общая экология -
реклама
Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Ф.П. Туренко, Л.Ф.Тихомирова, Е.В. Алексеенко ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие для студентов заочного отделения Омск Издательство СибАДИ 2007 УДК 577.4 ББК 28.081 Т 87 Рецензенты: Л.И. Коломейцева, доцент, директор Сургутского филиала СибАДИ; Э.П.Гужулев, кафедра теплоэнергетики ОмГТУ Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для всех специальностей СибАДИ. Туренко Ф.П., Тихомирова Л.Ф., Алексеенко Е.В. Т 87 Общая экология: Учебное пособие. Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. 128 с. ISBN 978-5-93204-316-5 Приведены основные термины и подробно изложены основные понятия общей экологии. Текст сопровождают пояснительные схемы и рисунки. В конце пособия имеются контрольные вопросы, предназначенные для организации самостоятельной работы студентов. Табл. 3. Ил. 22. Библиогр.: 11 назв. ISBN 978-5-93204-316-5 Ф.П.Туренко, Л.Ф.Тихомирова, Е.В. Алексеенко, 2007 Cодержание Раздел 1. ТЕЗИСЫ УСТАНОВОЧНЫХ ЛЕКЦИЙ…………………………………… Лекция 1. Введение в общую экологию. Основные термины и понятия……………………………………………………………………………...... Лекция 2. Взаимодействие живых организмов со средой их обитания……………………………………………………………………........... Лекция 3. Прикладные аспекты экологии. Охрана окружающей природной среды………………………………………………………......................................... 6 6 10 17 Раздел 2. МАТЕРИАЛЫ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ………. 29 1. Основные понятия экологии…………………………………………............... 1.1. Биосфера, ее структура…………………………………………………………. 1.2. Эволюция биосферы. Живое, косное и биокосное вещество…………...…… 1.3. Экосистема, ее структура. Биотическое сообщество и абиотическая среда…………………………………………………………………………...……... 29 29 34 1.4. Уровни организации жизни на Земле………………………………...……….. 1.5. Организм и среда обитания………………………………………………...…... 1.6. Систематика растений и животных……………………………………………. 1.7. Биогеоценоз, его структура…………………………………………………….. 38 40 41 42 47 2. Основы биогеохимии………………………………………………………..….. 2.1. Биогеохимические циклы веществ…………………………………………….. 2.2. Биогеохимические циклы биогенных элементов и воздействие на них человека…………………………………………………………………………...….. 2.2.1.Биогеохимический цикл азота…………………………………………...... 2.2.2. Биогеохимический цикл кислорода………………………………………. 2.2.3. Биогеохимический цикл углерода………………………………............... 2.2.4. Биогеохимический цикл фосфора ………………………………............... 2.2.5. Биогеохимический цикл серы …………………………………………..... 49 49 54 3. Потоки энергии в биосфере…………………………………………………...... 3.1.Термодинамика процессов живой природы. Негэнтропия…………................ 3.2. Понятие о качестве энергии……………………………………………………. 3.3. Процесс фотосинтеза и хемосинтеза………………………………………….. 3.4. Процесс дыхания………………………………………………………………... 3.5. Передача энергии по трофической цепи………………………………………. 3.6. Продуктивность экосистем…………………………………………………..... 3.7. Энергетические типы экосистем………………………………………………. 62 62 64 65 67 68 70 72 54 56 58 60 61 4. Экологические факторы………………………………………………………... 4.1. Классификация экологических факторов……………………………………... 4.2. Закон толерантности……………………………………………………………. 4.3. Адаптация. Жизненные формы………………………………………............... 4.4. Экологическая валентность (пластичность)…………………………………... 4.5. Экологическая ниша……………………………………………………………. 5. Устойчивость и развитие экосистем………………………………………...... 5.1. Гомеостаз экосистем……………………………………………………………. 5.2. Экологическая сукцессия………………………………………………………. 74 74 81 81 83 84 85 86 88 6. Загрязнение окружающей среды……………………………………............... 6.1. Основные источники загрязнения……………………………………………... 6.2. Последствия загрязнения окружающей среды………………………………... 6.3. Разрушение природных систем………………………………………............... 6.4. Демографические проблемы…………………………………………................ 6.5. Глобальные проблемы энергетики…………………………………………...... 91 94 96 100 101 103 7. Экологический мониторинг…………………………………………................ 105 Раздел 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА «ТЕРМИНО-ПОНЯТИЙНЫЙ АППАРАТ» 110 Библиографический список………………………………………………………. 115 Приложение 1. Образец титульного листа контрольной работы по общей экологии……………………………………………………………............................ Приложение 2. Вопросы к зачету по общей экологии …………………………... Приложение 3. Варианты кроссвордов к практической работе…………………. 