Основы экологии

Основы экологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Безопасность жизнедеятельности, экология и химия"

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

Конспект лекций

Направление подготовки:

.050101 Компьютерные науки

Специальность:

Информационные управляющие системы и технологии

Одесса 2008

Конспект лекций "Основы экологии" по дисциплине "Основы экологии" подготовлен доцентом кафедры «Безопасность жизнедеятельности, экология и химия» Олейником Владимиром Николаевичем и ассистентом той же кафедры Савчук Евгенией Викторовной.

Конспект лекций "Основы экологии" по дисциплине "Основы экологии" утверждён на заседании кафедры «Безопасность жизнедеятельности, экология и химия" ОНМУ " 24 " июня 2008 года (протокол № 6).

СОДЕРЖАНИЕ

Тема 1: Структура современной экологии

Тема 2: Основные экологические понятия и термины

Тема 3: Учение В.И. Вернадского о биосфере. Биогеохимические циклы

Тема 4: Основные законы экологии. Основы синэкологии

Тема 5: Антропогенный фактор в биосфере. Основы социоэкологии

Тема 6: Загрязнение атмосферного воздуха и его последствия

Тема 7: Загрязнение водных ресурсов и его последствия

Литература

Тема 1: Структура современной экологии

экология загрязнение биосфера

На современном этапе развития общества экология решает круг проблем и использует методы, материалы, принципы, далеко выходящие за рамки биологических наук. Ныне экология сформировалась в принципиально новую интегрированную дисциплину, объединяющую в себе все естественные, точные, гуманитарные и социальные науки. На долю экологии выпало разработать новые, научно обоснованные методы хозяйствования человека на Земле, исходящие из идеи сохранения биосферы планеты.

Существует несколько определений современной экологии и несколько классификаций ее основных составляющих (разные авторы уделяют основное внимание общефилософским и культурным, социальным, эколого-экономическим аспектам или биоэкологической детализации).

Итак, современная экология является одной из фундаментальных наук, своеобразной философией выживания человечества, стратегией преобразования цивилизации в ХХІ веке, которая должна отвечать современным реалиям во взаимоотношениях населения планеты и Природы, на базе взаимодействия и взаимопомощи всех наций в деле сохранения Биосферы и ее стабильного развития.

Экология - наука о среде нашего обитания, ее живых и неживых компонентах, взаимодействии между этими компонентами - человеком, растительным и животным миром, литосферой, гидросферой и атмосферой. Это наука об особенностях взаимосвязей и согласования стратегий Природы и Человека, которая должна базироваться на идее самоограничения, разумной коэволюции техносферы и биосферы. Все решения, связанные с использованием природных или человеческих ресурсов, с вмешательством в процессы жизнедеятельности биосферы, должны приниматься с учетом их ближайших и отдаленных экологических последствий.

Ныне сформировалось свыше 90 направлений экологических исследований, которые можно объединить по принципам их отраслевой принадлежности, взаимосвязей, соподчиненности, приоритетности, теоретического общечеловеческого и практического значения.

Высшим по рангу обобщающим понятием является универсальная (общая) экология - наука о тактике и стратегии сохранения и стабильного развития жизни на Земле. Она обобщает всю экологическую информацию, поступающую из других разделов, и на основе анализа этих данных и моделирования развития экологической ситуации на планете способствует принятию научно и логически обоснованных решений, касающихся реализации стратегических планов развития цивилизации.

Основные задачи общей экологии:

·изучение с позиций системного подхода общего состояния современной биосферы планеты, причин его формирования и особенностей развития под влиянием природных и антропогенных факторов (т.е. изучение закономерностей формирования, существования и функционирования биологических систем всех уровней во взаимосвязи с атмосферой, литосферой, гидросферой и атмосферой);

·прогноз динамики состояния биосферы во времени и расстоянии;

·разработка путей гармонизации взаимоотношений человеческого общества и природы, сохранение способности биосферы к самовосстановлению и саморегуляции с учетом основных экологических законов и общих законов оптимизации взаимосвязей общества и природы.

Современные исследования должны быть научной базой для разработки стратегии и тактики поведения человечества в природной среде, рационального природопользования, охраны и восстановления окружающей среды. Важнейшим выводом экологических исследований должно стать определение экологической емкости территорий, которая полностью зависит от состояния его экосистем.

Объектами экологии или ее отраслевых подразделений в зависимости от уровня исследований являются экосистемы или их элементы.

Главный предмет исследований - изучение особенностей и развития взаимосвязей между организмами, их группировками разных рангов, экосистемами и неживой компонентой экосистем, а также исследование влияния природных и антропогенных факторов на функционирование экосистем и биосферы в целом.

Итак, универсальной экологии подчинено два блока экологических исследований: теоретическая и практическая экология. Теоретическая включает подраздел - экология живых организмов (подразделы: экология человека, экология микромира, экология растений , экология животных).

Практическая экология объединяет три раздела:

·наука об охране и рациональном использовании природных ресурсов;

·наука о социально-экономических факторах влияния на окружающую среду;

·наука о техногенных факторах влияния на окружающую среду.

Первым возник раздел "Экология живых организмов", который многие исследователи называют биоэкологией. Но к известным классическим разделам (согласно идеям Ю. Одума, Р. Дажо, Н. Реймерса, И. Дедю и др.) добавлены новые биоэкологические направления: биоэкомониторинг, теория заповедного дела, теория искусственных экосистем, основы биоиндикации, экотоксикология и др.

Раздел "Наука об охране и рациональном использовании природных ресурсов" часто называют геоэкологией. Основные ее элементы: ландшафтная экология, экономика природопользования и охрана окружающей среды, экология атмосферы, гидросферы (включает экологию искусственных водоемов, Мирового океана, озер и болот, рек) и литосферы (включает экологию грунтов, месторождений полезных ископаемых (горного дела), геоинженерную экологию, геологическое заповедное дело и др.). Новые разделы блока - геоинформатика и экология геоэнергоаномальных зон.

Раздел "Наука о социально-экономических факторах влияния на окружающую среду" (социоэкология) объединяет такие важные новые подразделы экологической науки, как экологическое образование, экологическое право, урбоэкология, экология народонаселения, экологический менеджмент, экологический маркетинг, национальная и международная экополитика.

Основными структурными элементами раздела "Наука о техногенных факторах влияния на окружающую среду" (техноэкология) являются экология энергетики (подразделы: экология АЭС, ТЭС, ГЭС, нетрадиционных источников энергии (солнечная, геотрмальная, ветровая, биоэнергетика, энергетика моря)), промышленности (химической, металлургической, топливной, электрической, лесохозяйственной, машиностроительной промышленности и стройматериалов), агроэкология (мелиоративная, агрохимическая и экология животноводства), экология транспорта, военного дела, экологическая экспертиза.

Все разделы тесно связаны и используют данные других разделов экологии для своих исследований, оценок и прогнозов.

Тема 2: Основные экологические понятия и термины

Основной (элементарной) функциональной единицей биосферы является экосистема - единый природный комплекс, созданный за длительный период живыми организмами и средой их обитания, где все компоненты тесно связаны обменом веществ, энергии и информации. Но, согласно представлению Ю.Одума, не всякая комбинация «жизнь - среда» может быть экосистемой. Ею может стать лишь среда, где имеет место стабильность и четко функционирует внутренний круговорот веществ.

В зависимости от линейных размеров выделяют микроэкосистемы (лесная поляна, небольшое болотце), мезоэкостистемы (участок леса, озеро) и макроэкосистемы (континент, океан). Глобальной экосистемой является биосфера нашей планеты. Понятие «экосистема» более общее, чем «биогеоценоз», они тождественны лишь на уровне растительного сообщества и принципиально отличаются выше и ниже этого уровня.

