельности прошлых биосфер.

Таким образом, к современной биосфере относится вся совокупность жи вых организмов (живое вещество) и все вещества литосферы, гидросферы и ат мосферы, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами (т.е. современное «биогенное вещест во»).

Такое понимание совпадает с введением ранее и ныне иногда применяе мым понятием экосферы – планетарной совокупности современных экосистем.

Сегодня Земля содержит многослойную насыщенную сферу искусствен но созданных объектов. В околоземном космическом пространстве по разным орбитам движутся тысячи действующих и отработавших искусственных спут ников. В атмосфере постоянно перемещаются тысячи летательных аппаратов.

На поверхности суши простираются пространства технически преобразованных ландшафтов. Огромное количество различных топок, реакторов, машин, меха низмов, преобразователей энергии заполняют планетарную среду химическими, тепловыми, электромагнитными, радиационными и акустическими эмиссиями.

По земле разбросаны многочисленные отвалы пустой породы, терриконы, свал ки, развалины. В земле скрыты горные выработки, шахты, рудники, скважины, сети кабелей и трубопроводов, древние «культурные слои» и захоронения. Оке ан тоже содержит множество искусственных предметов – от плавающего мусо ра до гигантских танкеров, авианосцев, подводных лодок. Для обозначения все го этого наиболее подходит термин техносфера – глобальная совокупность орудий, объектов и продуктов человеческого производства.

В настоящее время выделяют ноосферу, как высшую стадию эволюции биосферы. Ноосфера – это сфера разума, сфера взаимодействия природы и об щества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития.

5.1. Человек и биосфера Давление человека на биосферу началось задолго до наступления этапа промышленной революции, ибо целые цивилизации погибли еще до нашей эры.

Среди невозвратно погибших цивилизаций – Средиземноморская, цивилизация Майя, цивилизация острова Пасхи и др. Катастрофические экологические явле ния в прошлом были, в основном, связаны с деградацией почв, эрозией, засоле нием и т.д. Вследствие антропогенной нагрузки на биосферу сегодня возникли новые экологические проблемы, которых не было в предыдущем XIX столетии:

– началось потепление климата нашей планеты. В результате «парнико вого эффекта» температура поверхности Земли за последние 100 лет возросла на 0,5-0,6С. Источниками СО2, ответственными за большую часть парникового эффекта, являются процессы сжигания угля, нефти и газа и нарушение деятельности сообществ почвенных микроорга низмов тундры, потребляющих до 40% выбрасываемого в атмосферу СО2;

– значительно ускорился процесс подъема уровня Мирового океана. За последние 100 лет уровень моря поднялся на 10-12 см, и сейчас этот процесс десятикратно ускорился. Это грозит затоплением обширных территорий, лежащих ниже уровня моря (Голландия, область Венеции, Санкт-Петербург, Бангладеш и др.);

– произошло истощение озонового слоя атмосферы Земли (озоносферы), задерживающего губительное для всего живого ультрафиолетовое из лучение. Считается, что главный вклад в разрушение озоносферы вно сят хлор-фтор-углероды (т.е. фреоны). Они используются в качестве хладоагентов и в баллончиках с аэрозолями. В 1996 г. была принята международная декларация, запрещающая использование наиболее опасных хлор-фтор-углеродов. При соблюдении условий декларации для полного восстановления озонового слоя потребуется не менее лет и с начала XXI в. можно ожидать постепенный рост толщины «эк рана» озоносферы;

– происходит интенсивное опустынивание и обезлесение планеты Земля. В Азии и Африке процесс опустынивания идет со скоростью 6 млн. га в год. В России это происходит в Калмыкии и Нижнем По волжье. Интенсивно вырубаются леса в Бразилии и России. Сведение лесов приводит к снижению продукции кислорода, сопровождающей процесс фотосинтеза;

– интенсивно загрязняется Мировой океан. Загрязнение сопровождает разработку морских месторождений нефти и является результатом промышленных и коммунальных стоков в океан. Мировой океан в ре зультате фотосинтезирующей деятельности одноклеточных зеленых водорослей дает 2/3 продукции кислорода, насыщающего атмосферу.

Наибольшую опасность для жизни Океана как живого сообщества представляет нефтяное загрязнение. Сейчас в Океан ежегодно вылива ется 10 млн. т нефти, углеводороды которой разрушаются микроорга низмами, превращающими нефть в углекислый газ и воду. Но защит ные силы Океана не безграничны. Модельные расчеты показали, что одновременное попадание в Океан 25 млн. т нефти уничтожит живое сообщество.