116 117 118 ИНСТРУКЦИЯ Для использования в учебном процессе данного учебного пособия студенты заочной формы обучения должны выполнить следующие мероприятия: 1. Выполнить практическую работу по освоению термино-понятийного аппарата по курсу общей экологии. Для этого необходимо изучить материалы трех установочных лекций (раздел I) и решить кроссворды, представленные в приложении 3. Номера в кроссвордах соответствуют номерам контрольных вопросов для практической работы. Выучив все термины, студент во время сессии должен устно ответить преподавателю, дав все определения по терминам. 2. Написать контрольную работу и выслать ее до сессии в деканат заочного обучения для проверки и оценки преподавателем. Для этого студент изучает в учебном пособии материал в разделе II для контрольной работы, затем конспектирует каждую тему не более чем на 2 машинописные страницы и оформляет согласно приложению 2. 3. В приложении 1 представлены вопросы к зачету по общей экологии, которые следует подготовить и явиться на сессию, для сдачи зачета. Раздел 1. ТЕЗИСЫ УСТАНОВОЧНЫХ ЛЕКЦИЙ Лекция 1. Введение в общую экологию. Основные термины и понятия 1. Экология – это наука о взаимодействии живых организмов со средой их обитания. Классическая экология выросла из биологии. Современная экология базируется на данных таких наук, как химия, физика, математика, геология, география и т.д. 2. Земля, как любая планета, имеет состоящую из нескольких частей оболочку. Оболочка Земли образована сферами. По направлению из космоса к центру Земли выделяют следующие сферы: атмосферу (воздушная оболочка Земли), гидросферу (водная оболочка), литосферу (земная кора) – внешние оболочки, а также мантию (внутреннюю оболочку) и ядро. 3. Примерно 3,4 – 4,5 млрд лет назад в оболочке Земли возникла тонкая жизненная пленка – биосфера. Биосфера (от лат. «биос» – жизнь) – область существования живых организмов. Это геологическая оболочка Земли вместе с населяющими ее живыми организмами: животными, растениями, микроорганизмами. 4. Эволюция биосферы – образование жизни из неживой материи. В настоящее время выделяют новое состояние, возникшее в результате эволюции биосферы, биотехносферу. Биотехносфера – новое состояние биосферы, возникшее в результате изменения природной среды человеком. Человек при помощи разума должен сбалансировать процессы между обществом и средой. Тогда, согласно учению выдающегося русского ученого Владимира Ивановича Вернадского, произойдет постепенное превращение биосферы в ноосферу – сферу разума, высшую стадию развития биосферы, этап развития биосферы, характеризующийся разумным регулированием взаимоотношения человека и природы. 5. Элементарной структурной единицей биосферы является биогеоценоз. Биогеоценоз – это совокупность на определенном участке земной поверхности компонентов живой и неживой природы, обменивающихся веществом и энергией как между собой, так и с другими явлениями природы. Экосистемой называется безразмерная устойчивая система живых и неживых компонентов природы, в которой осуществляется внешний и внутренний круговорот веществ и энергии. 6. В любом биогеоценозе можно выделить две составляющие: 1) совокупность факторов живой природы – биотоп, и экотоп – состав воздуха, почвы, рельеф местности и т.д.; 2) совокупность живых организмов, населяющих биотоп, – биоценоз. Совокупность биогеоценозов образует биом – более крупную единицу биосферы. Биом – совокупность биоценозов, между которыми происходит интенсивный обмен веществом и энергией. Пр.: тайга, тундра. 7. В биосфере осуществляется непрерывный круговорот веществ и энергии. Органическое вещество на Земле образуется в основном зелеными растениями под воздействием солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Фотосинтез – это химическая реакция образования органического вещества и свободного кислорода из простых неорганических веществ под воздействием энергии Солнца. При этом энергия солнечного излучения преобразуется в энергию химических связей, т.е. происходит накопление энергии в органическом веществе. 8. Органические вещества, образующиеся в процессе фотосинтеза, характеризуются высоким запасом внутренней энергии. Но эта энергия недоступна для непосредственного использования в реакциях, протекающих в живых тканях. Дыхание – это процесс, обратный фотосинтезу, при котором энергия органического вещества переводится в активную форму и может быть использована организмом. 9. Кроме растений, синтез органического вещества присущ некоторым бактериям. Хемосинтез – синтез органического вещества бактериями, сопровождающийся окислением простых неорганических веществ. 10. Не все живые организмы способны получать энергию непосредственно от Солнца. Живые организмы образуют цепи питания – трофические цепи (от лат. «трофе» – питаюсь). Перенос энергии пищи от ее источника – растений – через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется трофической (пищевой) цепью. По положению в трофической цепи организмы делятся на продуцентов, консументов и редуцентов. Продуценты создают первичное органическое вещество, продуцируя его из неорганического. Консументы – это организмы, питающиеся созданным продуцентами органическим веществом. Редуценты перерабатывают отходы жизнедеятельности продуцентов и консументов, образуя замкнутый цикл органического вещества. 