Биогеоценоз состоит из таких компонентов, как биотоп и биоценоз. Биотоп - однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое биоценозом (т.е. место обитания вида, организма), а биоценоз - сообщество организмов (продуцентов, консументов, редуцентов), обитающих в пределах одного биотопа. Понятие «биоценоз» условно, т.к. вне среды обитания организмы обитать не могут, но им удобно пользоваться при изучении экологических связей между организмами.

В зависимости от местности, отношения к человеческой деятельности, степени насыщенности, полноценности и т.п. различают соответственно биоценозы суши и воды, природные и антропогенные, насыщенные и ненасыщенные, полночленные и неполночленные.

При изучении экосистем характеризуют:

) их видовой или популяционный состав и количественное соотношение видовых популяций;

) пространственное распределение отдельных элементов;

) совокупность всех внутрисистемных связей, в первую очередь - цепей питания.

Экосистемы - открытые термодинамические функционально целостные системы, существующие за счет поступления извне энергии и частично вещества, саморазвивающиеся и саморегулирующиеся.

Одним из важнейших экологических понятий является гомеостаз - состояние внутреннего функционального равновесия природной системы (экосистемы), поддерживаемое регулярным обновлением его основных элементов и вещественно-энергетического состава, а также постоянным функциональным саморегулированием компонентов. Гомеостаз является характерным и необходимым для всех природных систем - от атома и организма до космических образований.

Все популяции имеют свойства, благодаря которым они удерживают свою численность на оптимальном уровне в условиях постоянно изменяющейся среды. Популяция - совокупность особей одного вида, обитающая на общей территории на протяжении многих поколений.

Вид - совокупность организмов с общими морфологическими признаками (фенотипом), свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство. Это основная структурная единица в системе живых организмов, виды имеют морфологические, физиолого-биохимические, эколого-географические (биогеографические) и генетические характеристики.

Среда обитания - все живое и неживое, что окружает организмы и с чем они взаимодействуют и к чему приспосабливаются. Различают воздушную, водную и почвенную среду обитания, а также тело другого организма (для паразитов).

Экологические факторы - все составляющие (элементы) природной среды, которые воздействуют на существование и развитие организмов и на которые живые организмы реагируют реакциями приспособления (после исчерпания резервов приспособления наступает смерть). Раньше выделяли три группы экологических факторов:

·абиотические (неорганические условия: химические и физические, например, состав воздуха, воды, почв, температура, освещенность, влажность, давление, уровень радиаци и т.д.);

·биотические (формы взаимодействия между организмами, например, «хозяин - паразит», «хищник - жертва»);

·антропогенные (формы деятельности человека).

Экологические факторы объединены в специальную классификацию:

1. по времени:

·факторы времени (эволюционное, историческое, действующее);

·факторы периодичности (периодичные и непериодичные);

·первичные и вторичные.

1. по происхождению:

·космические;

·абиотические;

·природно-антропогенные;

·техногенные;

·антропогенные.

1. по среде возникновения:

·атмосферные;

·водные;

·геоморфологические;

·физиологические (генетические, экосистемные).

1. по характеру:

·информационные;

·физические;

·химические;

·энергетические,

·биогенные;

·комплексные;

·климатические.

1. по объекту влияния:

·индивидуальные;

·групповые;

·видовые;

·социальные.

1. по степени влияния:

·летальные;

·экстремальные;

·ограничивающие;

·беспокоящие;

·мутагенные.

1. по условиям действия:

·зависимые от плотности;

·независимые от плотности.

1. по спектру действия:

·избирательного действия;

·общего действия.

Одни и те же экологичеcкие факторы неодинаково влияют на организмы разных видов, обитающих рядом: для одних они могут быть благоприятными, для других - нет. Важным моментом является реакция организмов на силу воздействия экологического фактора (интенсивность действия экологического фактора). В зависимости от интенсивности один и тот же фактор может оказывать положительное или отрицательное воздействие на организм. Благоприятная доза (зона оптимума) экологического фактора для вида - диапазон значений фактора, не вызывающих отрицательных реакций, таких как замедление роста и развития, отсутствие размножения и т.д. Зоной пессимума экологического фактора называют остальные значения фактора, угнетающие жизнедеятельность организма тем или иным образом.

Диапазоны зон оптимума и пессимума является критерием для определения экологической валентности - способности живого организма приспосабливаться к определенному диапазону условий среды. Чем шире диапазон условий, в которых вид нормально существует, - тем больше экологическая валентность вида и шансы на выживание вида в меняющихся условиях среды. Например, северный олень может выдерживать колебания температуры воздуха от -55 °С до +25-30 °С, а тропические кораллы погибают при изменении температуры среды на 5-6 °С. По экологической валентности организмы делят на стенобионты - с малой приспособляемостью к изменениям среды (орхидеи, форель, дальневосточный рябчик, глубоководные рыбы) и эврибионты - с высокой приспособляемостью к изменениям среды (колорадский жук, мыши, крысы, волки, тараканы, очерет, пырей). В пределах этих категорий в приложении к конкретному фактору среды различают эвритермные и стенотермные (по реакции на температуру среды), эвригалинные и стеногалинные (по реакции на соленость среды), эврифотические и стенофотические (по реакции на освещенность) и т.д.

Следует подчеркнуть, что в природе экологические факторы действуют комплексно, что проявляется в эффекте суммации - явление, при котором результат одновременного действия нескольких экологических факторов превышает результат действия каждого из факторов. Таково синергичное действие на живые организмы химических загрязнителей среды обитания и т.д.

Важным также является понятие лимитирующего фактора - фактора, значение которого приближается к границе приспособляемости организма, т.е. находится на границе зоны оптимума (законы минимума Либиха (1840) и толерантности Шелфорда (1913). Чаще лимитирующими факторами являются температура, освещенность, биогенные вещества, течения и давление в среде и т.д. Наиболее распространены организмы с широким диапазоном толерантности (бактерии, сине-зеленые водоросли).

Раздел экологии, изучающий влияние экологических факторов на существование и развитие отдельных видов организмов, взаимосвязей организма со средой, называется аутэкологией. Демэкология изучает условия формирования структуры и динамику численности популяций какого-либо вида. Раздел экологии, исследующий ассоциации популяций различных видов растений, животных, микроорганизмов, т.е. биоценозов, называется синэкологией (в ее составе выделяют фитоценологию (геоботанику), зооценологию и микробоценологию.

Следующим важным понятием являются цепи питания (трофические цепи) - взаимодействия между организмами во время переноса энергии пищи от ее источника (зеленого растения) через ряд организмов (путем поедания) на более высокие трофические уровни, т.е. от автотрофов к гетеротрофам различных уровней. При переносе энергии с одного трофического уровня на более высокий большая часть энергии (80 - 90%) теряется в виде теплоты. Цепи питания делят на два типа: цепи пастбищ (от зеленого растения до травоядного животного и далее - до хищников, поедающих растительноядных животных) и детритные (цепи разложения от детрита через микроорганизмы до детритофагов и их потребителей - хищников). Детритом называют органические остатки и продукты жизнедеятельности живых организмов. Количество звеньев в трофической цепи обычно не превышает четырех - пяти. Последнее время считается, что правильнее термин «трофические сети», т. к. в состав пищи каждого типа входит несколько видов, каждый из которых, в свою очередь, может быть пищей для нескольких видов. Эффективность трофических цепей определяется величиной биомассы системы и ее биологической продуктивностью.

Биомасса - это общая масса особей одного вида, групп видов или сообщества в целом (растения, животные, микроорганизмы), приходящаяся на единицу поверхности (объема) среды проживания (в свежем или сухом виде). Выражают биомассу в килограммах на гектар, граммах на квадратный или кубический метр или в джоулях (единицах энергии). Наибольшую биомассу на суше имеют беспозвоночные и почвенные микроорганизмы (биомасса дождевых червей может достигать 1000 - 1200 кг/га), около 90% биомассы биосферы приходится на биомассу наземных растений, которые с помощью фотосинтеза - биосферного процесса - усваивают свободную энергию и обеспечивают существование всего живого. Наибольшей является биомасса тропических лесов (до 1700 т/га), наименьшей - тропических и субтропических пустынь (около 2,5 т/га). Биомасса луговых степей составляет 250 ц/га (неземная), лесной полосы (Полесье) - до 3500 - 4000 ц/га (наземная) и 960 ц/га (подземная).