Поступление кислорода в атмосферу Земли в результате фотосинте зирующей деятельности ежегодно составляет 240-300 млрд. т. Организмы биосферы расходуют на дыхание 90% этого количества, оставшиеся 10% – 24-30 млрд. т расходуются промышленностью. Но к началу XXI в. промышлен ность при нынешних темпах ее развития может потреблять уже 57-60 млрд. т кислорода. Если не ограничить и не изменить технологию сжигания горючих ископаемых, то через 100 лет содержание кислорода в атмосфере снизится с до 8%.

Необходимо активно внедрять чистые технологии, что позволит значи тельно увеличить продолжительность жизни;

развивать наукоемкие техноло гии, широкомасштабно использовать компьютеризацию;

совершенствовать по стоянно действующее эффективное природоохранное законодательство.

Мировой опыт показывает, что для стабилизации экологической ситуа ции в стране нужно затратить не менее 3% валового национального продукта, а для улучшения экологической ситуации – необходимо уже 5%. Такие расходы несут Германия, Англия и Швеция. Самые большие затраты на природоохран ные мероприятия у США – 7%.

5.2. Влияние урбанизации на биосферу Урбанизация (город) – одно из важнейших глобальных явлений совре менного мира, затрагивающее все народы и страны.

Урбанизация – это рост городов, повышение удельного веса городского населения в стране, регионе, мире.

С точки зрения экологии, современный город-мегаполис – очень сложная экосистема, специфика которой определяется не только высокой концентраци ей большого количества людей на ограниченном пространстве, но и концентра цией на том же пространстве промышленного производства, производства ус луг, транспортных средств. Все это приводит к росту антропогенной нагрузки на окружающую среду.

Загрязнение окружающей среды продуктами жизнедеятельности горо да. Здесь следует выделить несколько проблем: загрязнение воды, твердые го родские отходы, загрязнение атмосферы городов, шумовое загрязнение.

Загрязнение воды. Использованная городская вода насыщена тяжелыми металлами, остатками нефтепродуктов, фенолами и т.д.

Как правило, водные объекты ниже мест сброса сточных вод классифи цируются как ''очень грязные'' и ''чрезвычайно грязные''.

Очень острой является проблема очистки воды. Очищают не более 50%.

Твердые городские отходы. Проблема переработки производимых горо дом твердых бытовых и промышленных отходов до сих пор не решена. Обыч ный метод сбора городских отходов на свалках не является решением пробле мы, так как отходов производится все больше, а места, где их можно складиро вать, становится все меньше. Процесс разложения отходов происходит крайне медленно: бумага разлагается 2-10 лет;

полиэтиленовый пакет – 200 лет;

пласт масса – 500 лет.

Загрязнение воздушной среды города. В загрязнении атмосферы городов одно из ведущих мест занимает автотранспорт. Во многих городах на выхлоп ные газы автомобилей приходится 30%, а в некоторых – 50% загрязнений воз духа. Выхлопные газы автотранспорта остаются в приземном слое атмосферы, что затрудняет их рассеивание. Узкие улицы и высокие здания также способст вуют задерживанию токсичных соединений выхлопных газов в зоне дыхания пешеходов.

В состав выхлопных газов автотранспорта входит более 200 компонентов, тогда как нормируются лишь немногие из них (дымность, оксиды углерода и азота, углеводороды).

Повышенное содержание токсичных веществ в атмосфере городов при водит к тому, что над крупными городами происходит образование смога, ко торый представляет собой сложное сочетание пылевых частиц, капель тумана, токсичных газов.

Шумовое загрязнение. Город является источником не только вредных и токсичных веществ, но и физических загрязнителей, к числу которых относится шум. Шумовое загрязнение приводит к повышенным нервным и психическим нагрузкам на городского жителя. От чрезмерных шумовых воздействий стра дают не только человек, но и растительный, и животный мир. Под оптималь ным шумовым фоном понимают энергию шума 20 децибел (Дб). Городской шум составляет в среднем уровень 30-40 Дб. За последние 10 лет уровень шума в крупных городах поднялся на 5-8 Дб.

5.3. Эволюция биосферы Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой хи мическая эволюция подготавливала возникновение жизни, и собственно биоло гической эволюции. Согласно сложившимся представлениям последователь ность основных этапов такова:

Добиотическая эволюция:

1. Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд лет назад). Пер вичная атмосфера имела высокую температуру, была резко восстано вительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы и другие простые соединения.

2. Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. По является жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в рас творах. Происходит образование и рост молекул.

3. Образование органических соединений в процессах конденсации и по лимеризации простых соединений углерода, азота, водорода, кислоро да за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактив ности, электрических разрядов и других энергетических импульсов.

Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах в результа те фотохимических реакций.

4. Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислитель но-восстановительные реакции, - зародыш биотического круговорота биосферы. Дальнейшее усложнение органических веществ и появле ние устойчивых комплексов макромолекул, возникновение молеку лярных систем самовоспроизведения.

Биотическая эволюция:

5. Возникновение жизни (около 3,5 миллиардов лет назад). Структуриза ция белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к де лению, – сперва хемоавтотрофных прокариот, затем – эукариот. Воз никает биотический круговорот и формируются биосферные функции живого вещества.

6. Развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды;

биопродукция кислорода обусловливает постепенный переход к окис лительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. По явление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биотического круговорота.

Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота.

7. Увеличение биологического многообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом.

Организмами заняты все экологические ниши на планете. Полностью сформировались средообразующая функция биосферы и биологиче ский контроль ее гомеостаза.

8. Появление человека – лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших потоков вещества и энергии нарушает замкнутость биотиче ского круговорота, вызывает антропогенные экологические кризисы и становится негативным фактором эволюции.

Важнейшие события в образовании и развитии биосферы Конец Период периода Атмосфера Развитие жиз Эра Литосфера Гидросфера (млн. (климат) ни лет) Разогрев планеты до 1500-1600°С (на поверхности). Переплавка и рас Образование планеты слоение земного вещества. Постепенное охлаждение (до внутренней температуры планеты 2000-3000°С и температуры поверхности менее 100°С). Образование и потеря первичной атмосферы из водорода и ге 4500- Земля лия. Кислорода в атмосфере нет. Образование первичной (базальтовой) коры. Возможно существование понижений, заполненных водой. Фор мирование первичных возвышенностей в результате вулканической деятельности. Начало образования древних щитов континентов. Начало терригенного осадконакопления. Абиогенный синтез органических со единений. Возникновение пробионтов. Начало эволюции биосферы Несколько эпох Образование и складчатости Мелководный нарастание вто тектонико- океан с ''кислой'' ричной атмо магматической водой и со Начало биоло сферы из паров активизации. множеством гической эво воды, СО, СО2, 2500- Преобладание вулканических люции (бакте Архей СН4, NH3, H2S, химического островов. рии и синезеле SO2 и других выветривания. Увеличение ные водоросли газов. Усиление Образование объема воды (и в океане). Нача парникового красноцветных в последующие ло фотосинтеза эффекта. Появ пород, содер- геологические ление свобод жащих оксиды эпохи) ного кислорода железа Конец Период периода Атмосфера Развитие жиз Эра Литосфера Гидросфера (млн. (климат) ни лет) Несколько эпох складчатости и Появление магматической эукариот. Раз активизации. Нарастание ат- витие много Возникновение мосферы. Рас- клеточных ор гранитомета- пад первичных ганизмов (мно морфического ювенильных гоклеточные Протерозой Мелководный фундамента газов. Содержа- водоросли, ко теплый океан с 570 древних плат- ние O2 достигло раллы-архео вулканическими форм. Химиче- 0,01% от совре- цеаты). Первые островами ское воздейст- менного уровня. организмы с вие газов атмо- Теплый климат. нервной систе сферы на поро- Несколько лед- мой (черви).

ды земной коры никовых эпох Эдиакарская сменилось фи- фауна, в конце зическим вы- эры (венд) ветриванием Вода приобрела химический со став, близкий к Содержание О Образование современному. достигло 1% от Преобладают Гондваны и Биогенное современного.

водоросли. Пер Палеозой Кембрий Балтийского, осадкообразо- Уменьшилось вые морские 500 Китайского и вание становит- содержание СО организмы с на Северо-Амери- ся преобладаю- и водяных па ружным скеле канского мик- щим. Транс- ров. Умеренно том.

роконтинентов грессии и рег- теплый, сухой рессии теплых климат.

мелководных морей Беспозвоночные Существуют донные и пла Гондвана и Бал- Начало образо- вающие орга Палеозой Ордовик тийский, Си- вания озонового низмы, колони 440 бирский и Се- Теплые моря экрана. Разно- альные корал веро-Американ- образные кли- лы. Первые по ский континен- маты. звоночные ты (панцирные ры бы) Конец Период периода Атмосфера Развитие жиз Эра Литосфера Гидросфера (млн. (климат) ни лет) Содержание О достигло 10% Существуют от современно Гондвана и Си- го. Продолже- Первые хряще Обширные рег Силур бирский микро- ние образования вые рыбы. Вы 405 рессии теплых континент. На- озонового экра- ход растений на морей.

чало каледон- на. Жаркий су- сушу.

ского орогенеза. хой климат (средняя темпе ратура 20°С).

Продолжение каледонского орогенеза;

обра- Расцвет рыб.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 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.