11. По трофической цепи происходит передача энергии Солнца от продуцентов к другим звеньям. При этом усваиваемая растениями энергия Солнца переходит в энергию связей органического вещества. Организмыпотребители (консументы) питаются органическим веществом продуцентов и усваивают энергию их органического вещества, часть которой расходуется на построения собственного органического вещества, а часть рассеивается в процессах дыхания, теплообмена, движения и т.д. При помощи пищевых цепей в экосистеме образуется непрерывный поток энергии. В процессе этого некоторая часть энергии рассеивается (теряется) в виде тепла, поэтому необходима постоянная компенсация рассеянной энергии от Солнца. 12. В процессе жизнедеятельности живых организмов в экосистеме создается и расходуется живое (органическое) вещество. Продуктивность экосистемы – это масса живого вещества, образованного в единицу времени на единице поверхности. Выделяют первичную продуктивность – продуктивность продуцентов, вторичную продуктивность – консументов. Первичная продуктивность продуцентов 0,5 % от количества солнечной энергии. Вторичная продуктивность (масса растительноядных) будет еще ниже, составлять всего 1 % от первичной. При дальнейшем перемещении по трофической цепи происходит дальнейшее снижение энергии. Поэтому на 1 кг веса растительноядного животного расходуется около 70–90 кг травы. 13. Продуктивность измеряется в единицах энергии, массы или в числах (количестве животных). Графическое отображение соотношения продуктивности различных звеньев трофической цепи представляет собой пирамиду. Различают пирамиды массы, энергии и чисел. Массы: 80 000 кг растений 1000 кг говядины 50 кг чел. Энергии: 2109кДж солнечной энергии 107кДж растений(0,05 %) 105кДж говядины 103кДж чел. Чисел: 3107(30 млн) травинок 3 коровы 1 чел. Для человека энергетически более выгодно растительное питание и наиболее дорого использование в пищу хищных видов. Так, с энергетической точки зрения 1 кг окуня или щуки обходится природе в 7 раз дороже, чем 1 кг говядины. Отсюда видно преимущество традиционного разведения растительноядных видов (свиньи, куры, коровы). У них перевод энергии пищи в собственную биомассу выше, чем у хищников. 14. Если бы не было круговорота веществ, то постепенно все ресурсы неорганических веществ перешли бы в массу мертвой органики. Этого не происходит, так как все химические элементы циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организм и опять во внешнюю среду. Выделяют следующие виды круговоротов: а) большой (геологический) круговорот длится сотни тысяч или млн лет. Включает процессы разрушения горных пород, выветривания продуктов, снесение их потоками в Мировой океан, образование морских пластов, лишь частично возвращаемых на сушу с осадками, с извлекаемыми водными организмами, крупные медленные процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов, сопровождающееся возвращением пластов на сушу и повторением процессов. Вещества, вовлеченные в геологический круговорот, находятся в резерве по отношению к живым организмам, т.е. составляют резервный фонд. «Резервный фонд» – большая масса медленно движущегося вещества, вовлеченного в геологический круговорот и не связанного с живыми организмами; б) малый (биогеохимический) круговорот – часть большого на уровне биогеоценоза: питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в растениях, расходуются на построение тела и жизненные процессы растений, затем животных, образующиеся продукты распада органического вещества разлагаются редуцентами до минеральных компонентов и вновь вовлекаются в поток веществ (трофические цепи): Первичные консументы Продуценты Минеральные вещества Вторичные консументы Редуценты Рис.1. Схема трофической цепи Скорость биотического круговорота в сотни тысяч и млн раз больше, чем геологического, т.к. все биологические превращения катализируются ферментами, которые в сотни тысяч и млн раз активнее неорганических катализаторов. Вещества, вовлеченные в малый круговорот, доступны живым организмам и составляют «обменный фонд» – сравнительно небольшое количество вещества, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой. Круговорот углерода: углеродный скелет является основой всех органических веществ. Резервом углерода являются минеральные отложения (карбонаты и ископаемые виды топлива) и небольшой, но активный фонд в атмосфере (СО2). 