Наземные растения по массе почти в 100 раз превышают наземных животных, а масса травоядных во столько же раз превышает массу хищников.

Биопродуктивностью называют скорость производства биомассы на данной площади (в объеме) среды в единицу времени. Различают первичную (продуктивность продуцентов) и вторичную биопродуктивность (продуктивность консументов и редуцентов). Первичная продуктивность материков составляет около 53 млрд. т органического вещества, Мирового океана - до 30 млрд. т в год. На суше основным источником биомассы являются тропические леса, леса Полесья и Сибири, в океане - зоны подъема обогащенных фосфором и азотом глубинных вод около материков в тропиках, а также материковые отмели холодных морей.

Подсчитано, что ежегодной биомассы планеты, используемой человеком, уже недостаточно для питания населения Земли, а вся биосфера способна накормить не более 7-10 млрд. человек.

Тема 3: Учение В.И.Вернадского о биосфере. Биогеохимические циклы

Биосфера - «область жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Термин в таком виде был введен австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1875). Обсуждая особенности Земли как планеты, он писал: «Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле, а именно органическая жизнь… На поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу». Т. е. термин «биосфера» был употреблен в топологическом смысле и вошел в обиход, не имея четкого определения.

Развернутое учение о биосфере было разработано акад. В.И.Вернадским (1926, «Биосфера»). Он рассматривал биосферу как оболочку Земли, различая газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного шара, подчеркивая также, что состав биосферы определяется деятельностью живых организмов, является результатом их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.

Всю совокупность живых организмов он обозначал термином живое вещество, противопоставляя его косному веществу, к которому относил все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Третья категория - биокосное вещество - комплекс взаимодействующих живого и косного веществ (океанические воды, нефть, почва). Биогенное вещество - геологические породы, созданные деятельностью живого вещества (известняки, каменный уголь). Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер.

Фундаментаьным отличием живого вещества от косного является эволюционный процесс, непрерывно создающий новые формы живых существ. Многообразие форм жизни и их многофункциональность создают основу устойчивого круговорота веществ и энергии. В этом специфика и залог устойчивости биосферы как уникальной оболочки земного шара.

Таким образом, биосфера, по В.И. Вернадскому, представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов - живого вещества.

Человечество входит в эту систему как ее составная часть. «Человечество как живое вещество непрерывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли - с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту» (В.И.Вернадский, 1944).

Каждая из геологических оболочек планеты имеет свои специфические свойства, определяющие не только набор форм живых организмов, обитающих в данной части биосферы, но и их основные морфофизиологические особенности, формируя своим влиянием принципиальные пути эволюции и становление фундаментальных черт жизненных форм наземных, водных и почвенных организмов. Таким образом, воздушная, водная и почвенная оболочки земного шара представляют собой не просто пространство, заполненное жизнью, но выступают как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства.

Гидросфера. В понятие гидросферы включают все типы водоемов. В ней выделяют Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. Основная масса воды сосредоточена в водоемах океанического типа (71% поверхности Земли занимает Мировой океан, 5% - внутренние водоемы). В составе гидросферы океан составляет 94%, подземные воды - 4,1%, ледники - 1, 6%, озера - 0,016%, почвенная влага - 0,005%, пары атмосферы - 0,001%, а речные воды составляют лишь 0,0001%.

По мнению большинства современных ученых, жизнь зародилась в океане, свойства водной океанической среды во многом определили химико-физическую эволюцию всех форм жизни. В частности, набор химических элементов, а нередко и количественное соотношение отдельных ионов в тканях живых организмов, близки к составу морской воды даже у наземных животных и растений.

Большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Плотность воды примерно в 800-1000 раз выше плотности воздуха. В результате водные организмы (особенно активно передвигающиеся животные) сталкиваются с достаточно мощными силами гидродинамического сопротивления, что направило эволюцию многих групп животных на формирование органов и типов движения, снижающих лобовое сопротивление. В связи с высокой плотностью водной среды ее обитатели лишены обязательной связи с субстратом, характерной для наземных форм и вызванной силами гравитации. В толще Мирового океана сложились комплексы живых организмов, свободно «парящих» в воде и самостоятельно поддерживающих круговорот веществ. Благодаря этому жизнь распространена в гидросфере по всей ее толщине, встречаясь даже в самых глубоководных океанических впадинах - на глубине до 11 км, где давление достигает 100 атм (1*108 Па).

В соответствии со структурным делением водоемов на бенталь (область дна) и пелагиаль (толща воды), все водные организмы принято делить на бентос и пелагос. Эти сообщества содержат пассивно парящие в толще воды формы - планктон, и активно плавающих животных - нектон. Водная оболочка Земли отличается довольно низким содержанием растворенного в ней кислорода. Для крупных животных, размеры тела которых не позволяют дышать путем прямого проникновения кислорода через поверхность тела, эти условия послужили стимулом к развитию дыхательной системы с большей, чем у наземных организмов, эффективностью газообмена.

Специфическая черта гидросферы заключается в отчетливом вертикальном градиенте биогенного круговорота веществ. Верхние слои водоемов составляет эуфотическая зона (зона деятельности фотосинтезирующих растений, определяющаяся глубиной проникновения солнечного света достаточной интенсивности) глубиной около 200 м. Все сообщества организмов последующих, более глубоких слоев, прямо или опосредованно используют органические вещества, синтезированные в этой зоне. Таким образом, всё население толщи водной среды от поверхности до самых глубоких участков дна представляет собой единую трофическую систему.

Атмосфера. Современная атмосфера по химическому составу относится к азотно-кислородному типу (азота 78,09%, кислорода 20,95%, аргона 0,93%, углекислого газа 0,03%, неона 0,0018%, гелия 0,00052%, метана 0,00015%). Своеобразие состава современной атмосферы Земли выражается в ничтожном содержании инертных газов (кроме аргона) и молекулярного водорода).

Свойства газовой оболочки Земли неодинаковы по вертикали. В частности, большое значение имеет высотное падение атмосферного давления, т.к. процессы фотосинтеза и дыхания зависят соответственно от величины парциального давления кислорода и углекислого газа в среде.

Не вполне одинаков и газовый состав на разных высотах, с чем связано деление атмосферы на гомосферу и гетеросферу (граница проходит на высоте примерно 100 км). Выше границы их раздела нарастает ионизация газов за счет фотодиссоциации, в составе атмосферы увеличивается содержание свободных атомов, возрастает летучесть, часть вещества теряется в окружающем космическом пространстве.

Воздух как среда жизни обладает особенностями, направляющими эволюционное развитие обитателей этой среды. Так, высокое содержание кислорода определяет возможность формирования высокого уровня энергетического метаболизма (обмена веществ между организмом и средой). Не случайно именно в этой среде возникли гомойотермные животные (организмы, поддерживающие температуру тела на постоянном, не зависящем от среды уровне - птицы, млекопитающие), отличающиеся высоким уровнем энергетики организма, большой степенью автономности от внешних условий. Кроме того, атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью, что ограничило возможности освоения воздушной среды, а у ее обитателей направило эволюцию системы водно-солевого обмена и структуру органов дыхания. Также следует отметить низкую плотность воздуха в атмосфере как среде жизни, благодаря чему жизнь сосредоточена вблизи поверхности земли, проникая в толщу атмосферы на высоту не более 50-70 м (кроны деревьев тропических лесов).