1 4 Атмосфера и гидросфера Зеленые растения 2 Животные 3 5 8 7 Отложения 6 Рис. 2. Схема круговорота углерода Диоксид углерода в атмосфере участвует в процессе фотосинтеза, обеспечивая накопление солнечной энергии в биосфере. При этом постоянно возникают и распадаются сложные органические соединения углерода. В соответствии со схемой на рис. 2 углекислый газ атмосферы извлекается растениями в процессе фотосинтеза (1) и через пищевые цепи в процессе питания (2) углерод попадает в организм животных. Дыхание растений и животных и тление останков постоянно возвращает атмосфере и водам океана громадные массы углерода в виде углекислого газа (3,4). Частично углерод выходит из круговорота при минерализации останков растений (5) и животных (6) (некоторые организмы, погребенные в осадках, накапливаются в форме ископаемых компонентов), а также за счет образования горных пород (7). Различные свободно протекающие процессы (извержение вулканов, газовые источники) ведут к обратному переходу углерода из минералов в атмосферу (8). Человек истощает ресурсы, т.к. добывает и безвозвратно теряет больше, чем возвращает в оборот. При этом круговороты становятся несовершенными и часто теряют цикличность. Сам человек все больше страдает от сложившейся противоестественной ситуации: в одних местах возникает нехватка, а в других – избыток каких-либо веществ, возникает недостаток природных ресурсов и загрязнение среды. При этом человека можно рассматривать как мощный геологический фактор. Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете направлены на то, чтобы превратить ациклические процессы в циклические. Основной целью в этой связи должно стать возвращение вещества в круговорот, обеспечивающее их повторное использование. Лекция 2. Взаимодействие живых организмов со средой их обитания 15. Термодинамика процессов живой природы. Негэнтропия. Из второго закона термодинамики также следует, что самопроизвольно происходят только процессы, сопровождающиеся рассеянием энергии и увеличением энтропии – меры беспорядка (S0). Важнейшим свойством живых организмов является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. Живые организмы способны бороться против уравновешивающих сил природы. Они увеличивают собственную упорядоченность, образуя из простых веществ сложные. Живые организмы способны выполнять работу против уравновешивания с внешней средой за счет образования сложных веществ из простых, т.е. повышения упорядоченности. Но здесь нет противоречия законам физики, так как эти процессы происходят только при постоянном подводе энергии в виде солнечного излучения. Сама возможность существования живых организмов обуславливается их способностью накапливать энергию путем преобразования полученной энергии Солнца в энергию химических связей. Живые организмы извлекают из окружающей среды отрицательную энтропию – негэнтропию. При этом уменьшение энтропии возможно за счет постоянного рассеивания энергии (тепла) в окружающую среду и компенсации энергетических потерь постоянным притоком дополнительной энергии – энергии Солнца. То есть уменьшение энтропии живых существ происходит за счет увеличения энтропии окружающей среды. 16. Гомеостаз и устойчивость экологических систем. Сукцессия. На экосистему воздействует большое количество факторов, которые стремятся вывести ее из состояния равновесия. Но природа имеет механизмы, направленные на поддержание равновесия. Таким образом, для экосистем характерно состояние подвижно-устойчивого равновесия. Состояние подвижно-устойчивого равновесия экосистемы, обуславливающего ее устойчивость, называется гомеостазом (от лат. «гомео» – тот же, «стазис» – состояние). Для поддержания стабильности системы необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена веществ между организмом и окружающей средой. Основная причина неустойчивости экосистем – несбалансированность в них потоков веществ и энергии. Экосистема должна избавляться от ненужных продуктов и получать необходимые вещества из окружающей среды. По принципу поддержания гомеостаза экосистемы делятся на открытые (в основном природные) и закрытые (многие антропогенные). 1) В открытых системах непрерывно поступает энергия и вещество из внешней (по отношению к экосистеме) среды (пр.: к растениям – поток солнечного излучения, химических веществ). Постоянно происходят процессы накопления и разложения вещества. 2) В закрытых экосистемах нет постоянного обмена веществом и энергией с внешней средой. Без вмешательства извне система нестабильна (быстро происходит нарушение равновесия). Но даже в открытых экосистемах происходят медленные, постоянные изменения во времени, касающиеся в основном живых организмов. При этом происходит последовательная смена биоценозов под воздействием внешних факторов, называемая сукцессией (от лат. «сукцедо» – следую). При сукцессии – смене биоценозов – происходит и постепенное изменение всех абиотических факторов, т.е. биотопа. Если развитие экосистемы начинается на участке, который перед этим не был занят каким-либо сообществом – голом грунте без почвы (недавно вышедшая на поверхность скала, песок, остывшая лава), процесс называется первичной сукцессией. (Пр.: сукцессия после извержения вулкана на о. Кракатау (Индонезия) в 1883г. Большая часть острова исчезла, остался небольшой участок, засыпанный 60-метровым слоем пепла. Все живое было уничтожено, но через год уже нашли немного растительности и один вид пауков. Через 20 лет – 200 видов, через 50 – молодой лес.) Если развитие экосистемы происходит на площади, с которой предварительно удалено предыдущее сообщество (заброшенное поле или вырубка), то это будет вторичная сукцессия. Она протекает обычно быстрее первичной, поскольку на территории, которая ранее была уже занята, уже имеются некоторые организмы, осуществляющие обмен веществ со средой. (Пр.: на заброшенном поле сначала появляются травянистые растения, далее (в результате налета семян) – кустарники, затем деревья. Причем вначале появляются светолюбивые лиственные породы, а затем (под их тенью) – тенелюбивые хвойные.) 17. Экологические факторы среды: абиотические и биотические. Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы. Все экологические факторы можно разделить на две группы: а) факторы неживой природы – абиотические – климатические, эдафогенные, орографические, химические; б) факторы живой природы – биотические – фитогенные, зоогенные, микробогенные, антропогенные. Экологические факторы можно разделить на прямые и косвенные. Прямые связаны с непосредственным воздействием факторов на организмы (животные поедают растения); косвенные – с опосредованным воздействием (растения изменяют режим влажности и влияют на другие живые организмы). Важной характеристикой всех экологических факторов является степень их периодичности. По этой классификации факторы делятся на периодические и непериодические. а) периодические – факторы, связанные с периодичными процессами природы (напр., с вращением Земли и сменой времен года и суточной освещенности). Они действуют на протяжении значительного этапа жизни организма и обуславливают периодический тип динамики численности популяций. Живые организмы могут к ним адаптироваться; б) непериодические – не имеют правильной периодичности (стихийные явления, антропогенные воздействия). В этом случае организмы не успевают выработать защитных реакций. 18. Абиотические факторы характеризуют воздействие на живые организмы факторов неживой природы: а) климатические: – Лучистая энергия Солнца: она распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Выявлена тесная связь между солнечной активностью и ритмом биологических процессов: чем интенсивнее солнечная активность, т.е. больше пятен на Солнце, тем больше возмущений – порывов солнечного ветра, что вызывает изменение атмосферной циркуляции, магнитные бури и т.д. – Температура: она связана с солнечным излучением (особенно с инфракрасной частью света). Живые организмы могут существовать при температурах от – 200 до + 100 С. – Влажность: вода необходима для существования протоплазмы. Количество воды имеет значение и в наземных, и водных объектах. Влажность местности определяется влажностью атмосферного воздуха, количеством осадков, площадью водных запасов. – Давление: перепады давления связаны с неодинаковым нагревом земной поверхности. – Ветер – движение воздушных масс – является следствием перепада давления. – Лунные ритмы – вызывают приливы и отливы, к которым приспособлены многие морские животные; б) эдафогенные (почвенные): – Механический состав – содержание частиц разной величины оказывает непосредственное воздействие на растения (обеспечивает проникновение корней растений в почву) и на подземные организмы, а через них – на другие живые организмы. – Влагоемкость почв, т.е. ее способность удерживать влагу. – Плотность и воздухопроницаемость; в) орографические: высота над уровнем моря (животные приспосабливаются к определенной высоте), рельеф местности (влияет на наземные организмы, растения, на состав и интенсивность эрозии почв) , экспозиция склонов; г) химические: химический состав атмосферы (газовый состав воздуха), гидросферы (солевой состав воды), литосферы (состав почвенных растворов). 19. Биотические факторы представляют собой совокупность влияния жизнедеятельности живых организмов на другие живые организмы и на окружающую среду: а) фитогенные – факторы влияния растительных организмов. Любое растительное сообщество сильно влияет на абиотические условия (например, лесные растения создают микроклимат в лесу.) Растения образуют первичное органическое вещество на Земле, т.