Если исключить единичные случаи «рекордных подъемов», верхней границей распространения жизни в атмосфере следует считать высоты порядка 8-10 км. Будучи сосредоточена в относительно тонком слое над поверхностью Земли, жизнь в атмосфере не отдичается вертикальной структурированностью потоков вещества и энергии, формирующих биологический круговорот. Многообразие жизненных форм в наземной среде более определяется зональными климатическими и ландшафтными факторами. Единые по физико-географическим условиям пространства называют ландшафтно-климатическими зонами. Крупнейшие из них - полярные пустыни, тундры, леса умеренного климата (хвойные, лиственные), степи, саванны, пустыни, тропические леса.

Прозрачность атмосферы определяет то обстоятельство, что до поверхности планеты доходит порядка 47% падающего на внешнюю границу планеты потока солнечного излучения. Немногим менее половины его составляет фотосинтетически активная радиация с длиной волны 380-710 нм.

Литосфера - это каменная оболочка Земли, верхняя часть земной коры. Поверхностную часть литосферы, измельченную в процессе физического, химического и биологического выветривания и содержащуюю, помимо минерального, еще и органическое вещество, называют почвой (эдафосферой или педосферой). Значение почвы в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов. Почва служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в глубокие слои литосферы.

В почве, как и в гидросфере наблюдается вертикальная структурированность трофических процессов, связанных с биологическим круговоротом веществ. Вертикальный градиент характерен также для ряда других параметров, определяющих условия жизни почвенных организмов: света, влажности, состава газовой среды, температуры и др.экологических факторов.

Как среда жизни, порчва занимает промежуточное положение между атмосферой и гидросферой: она обладает структурированностью, здесь возможно обитание организмов, дышащих как по водному, так и по воздушному типу, имеет место вертикальный градиент проникновения света, более резкий, чем в гидросфере.

Все это определяет распространение жизни в почве: микроорганизмы встречаются по всей ее толщине, растения связаны лишь с наружными горизонтами (корневая система некоторых деревьев проникает на глубину 8-10 м), беспозвоночные животные обитают главным образом в верхних горизонтах почвы. Норы и ходы грызунов, насекомых и червей проникают в почву на глубину обычно не более 5-7 м. Бактерии находят в подземных водах, сопровождающих залежи нефти на глубине 3-5 км. Этим практически ограничивается распространение жизни в каменной оболочке Земли - литосфере.

Таким образом, общая толщина биосферы, пленки жизни, составляет не более 30 км.

Биогеохимические циклы. Перемещения и превращения химических элементов через косную и оргганическую природу при активном участии живого вещества В.И.Вернадский назвал биогеохимическими циклами.

Эти циклы можно подраделить на два основных типа:

) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (Мировой океан);

) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

К главным циклам можно отнести круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и биогенных катионов.

Биогеохимические функции живого вещества в биосфере Земли разнообразны. В.И.Вернадский выделял их пять:

1. газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы - продукты разложения органических веществ растительного происхождения, ранее захороненных в осадочных толщах (наиболее распространенным является метан).Основные газы биосферы - азот и кислород - имеют биогенное происхождение.
2. концентрационная. Многие организмы накапливают в свосих телах многие химические элементы. На первом месте, естественно, стоит углерод. В углях содержание углерода в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефти - концентраторы углерода и водорода, поскольку они имеют биогенное происхождение. В отношении металлов первое место занимает кальций (целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом). Концентраторами кремния выступают диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода - водоросли ламинарии, железа и марганца - определенные виды бактерий. Фосфор накапливается позвоночными животными, накапливаясь в их костях.
3. окислительно-восстановительная. В процессе своей жизнедеятельности и гибели живые организмы, обитающие разных водоемах, регулируют кислородный режим и этим создают условия для растворения или осаждения ряда металлов с переменной валентностью (V, Mn, Fe).
4. биохимическая (рост и размножение живых организмов способствует обмену органическим веществом в биосистемах и распространению жизни на новые территории).
5. биогеохимическая деятельность человека (охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства и бытовых потребностей человека.

Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного СО2 в процессе фотосинтеза в зеленых растениях и некоторых микроорганизмах (из диоксида углерода и воды образуются углеводы и высвобождается кислород, уходящий в атмосферу). Часть фиксированного растениями углерода потребляется животными, которые также дышат и выделяют СО2. Мертвые растения и животные разлагаются микроорганизмами почвы, углерод их тканей окисляется до СО2 и возвращается в атмосферу. Подобный круговорот углерода имеется и в океане.

Круговорот кислорода является планетарным процессом, связывающим атмосферу, гидросферу и литосферу. В основном происходит между атмосферой и живыми организмами. Процесс продуцирования и выделения кислорода во время биосинтеза зелеными растениями противоположен процессу его потребления гетеротрофами (животными) при дыхании. Незначительное количество кислорода также образуется в процессе диссоциации молекул воды и озона в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетовой радиации.Значительная часть кислорода рсходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях, и т.д.

Круговорот азота. Азот - основной газ, составляющий атмосферу Земли. В биосфере его круговорот имеет своеобразный и замедленный характер, он осуществляется ограниченным количеством живых существ.

Тема 4: Основные законы экологии. Основы синэкологии

Основные законы экологии, сформулированные Барри Коммонером (1971), кратко можно представить так:

1. Все связано со всем (всеобщая связь процессов и явлений в природе);
2. Все должно куда-то деваться (любая природная система может развиваться только за счет использования энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды);
3. Природа «знает» лучше (пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы легко можем навредить природе, пытаясь ее улучшить);
4. Ничто не дается даром (глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно, не может быть объектом всеобщего улучшения; все извлеченное в процессе человеческого труда должно быть возмещено).

Среди других законов, принципов и правил можно отметить следующие:

·вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих факторов вызывает функциональные, структурные, качественные и количественные изменения всех систем и их иерархии;

·слабые воздействия могут и не вызывать ответных реакций природной системы, но, накопившись, они приведут к развитию бурного, непредсказуемого динамического процесса (Х. Боумен);

·жизненные возможности лимитируются экологическими факторами, количество и качество которых близки к необходимому экосистеме минимуму, снижение их ведет к гибели организма или разрушению экосистемы (Ю. Либих);

·экосистема, потерявшая часть своих элементов, не может вернуться в первозданное состояние;

·сокращение естественной биоты в объеме, превышающем пороговое значение, лишает окружающую среду устойчивости, которая не может быть восстановлена путем создания очистных сооружений и перехода к безотходному производству (В.Г. Горшков);

·лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма по отношению к данному фактору (В. Шелфорд);

·при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в сторону того процесса, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется (Ле Шателье-Браун);

·явление, удаленное во времени и пространстве, кажется менее существенным (в природопользовании этот принцип особенно часто становится основой неверных практических действий);

·неожиданное усиление болезнетворности (способности вызывать инфекционные заболевания) возникает при введении нового инфекционного организма в экосистему, где нет механизмов регуляции его численности, при этом для экосистемы изменяется среда жизни;

·виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их сообщество составляет внутренне устойчивое, внешне единое и взаимно увязанное системное целое (К. Мебиус-Г.Ф. Морозов);

·вид организма может существовать до те пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям;

·экологическая ниша, т.е. место вида в природе, обязательно заполняется. Например, в бамбучниках о. Сахалин нет мелких хищников (эти зверьки обитают в долинах многочисленных рек и на водоразделы не заходят), и их экологическую нишу заполнили серые крысы - грызуны, обладающие наклонностями хищников;

·конкурирующие в сфере использования конкретных природных систем отрасли хозяйства неминуемо наносят ущерб друг другу - и тем сильнее, чем значительнее они изменяют совместно эксплуатируемый экологический компонент или всю экологическую систему в целом;

·в ходе эксплуатации природных систем нельзя переходить пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания (самоорганизации и саморегуляции);

·«жесткое», как правило, техническое, управление природными процессами чревато цепными реакциями, значительная часть которых оказывается экологически, социально и экономически неприемлемыми.

Основные законы аутэкологии. Аутэкология изучает взаимодействия отдельной особи (организма) со средой обитания (окружающей средой).

В биосфере выделяют четыре среды обитания:

·водная;

·воздушная (наземная);

·почвенная;

·тело другого организма.

1. Закон биологической устойчивости (реакции особи на экологический фактор): физиологическая активность особи (скорость роста, размножения и т.д.) достигает наивысших значений при оптимальных параметрах среды (в зоне оптимума экологических факторов) и угнетается при значениях, близких к экстремальным (в зоне пессимума).
2. Закон лимитирующего фактора (Ю. Либиха): результирующую устойчивость особи определяет самое слабое звено его потребностей, т.е. фактор, значение которого ближе к экстремальному.
3. Закон равнозначности факторов среды: все экологические факторы одинаково важны для жизнедеятельности организма, нельзя игнорировать ни одного из них.
4. Закон совместного действия экологических факторов (является следствием из закона Либиха): физиологическая активность особи зависит от действия всех факторов среды одновременно, оказывающих комплексное влияние (потенцирование или ингибирование действия друг друга).
5. Закон оптимальности: параметры системы (экосистемы, организма) всегда строго отвечают ее функциям. Или, любая экосистема с максимальной эффективностью функционирует в определенных пространственных и временных границах, при определенных ее размерах и других характеристиках.

Следствия: правило Бергмана: в пределах биовида, распространенного от тропиков до Полярного круга, масса и размеры особей растут в направлении от теплых зон к холодным.

Правило Аллена: конечности и выступающие части тела животных тем меньше, чем меньше средняя температура среды. Целью является уменьшение (увеличение) теплоотдачи.

Популяция. Основные характеристики. Кривые выживания. Популяцией называют наименьшую экологическую единицу вида - совокупность особей одного вида, живущих на одной территории длительное время и свободно скрещивающихся.

Основные характеристики:

·полная численность;

·плотность расселения;

·генетическая структура;

·данные о вероятности выживания;

·тип пространственного распределения особей;

·возрастное распределение особей (демографическая пирамида);

·способ размножения и плодовитость;

·социальная организация.

Кривыми выживания называются зависимости количества выживших особей популяции от их возраста. Кривые выживания бывают трех типов. Тип 1 характерен для видов с низкой детской смертностью, комфортными условиями жизни (дрозофилы в лабораторных условиях, жители развитых стран Запада), и лишь в старости смертность резко возрастает. Тип 2 (популяция гидры) характеризуется постоянно высокой смертностью потомства на протяжении всей жизни. Тип 3 (с высокой смертностью молодых организмов (рыбы, насекомые, паразиты) и стабильным выживанием взрослых особей.

Основы теории динамики популяций. Одной из основных задач экологии является прогноз изменений состояния популяций, расчеты их численности в будущем. Этим занимается популяционная экология.

Колебания численности dN популяций характеризуются такими показателями, как коэффициент рождаемости a, коэффициент смертности b, эмиграция и иммиграция. Пренебрегая двумя последними факторами, уравнение динамики численности можно представить так:

dN = a N dt - b N dt или dN/dt = a N - b N,

где a N dt - прирост в результате размножения;

b N dt - убыль в результате смертности.

При равных коэффициентах a и b изменение численности представляет собой экспоненту:

N(t) = N0 exp (a- b) t,

где N0 - исходная численность популяции.

При улучшении условий среды численность возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума (количество особей, которое способна прокормить среда обитания популяции). После полного исчерпания ресурсов среды наступает падение численности (коллапс), завершающееся достижением популяцией минимальной численности. С этого момента вследствие уменьшившейся нагрузки ресурсные возможности среды обитания возрастают и происходит увеличение численности до нового максимального значения (более низкого, т.к. среда не успевает восстановиться полностью). Подобные колебания численности продолжаются до тех пор, пока не достигается равновесная численность. Таким образом, вкратце динамку численности популяции в условиях изменения условий среды можно представить так:

рост численности ® коллапс ® … ® стабилизация.

Основные законы синэкологии:

1. Закон ограниченности (исчерпаемости) всех природных ресурсов: абсолютно неисчерпаемых ресурсов не существует.

Без нарушения существующего равновесия в окружающей среде нельзя исключать или добавлять более чем 1% всей энергии, входящей в энергетический поток биосферы (правило 1%).

1. Закон однонаправленности и неполного использования энергии: энергия используется только один раз, что сопровождается ее необратимыми потерями.
2. Закон «пирамиды масс (энергий)»: с одного трофического уровня на другой в наиболее благоприятных условиях переходит не более 10% массы (энергии), накопленной организмами нижнего уровня.
3. Закон максимализации энергии экосистем: среди конкурирующих экосистем, возможных в данной среде, побеждает та, что наиболее эффективно использует энергию и информацию.
4. Закон оптимальности: состав и размер частей экосистем не могут быть произвольными, а должны обеспечивать оптимальное функционирование всей системы в данных условиях среды.
5. Закон биогенной миграции атомов (закон Вернадского): пути миграции основных биогенных элементов и концентрация их во внешних сферах Земли контролируется биосферой.
6. Закон взимозависимости круговоротов: потоки вещества, энергии и информации и совокупность качеств отдельных природных систем в их стройной иерархии взаимосвязаны так тесно, что изменение любого элемента переводит биосферу в новое состояние.
7. Закон необходимого разнообразия: ни одну эффективную и устойчивую экосистему невозможно построить из тождественны элементов.
8. Закон развития и существования экосистем за счет окружения: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно.

Основные следствия этого закона:

а) абсолютно безотходное производство невозможно, подобно созданию «вечного двигателя». Оптимальны цикличные производства (отходы одних процессов служат сырьем для других), нейтрализация неустраняемых энергетических и других отходов, разумное депонирование (захоронение) неминуемых остатков;

б) любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным системам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни - она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздействия, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и самого человека.

. Закон снижения энергетической эффективности природопользования: с течением времени на единицу произведенной человеком пищи приходится затрачивать все большее количество энергии.

Тема 5: Антропогенный фактор в биосфере. Основы социоэкологии

Место человека в биосфере определяется прежде всего тем, что именно человек ввиду значительного отчуждения от остальной живой природы, благодаря большой численности и огромному надбиологическому потреблению природных ресурсов стал, по существу, главной причиной нарушения равновесия в природе.

При рассмотрении отношения человека с окружающей природной средой, кроме количественной экспансии человеческой цивилизации и масштабов антропогенного воздействия, следует рассмотреть причины данной ситуации, ее последствия и возможные пути выхода из кризиса.

Эволюция человека имела ряд особенностей, важных для понимания экологии человека:

1. предки человека не имели узкой морфологической, физиологической и экологической специализации, что обеспечило повышенную адаптивность в эволюционном плане, гибкому приспособительному поведению и занятию разных экологических ниш;
2. эволюция человеческого вида не только подтверждает правило ускорения эволюции, она намного превысила скорость эволюции крупных млекопитающих, особенно на последних этапах антропогенеза, что обусловило незавершенность «подгонки» биологии вида к условиям существования;
3. высокая адаптивность, отсутствие узкой специализации и разнообразная инструментальная деятельность обусловили развитие высших форм поведения и интеллекта;
4. заключительные этапы антропогенеза сопровождаются возникновением культуры - совокупности средств создания материальных ценностей, речевой и знаковой передачи информации и обучения на основе подражания и сигнальной памяти. Культура становится определяющим фактором эволюции человека, ослабляя давление факторов естественного отбора;
5. усвоение культурной информации происходит значительно быстрее, чем передача по наследству генетической информации. Поэтому научно-технический и культурный прогресс не только опережают биологическую эволюцию человека, но и замедляют ее, ослабляя естественный отбор.

Экологические ниши человека. В отличие от экологических ниш животных экологические ниши человека постоянно менялись, увеличиваясь с нарастающей скоростью.

Предки человека занимали нишу собирателей пастбищной пищевой цепи с относительно малой долей животной пищи. Добыча пищи требовала больших затрат труда и освоения большой кормовой территории. Биологическое энергопотребление минимально. Длился этот период около 200 тыс лет.