е. обеспечивают пищей все остальные организмы. Поглощение и испарение воды растениями влияют на климат местности. Увлажняя воздух, задерживая движение ветра, изменяя световой режим, растительность создает особый микроклимат; б) зоогенные – факторы влияния животных организмов. Животные влияют на растения (поедая их, используя для жилья, перенося семена, пыльцу, а также заболевания), в какой-то мере – на абиотические факторы (разрыхляя почву, изменяя рельеф местности), а также на других животных; в) микробогенные – влияние микроорганизмов, которые оказывают воздействие на абиотические факторы, особенно на эдафогенный и химический, на все остальные живые организмы. Бактерии и грибы минерализуют часть растительного вещества, возвращая ее растениям, другая же часть органического вещества превращается в гумус – запас питания для растений; г) антропогенные – влияние человека. В настоящее время происходит интенсивный рост антропогенного фактора, влияющего на большинство абиотических и биотических факторов. Так, примерами неблагоприятных воздействий со стороны антропогенных факторов могут быть воздействие промышленности, сельского хозяйства, урбанизация, испытание ядерного оружия и т.д. Главное, все живые организмы взаимно необходимы друг другу. Угнетение или уничтожение одного вида отражается на других. 20. Законы минимума и максимума. Любому организму необходимы не вообще температура, влажность, вещества, а некие пределы, параметры экологических факторов. Для каждого вида существуют свои оптимальные параметры экологических факторов, при которых жизнедеятельность особей протекает нормально. Минимальные и максимальные границы экологических факторов определяются законами минимума и максимума. Рис.3. Пределы толерантности: 1, 3 – зона угнетения; 2 – зона нормальной жизнедеятельности min 1 2 Фактор 3 max Закон минимума выдвинут основоположником агрохимии Ю. Либихом в 1840 г. Этот закон справедлив для различных экологических факторов и для различных организмов. Жизненные возможности организма лимитируют тот экологический фактор, количество которого близко к необходимому организму минимуму и дальнейшее снижение которого ведет к гибели организма. (Пр.: нехватка витаминов, микроэлементов и т.д.) Закон минимума дополняется законом максимума американского ученого Шелфорда: увеличение интенсивности экологических факторов не может увеличить продуктивность организмов сверх существующих пределов, а избыток какого-либо фактора может привести к тяжелым отклонениям. (Пр.: избыток влаги (задыхание корней, гниение, закисание почвы), солнечного излучения, избыток витамина). Итак, среди всех экологических факторов сильнее действуют те, которые близки к максимально или минимально возможному значению. Факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке и ограничивающие жизнедеятельность организма, называются лимитирующими. Законы о лимитирующих факторах упрощают изучение сложных экологических систем. При этом главное внимание уделяется только тем из множества экологических факторов, которые близки к необходимым организму максимуму или минимуму. 21. Толерантность. Шелфорду принадлежит и формулировка закона толерантности, как бы суммирующего законы максимума и минимума: лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между допустимыми минимумом и максимумом определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору. Таким образом, толерантность – это способность организмов выносить отклонения экологических факторов от оптимальных для этих организмов значений. Закон толерантности дополняют следующие положения: а) организмы могут иметь широкий диапазон в отношении одного экологического фактора и узкий в отношении другого (пр.: растения по-разному реагируют на колебание температуры и воды в почве); б) организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех факторов обычно наиболее распространены (пр.: воробей, журавль); в) если условия по одному фактору не оптимальны, то диапазон толерантности может сузиться и в отношении других факторов (пр.: при понижении температуры организму требуется насыщение питательными веществами). 