Начало использования огня и увеличение потребления животной пищи расширило экологическое пространство человека до ниши первобытных охотников и рыболовов. К этому же периоду относится и применение огня для выжигания лесов, сначала для целей загонной охоты, затем для подсечно-огневого земледелия. Биологическое энергопотребление увеличилось в два раза. Длительность этого периода 10 тыс лет.

Переход к земледелию значительно уменьшил необходимую индивидуальную кормовую площадь, одновременно потребовав увеличения затрат энергии на обработку земли, изготовление орудий труда и т.д.

На ограниченных территориях освоения человек не мог добыть нужное количество животной пищи, поэтому распространение земледелия сопровождалось развитием скотоводства (в т.ч. кочевого) и пастбищного хозяйства. Биологическое энергопотребление в пять раз выше. Длительность этого периода около 1000 лет.

Применение машин и ископаемого топлива позволило значительно повысить выход продукции земледелия, расширить площадь возделываемых земель, что увеличило энергоемкость производства пищи и обеспечения других потребностей человека. Биологическое энергопотребление в двадцать раз выше. Длительность этого периода около 100 лет.

Это ускорение роста энергопотребления человеком - главная причина экологического кризиса. Эти тенденции соответствуют закону максимизации энергии и информации, который определяет эволюцию биосистем. Высшие животные эволюционируют в сторону оптимального сочетания мощности и эффективности энергетики, тогда как человек отдает предпочтение мощности, пренебрегая эффективностью.

Среда жизни современного человека включает, кроме факторов общей для всех наземных организмов природной среды еще созданные человеком материальную и социальную среду.

Материальная (техногенная, или артеприродная) среда включает:

·квазиприродную среду - элементы природной среды, измененные человеком: преобразованные ландшафты (поля, парки, водохранилища), измененный мезоклимат, иной состав организмов в среде, отклонение от естественного состава и физико-химических свойств воздуха, воды, почвы и т.д.,

·искусственные элементы: здания, сооружения, кондиционированный микроклимат, всевозможные виды антропогенных загрязнений физической природы, средства производства и потребления.

Социальная среда человека - совокупность связей людей, определенным образом организованная (от семьи до этноса и мирового сообщества), в которой формируются и удовлетворяются психологические, культурные, социальные и экономические потребности личности.

Демография человеческого вида. Географическое пространство экологической ниши человека занимает более ¾ площади суши (без Антарктиды) - около 105 млн. км2 и во много раз больше любого другого видового ареала наземных животных. Причем более 70% населения сосредоточено на площади около 7% суши, составляющих наиболее густонаселенные районы мира.

С городом связывают многие черты общественного прогресса - удобство, комфорт, облегчение быта, плотность коммуникаций и доступность удовлетворения различных потребностей. Но городская среда несет не только блага, она негативно влияет на здоровье человека путем воздействия следующих факторов: загрязнение атмосферы, воды, продуктов питания, предметов обихода выбросами промышленности и транспорта, электромагнитные поля, вибрации, шум, деионизация воздуха в помещениях, химизация быта, информационная перегрузка, чрезмерное число социальных контактов, дефицит времени, гиподинамия и психоэмоциональные перегрузки, недостатки в питании, распространение вредных привычек и т.д. Все перечисленное в различных сочетаниях становится источником болезней современного горожанина. Значительные контингенты населения находятся в постоянном состоянии стресса, сходного с дегенеративным стрессом мелких животных, вызванным перенаселением («феномен леммингов»): в случае демографического взрыва мелкие животные становятся намного агрессивнее, половое поведение тормозится, наступает массовая гибель животных, возвращающая численность популяции к средним значениям.

Численность человечества в данный момент 6 млрд. человек. Сравнить эту цифру можно только с численностью широко распространенных синантропных (сопутствующих человеку) мелких грызунов и птиц (мыши, крысы, воробьи), популяции которых насчитывают миллиарды особей.

Почти половина населения мира сосредоточена в городах. За последние 45 лет численность городских жителей возросла с 729 млн. до 2540 млн. человек, т.е. увеличилась почти в 3,5 раза, а их доля в общей численности населения возросла с 29 до 44%. В этом процессе преобладающую роль играет рост крупных городов.

Численность видов животных в природе ограничиваются емкостью среды. Как правило, виды мелких животных имеют большую численность по сравнению с видами крупных животных (существует отрицательная корреляция между массой тела и числом особей). Рангу массы тела 10 - 100 кг, к которому относится человек, соответствует максимальный размах значений видовой численности в пределах 10 тыс. - 10 млн. Современная численность ближайших родственников человека - человекообразных обезьян - близка к 10 тыс.

Согласно экспертным оценкам, популяции людей, одновременно проживавших на Земле 1 млн лет назад (стадия Homo erectus), насчитывали 100 тыс индивидов, ко времени появления Homo sapiens - около 500 тыс., 30 - 20 лет назад - примерно 5 млн.

На протяжении многих тысячелетий население Земли росло чрезвычайно медленно. Начиная с эпохи Великих географических открытий темпы роста народонаселения значительно возросли и приблизились к экспоненциальной закономерности, затем (с 1600 по 1990 гг.) рост населения Земли напоминал гиперболу. В последние годы рост численности приблизился к линейному со средним значением абсолютного прироста около 86 млн. человек в год. По прогнозам Фонда народонаселения ООН этот темп сохранится до 2015 г., когда общая численность людей достигнет 7,5 млрд.

К факторам, повлиявшим на рост численности, относятся снижение смертности от эпидемий и голода, резкое снижение детской смертности в развивающихся странах, связанное с улучшением гигиенических условий и успехами медицины. Сейчас параметры воспроизводства населения примерно составляют: общий коэффициент рождаемости в мире - 24,6 ‰, общий коэффициент смертности - 9,8 ‰, коэффициент естественного прироста 14,8‰.

Антропогенный фактор как движущая сила развития биосферы. Воздействие производственной деятельности человека на процессы, происходящие в биосфере, состояние экосистем называют антропогенным фактором (греч. antropos - человек, genesis - происхождение).

Изменения в окружающей природной среде носят двоякий характер:

·позитивны (в региональном масштабе - растет биопродуктивность агроценозов);

·негативны (дестабилизируют экологическую обстановку в глобальном масштабе).

Дестабилизирующее влияние человека на окружающую природную среду (ОПС) включает в себя геохимические, экологические и генетические изменения:

1. истощение природных ресурсов, главным образом, минеральных, биологических (исчезновение видов растений и животных, а также сокращение возможностей для их воспроизводства);
2. разрушение экосистем (биогеоценозов), характерных для определенных территорий и ландшафтов, резкое нарушение в них экологического равновесия;
3. разрушение почвенного покрова, сокращение биологической продуктивности ландшафтов, эрозия и истощение почв в результате вырубки лесов и изменения рельефа земной поверхности;
4. уничтожение адаптивной способности ОПС, т.е. способности восстанавливать равновесие между частями экосистем и возобновлять естественные ресурсы: например, влияние вырубки лесов на круговорот воды в биосфере и, следовательно, изменение водного режима отдельных экосистем, невосстановимое сокращение рыбных богатств водоемов и др.;
5. упрощение экосистем на больших площадях (создание искусственных экосистем - агроценозов с бедным видовым составом, а, следовательно, неустойчивых);
6. рост числа и концентрации в ОПС ксенобиотиков (веществ искусственного происхождения, не участвующих в биогенном круговороте веществ), применяемых для защиты растений;
7. накопление в экосистемах токсичных продуктов промышленности (повышение кислотности поверхностных вод и осадков, накопление ртути, свинца, кадмия, стронция, углеводородов в воде и почве).

В случае, когда объем производимых человеком изменений (объем накопления отходов, загрязнения среды и нарушения экосистем) превышают адаптивные способности природы (скорость эволюционного приспособления организмов), возникает кризисная ситуация:

Vнарушения ³ Vадаптации,

перерастающая в экологический кризис:

Vнарушения » Vадаптации.

Локальные (в том числе региональные) экологические кризисы возникали и раньше, но в 2030 г. (по данным Медоуза и Форрестера) нам угрожает первый глобальный экологический кризис.

Причины возрастания антропогенной нагрузки на ОПС:

• интенсивный рост численности населения Земли,
• научно-технический прогресс.

Техносфера. Природно-технические геосистемы. Техногенезом в истории цивилизации называют создание техники и технологий, создание человеком все более совершенных орудий и устройств для воздействия на окружающий мир с целью производства и потребления благ. Основные тенденции техногенеза:

1. За последние 100 лет мировое энергопотребление увеличилось в 12 раз (удвоение в среднем каждые 27 лет). Причем мировое потребление энергии росло вдвое быстрее, чем население Земли.
2. В структуре топливного баланса произошел переход от использования дров и угля к преобладанию углеводородного топлива - нефти и газа.
3. Увеличилась добыча и переработка минеральных ресурсов - руд и нерудных материалов. Производдство цветных металлов возросло за столетие в воскемь раз и достигло в начале 80-х 850 млн. т/год. В 40-х годах началась и стремительно возросла добыча урана.
4. В XX веке значительно вырос объем и изменилась структура машиностроения, увеличивались число и единичная мощность производимых машин и агрегатов.
5. Важной чертой современного техногенеза является химизация всех отраслей хозяйства.

Мировое хозяйство можно рассматривать как совокупность экологических ниш современного человечества, как его видовую реализованную эклогическую нишу. По многим пространственным и потоковым параметрам она совпадает с экосферой, экологическая емкость которой ограничена. Экологической емкостью среды (территории) называют величину максимальной техногенной нагрузки, которую может выдержать и переносить длительное время экосистема территории без нарушения ее структуры и функций. Между общественным производством и планетарной биотой неизбежны конкурентные отношения, так как значительные участки экосферы замещаются техносферой.

Техносфера - это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства, или пространство геосфер Земли, находящееся под воздействием производственной деятельности человека и занятое ее продуктами.

Любое техническое сооружение взаимодействует с окружающей его природной средой настолько тесно, что для изучения этого явления взаимодействия совокупный комплекс природной среды и ее техническое насыщение расматривается как единая природно-техническая геосистема (ПТГ). Природно-технические геосистемы - это совокупность природных и искусственных объектов, формирующаяся в результате строительства и эксплуатации инженерных и иных сооружений, комплексов и технических средств, взаимодействующих с природными объектами (геологические тела, почва, растительный покров, рельеф, водные источники и атмосфера, фауна и социумы).

Современные тенденции развития ПТГ свидетельствуют об имеющейся диспропорции между инженерным расчетно-теоретическим и экспериментальным обоснованиями факторов техногенного воздействия на окружающую среду. Это несоответствие расчетных моделей реальной экологической обстановке в зоне промышленного освоения территорий приводит к невосполнимым потерям биогеоценозов природного ландшафта.

Тема 6: Загрязнение атмосферного воздуха и его последствия

Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания экологов всего мира, т.к. крупнейшие экологические проблемы современности («парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей) связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы.

Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную функцию, теплоизолируя Землю от космоса и предохраняя ее от жестких космических излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формирующие климат и погоду, задерживается (сгорает) масса метеоритов.

Однако в современных условиях возможности природных систем к самоочищению существенно подорваны возросшей антропогенной нагрузкой. В результате воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции.

Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которые оказывают негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем в целом. Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).

Естественное загрязнение вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, дым от лесных и степных пожаров и т.д.

Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ (ЗВ) в процессе деятельности человека. По масштабам превосходит природное.

В зависимости от масштабов различают:

• местное (повышение содержания ЗВ на небольшой территории: город, промышленный район, сельскохозяйственная зона);
• региональное (в сферу негативно воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета);
• глобальное (изменение состояния атмосферы в целом).
• По агрегатному состоянию выбросы ЗВ в атмосферу классифицируются следующим образом:
• газообразные (SO2, NOx, CO, углеводороды и др.);
• жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);
• твердые (органическая и неорганическая пыль, свинец и его соединения, сажа, смолистые вещества и пр.).
• Главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной или иной деятельности человека - диоксид серы (SO2), оксид углерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98 % в общем объеме выбросов ЗВ.
• Кроме указанных главных загрязнителей в атмосферу попадает много других очень опасных ЗВ: свинец, ртуть, кадмий и другие тяжелые металлы (ТМ) (источники выброса: автомобили, плавильные заводы и др.); углеводороды (СnH m ), среди которых наиболее опасен бенз(а)пирен, обладающий канцерогенным действием (выхлопные газы, топка котлов и т.д.); альдегиды и, в первую очередь, формальдегид; сероводород, токсичные летучие растворители (бензины, спирты, эфиры) и др.
• Наиболее опасное загрязнение атмосферы - радиоактивное. В настоящее время оно обусловлено в основном глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами - продуктами испытания ядерного оружия, проводившимися в атмосфере и под землей. Приземный слой атмосферы загрязняют также выбросы в атмосферу радиоактивных веществ с действующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации и другие источники.
• Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят следующие отрасли промышленности:
• теплоэнергетика (ГЭС и АЭС, промышленные и городские котельные);
• предприятия черной металлургии,
• предприятия угледобычи и углехимии,
• автотранспорт (т.н. передвижные источники загрязнения),
• предприятия цветной металлургии,
• производство стройматериалов.

Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и на окружающую природную среду различными способами - от прямой и немедленной угрозы (смог, угарный газ и др.) до медленного и постепенного разрушения систем жизнеобеспечения организма.

Физиологическое воздействие на человеческий организм главных загрязнителей (поллютантов) чревато самыми серьезными последствиями. Так, диоксид серы, соединяясь с атмосферной влагой, образует серную кислоту, которая разрушает легочную ткань человека и животных. Особенно опасен диоксид серы, когда он осаждается на пылинках и в этом виде проникает глубоко в дыхательные пути. Пыль, содержащая диоксид кремния (SiO2), вызывает тяжелое заболевание легких - силикоз.

Оксиды азота раздражают, а в тяжелых случаях и разъедают слизистые оболочки (глаз, легких) участвуют в образовании ядовитых туманов и т.д.; особо опасны они в воздухе совместно с диоксидом серы и другими токсичными соединениями (возникает эффект синергизма, т.е. усиления токсичности всей газообразной смеси).

Широко известно действие на человеческий организм оксида углерода (угарного газа, СО): при остром отравлении появляется общая слабость, головокружение, тошнота, сонливость, потеря сознания, возможен летальный исход (даже спустя три - семь дней после отравления).

Среди взвешенных частиц (пылей) наиболее опасны частицы размером менее 5 мкм, способные проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах легких, засорять слизистые оболочки.

Весьма неблагоприятными последствиями могут сопровождаться и такие незначительные по объему выбросы, как содержащие свинец, бенз(а)пирен, фосфор, кадмий, мышьяк, кобальт и др. Эти поллютанты угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают иммунитет и т.д. Пыль, содержащая соединения свинца и ртути, обладает мутагенными свойствами и вызывает генетические изменения в клетках организма.

Последствия воздействия на организм человека вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, имеют широчайший диапазон действия: От кашля до летального исхода.

Антропогенные выбросы загрязняющих веществ наносят большой вред также растениям, животным и экосистемам планеты в целом. Описаны случаи массового отравления диких животных, птиц, насекомых при выбросах вредных загрязняющих веществ большой концентрации (особенно залповых).

К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся:

) возможное потепление климата (парниковый эффект);

) нарушение озонового слоя;

) выпадение кислотных дождей.