22. Адаптации. Жизненные формы. Для каждого вида организмов существуют свои оптимальные параметры экологических факторов (свой диапазон толерантности). При постоянном воздействии какого-либо экологического фактора сверх лимитируемых пределов организм должен либо адаптироваться к новым параметрам, либо погибнуть. У различных видов организмов – различные способности к адаптации. Адаптациями называют эволюционно выработанные и наследственно закрепленные особенности живых организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность при колебании уровней экологических факторов. Таким образом, организм не может изменить параметры экологических факторов и должен менять свою структуру или поведение. Различают следующие виды адаптаций: – морфологические – изменение строения тела; – физиологические – изменение строения внутренних органов (пр.: организм верблюда способен синтезировать воду при помощи окисления накопленного жира); – поведенческие – изменение поведения (пр.: перелеты птиц – стремятся избежать экстремальных условий). Иногда адаптации различных видов в сходных условиях приводят к одинаковым структурам (природа выбирает одно, наиболее перспективное направление). Пр.: пустынные растения – кактусы, молочаи – имеют одинаковые приспособления для выживания в пустыне. Группа видов, имеющая сходные приспособительные структуры для обитания в одинаковых условиях, называется жизненной формой. Внешне жизненные формы характеризуются схожестью строения тела и поведенческих признаков. 23. Экологическая валентность (пластичность). Организмы различаются своей способностью к адаптации: одни адаптируются легко и быстро, другие медленно и с трудом. Способность вида адаптироваться к экологическим факторам называется экологической валентностью, или пластичностью вида. Чем выше пластичность, тем легче происходит адаптация. Примеры узкого приспособления к своим биотопам – кактусы (приспособление к нехватке воды), кувшинки (к жизни в воде) и т.д. Существуют виды, способные жить в очень разных условиях, например одуванчик. Пластичность тесно связана с диапазонами толерантности: чем выше пластичность, тем шире пределы толерантности (пр.: воробей более пластичный вид, чем журавль). 24. Экологическая ниша организма. Растения и животные могут обитать только там, где условия подходят для них. Каждый организм имеет свое место обитания – место, где он живет или где его обычно можно найти. В экологии существует более емкое понятие – экологическая ниша, включающее в себя не только физическое место, занимаемое организмом, но и его роль в сообществе, а также степень его адаптации к внешним факторам, т.е. положение относительно абиотических условий существования (температуры, давления и т.п.). Совокупность параметров всех факторов среды, при которых возможно существование данного вида, называется экологической нишей. Для каждого вида существует свой набор оптимальных параметров экологических факторов, а значит, и своя экологическая ниша. Кроме того, различают фундаментальную и реализованную ниши. Фундаментальная – та, которую вид мог бы занимать в отсутствии врагов, реализованная – имеющая место в действительности, всегда меньше фундаментальной. Лекция 3. Прикладные аспекты экологии. Охрана окружающей природной среды 25. Природные ресурсы и их классификация. Природные ресурсы – это запасы природных богатств, используемых человеком, т.е. средства существования людей, которые не созданы их трудом, но находятся в природе. Ресурсы делятся на исчерпаемые и неисчерпаемые. Исчерпаемые ресурсы бывают возобновимыми, относительно возобновимыми и невозобновимыми. Неисчерпаемыми являются космические, климатические, водные и воздушные ресурсы (но качественно – изменяются). Космические ресурсы – солнечная радиация, энергия приливов и отливов; климатические – атмосферный воздух, энергия ветра, атмосферные осадки; водные – запасы воды на Земле. Исчерпаемые ресурсы делятся на классы, в зависимости от возможности их восстановления и от скорости восстановления. Восстанавливаются ресурсы с разной скоростью: животные – несколько лет, леса – 60-80 лет, почва – тысячелетия. Возобновимые ресурсы – растительный, животный мир, некоторые минеральные ресурсы (например, соли). Но темпы расходов должны соответствовать темпам их возобновления, иначе ресурсы становятся невозобновимыми. Относительно возобновимые – почва – рыхлый поверхностный слой суши, способный давать урожай, создается очень медленно при участии климата и живых организмов). Сантиметровый слой почвы образуется несколько столетий, а разрушается за несколько лет или даже дней. Невозобновимые – совершенно не восстанавливаются или восстанавливаются значительно медленнее, чем потребляются (полезные ископаемые). Кроме того, ресурсы можно классифицировать на заменимые (уголь, дрова для отопления) и незаменимые (кислород для дыхания). Охрана природных ресурсов состоит в бережном рациональном использовании, меньшем потреблении, поиске заменителей. 