Возможное потепление климата (парниковый эффект) выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века. Большинство ученых связывают его с накоплением в атмосфере т.н. парниковых газов - диоксида углерода, метана, хлорфторуглеродов (фреонов), озона, оксидов азота и т.д. Парниковые газы препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли, т.е. атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует, как крыша теплицы: она пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой - почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.

Согласно другому мнению, важнейшим фактором антропогенного воздействия на глобальный климат является деградация атмосферы, т.е. нарушение состава и состояния экосистем вследствие нарушения экологического равновесия. Человек, используя мощность порядка 10 ТВт, разрушил или сильно нарушил на 60% суши нормальное функционирование естественных сообществ организмов. В результате из биогенного круговорота веществ изъята значительная их масса, которая раньше затрачивалась биотой на стабилизацию климатических условий.

Нарушение озонового слоя - снижение концентрации озона на высотах от 10 до 50 км (с максимумом на высоте 20 - 25 км), местами до 50% (т.н. озоновые дыры). Снижение концентрации озона снижает способность атмосферы защищать все живое на земле от жесткого ультрафиолетового излучения. В организме человека избыточное ультрафиолетового облучение вызывает ожоги, рак кожи, развитие глазных заболеваний, подавление иммунитета и т.д. Растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем и т.д.

Выпадение кислотных дождей вызвано соединением с атмосферной влагой газообразных выбросов в атмосферу диоксида серы и оксидов азота с образованием серной и азотной кислот. В результате осадки оказываются подкисленными (рН ниже 5,6). Суммарные мировые выбросы двух главных загрязнителей воздуха, вызывающих закисление осадков - составляют ежегодно более 255 млн. т. На огромной территории природная среда закисляется, что весьма негативно отражается на состоянии всех экосистем, причем экосистемы разрушаются при меньшем уровне загрязнения воздуха, чем тот, который опасен для человека.

Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы: из почвы выщелачиваются не только необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы - свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образуемые ими токсичные соединения усваиваются растениями или другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдают от действия сложной смеси загрязняющих веществ (токсичные металлы, озон), кислотных дождей. Ярким примером действия кислотных дождей служит закисление озер, особенно интенсивно происходящее в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется это тем, что значительная часть выбросов таких промышленно развитых стран, как США, ФРГ и Великобритания, выпадают именно на их территорию.

Тема 7: Загрязнение водных ресурсов и его последствия

Существование биосферы и человека всегда было основано на использовании воды. Человечество постоянно стремилось к увеличению водопотребления, оказывая на гидросферу огромное многообразное давление.

Проблема обеспечения человечества пресной водой сейчас очень обострилась, поскольку существующих ресурсов пресной воды во многих странах недостаточно для удовлетворения нужд потебителей не только в перспективе, но и в настоящее время. Все отрасли хозяйства в отношении к водным ресурсам делятся на две группы: водопотребители и водопользователи.

Потребители забирают воду из источника, используют ее для производства промышленной или сельскохозяйственной продукции, а затем возвращают, но уже в другом месте, в меньшем количестве и другого качества.

Пользователи воду из источника не забирют, а используют ее как среду (водный транспорт, рыбоводство, спорт ит.д.) или как источник энергии (ГЭС). Причем они также могут изменять качество воды (например, загрязнение воды водным транспортом). Промышленность использует около 20 % общего уровня пресной воды и ее использования. Количество воды, используемое предприятием, зависит от типа выпускаемой продукции, технологии производственного процесса, системы водоснабжения (прямоточной или оборотной), климатических условий и т.д.

В случае прямоточной системы водоснабжения вода из водного источника подается на промышленный объект, используется в процессе производства продукции, затем поступает на очистные сооружения и после соответствующей очистки сбрасывается в водоток или водоем. При такой системе используется большое количество воды, но доля необоротного водоснабжения невелика.

При оборотной системе водоснабжения отработанная вода после соответствующей очистки не сбрасывается в водоем, а многоразово используется в процессе производства. Затраты воды при этом намного ниже.

Для оценки промышленного водопотребления используется термин водоемкость производства (количество воды (м3), необходимое для производства на единицу (1 т, 1 кВт и т.д.) продукции. Крупнейшим потребителем воды в промышленности является атомная энергетика - АЭС потребляют в среднем вдвое больше воды на 1 кВт произведенной электроэнергии, чем ТЭС. Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды (70 % всего ее использования). Потери воды в процессе орошения (за счет испарения) достигают 20-60 % водозабора. Водоснабжение населения удовлетворяеит портребности в питьевой воде и коммунально-бытовые нужды. Существует понятие удельное водопотребление, т.е. суточный объем воды в литрах, необходимый для удовлетворения всех нужд одного жителя города или села. В городах оно выше и в значительной мере зависит от степени благоустроенности (наличия водопровода, канализации, центрального водяного отопления ит.п.).

Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ. Проявляется загрязнение вод в изменении физических и органолептических свойств (снижение прозрачности, изменение окраски, запаха, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращения растворенного в воде кислорода, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

Основной причиной загрязнения водных ресурсов является антропогенное загрязнение. Основными его источниками служат:

• сточные воды промышленных предприятий;
• сточные воды коммунального хозяйства городов и других населенных пунктов;
• стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов;
• атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоемов и водосборных бассейнов, а также неорганизованный сток воды осадков (ливневые стоки, талые воды) загрязняет водоемы техногенными терраполлютантами, смытыми с поверхности почвы.

Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае превышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считется загрязненной.

Различают химическое, физическое и биологическое загрязнение. Химическое загрязнение - наиболее часто встречающееся, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нефть и нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ), пестициды), и неорганическим (соли, кислоты, щелочи, металлы и их соединения). Большинство из них являются токсичными (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.). При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещестива сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок, но, как правило, полного самоочищения не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более. В пищевых цепях поглощенные планктоном загрязняющие вещества (ЗВ) концентрируются согласно закону пирамиды масс (энергий), на каждом последующем уровне, т.е. в рыбе, которая питается этим планктоном, концентрация ЗВ превышает в десять раз содержание его в планктоне и т.д. Так как цепи питания в водоемах насчитывают 4-6 звеньев, то в результате в тканях хищных рыб (щука, судак) концентрация токсичных веществ может в тысячи раз превышать ее концентрацию в воде, что опасно для птиц, прочих животных и людей. Например, было установлено, что содержание ртути в балтийской треске кое-где достигает 800 мг/кг массы, т.е. съев 5-8 таких рыбин, человек получает столько ртути, сколько ее в медицинском термометре.

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и т.д.

Радиоактивное загрязнение создается радиоактивными элементами; особенно вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде: стронций-90, уран, радий-226, цезий и т.д. Попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и т.д. В подземные воды уран, стронций и др. элементы попадают как в результате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания вглубь земли вместе с атмосферными осадками, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.), которые в значительной мере ухудшают органолептические показатели качества вод. Засорение промышленными и бытовыми твердыми отходами, остатками лесосплава и т.п. ухудшает качество вод, отрицательно влияют на среду обитания гидробионтов и на состояние экосистем.

Тепловое загрязнение вод связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту числа одних гидробионтов и гибели других, выделению ядовитых газов - сероводорода, метана.

Под влиянием загрязнения в пресноводных водоемах наблюдается снижение устойчивости экосистем вследствие нарушения пищевых связей, микробиологического загрязнения, антропогенной эвтрофикации (резкому повышению биопродуктивностии массовому размножению фитопланктона, в первую очередь неприхотливых сине-зеленых водорослей. «Цветение» воды и постепенное отмирание массы водорослей приводит к расходованию всех запасов кислорода и «умиранию» водоема. Причем эвтрофикация вызывается не ядовитыми ЗВ, а вполне безвредными добавками - частицами почвы и удобрениями).

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учебное пособие для вузов. - М.: Агентство ФАИР, 1998. - 320 с.
2. Одум Ю. Экология. - М.:Мир. - 1986.
3. Израэль Ю.А.Экология и контроль состояния природной среды. - М.:Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.