26. Принципы рационального природопользования. Безотходные технологии. При переходе от биосферы к ноосфере важным этапом является разработка и внедрение в жизнь принципов рационального природопользования. Человеку необходимо научиться так регулировать свою хозяйственную деятельность, чтобы удовлетворение его потребностей не шло вразрез с интересами окружающей среды. Следует рационально организовать систему управления природопользованием. Существует две основные задачи, стоящие перед современными производителями, а именно: 1) сократить добычу и вовлечение в производство новых ресурсов; ввести строгий учет ресурсов + создание ресурсо- и энергосберегающих технологий); 2) с максимальной выгодой сократить количество отходов (создание безотходных технологий). 1) Первая задача состоит в уменьшении потребления природных ресурсов. На решение первой задачи направлена разработанная в нашей стране система кадастров, являющаяся основной формой учета управления природопользованием. Кадастр – это совокупность данных о качественном и количественном состоянии природных ресурсов с их экологосоциально-экономической оценкой. Т.е. в кадастре сведены все данные о количестве и местонахождении природных ресурсов, их качестве, дана оценка экологического состояния объектов и определены параметры потребления. В настоящее время действуют следующие основные кадастры: земельный, лесной, водный, запасов полезных ископаемых и др. Система кадастров предназначена для согласования показателей учета и потребления различных природных ресурсов. Система кадастров позволит разумно регулировать потребление ресурсов с учетом их строгой экономии. С целью экономии природных ресурсов в промышленные процессы внедряются ресурсо- и энергосберегающие технологии. Ресурсосберегающие технологии – это технологии с минимальным расходом материалов и энергии на всех этапах производства. Кроме экономии вещества, необходимо экономить энергоресурсы. Для этого в производстве необходимо выбирать наименее энергоемкие технологические схемы, в быту – применять технику с низкой энергоемкостью, а также повышать теплоизоляцию зданий, что позволит сократить затраты энергии на обогрев жилья. 2) Вторая задача – уменьшение количества отходов. В настоящее время лишь 2–5 % сырьевых материалов переходит в продукцию, а 95–98 % превращается в отходы. Человечество в основном работает на производство отходов, при этом происходит интенсивное загрязнение окружающей среды. Полное использование отходов возможно путем создания безотходных технологий – замкнутых технологических процессов. Основой безотходных производств является цикличность вещественноэнергетических потоков. Все сырье вовлечено в следующий цикл: сырьевые ресурсы производство потребление вторичные ресурсы. Такая схема напоминает малый круговорот веществ. Безотходные производства должны быть организованы таким образом, чтобы отходы не образовывались. Для этого следует разделить технологические процессы на две части: производящую основную продукцию и преобразующую отходы, причем между этими частями необходимо устойчивое равновесие. При этом образующиеся неперерабатываемые остатки должны расщепляться на элементы, которые могут быть возвращены в окружающую среду без нарушения биогеохимических круговоротов. Безотходные технологии являются определенной идеальной системой, к которой следует стремиться. Создание полностью безотходных производств – длительный процесс, требующий решения многих задач. Сначала требуется перейти к малоотходным технологиям (современные малоотходные безотходные). Под малоотходным понимается такой способ производства, когда вредное воздействие на окружающую среду не превышает допустимого уровня, и только небольшая часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на нейтрализацию и длительное хранение. При создании малоотходных производств важное место отводится системе обезвреживания и хранения отходов. Для создания безотходных и малоотходных производств требуется объединить существующие мелкие предприятия в крупные производственные комплексы, где отходы одних производств служат сырьем для других. Переход на безотходные технологии предполагает решение энергетических проблем. Наиболее рациональный путь для этого – переход к альтернативной энергетике. Традиционные источники энергии – уголь, нефть, газ – представляют собой невозобновляемое сырье. При этом вокруг существуют возобновляемые энергетические ресурсы. Основными альтернативными источниками энергии являются: – гелиоэнергетика – основана на использовании энергии Солнца. На Землю падает огромное количество солнечной энергии, в 15 тыс. раз превышающее ежегодное мировое потребление энергии. Основными установками получения солнечной энергии являются гелиоэлектростанции для производства тепла и электроэнергии, солнечные батареи и элементы для производства электроэнергии, солнечные коллекторы для теплоснабжения зданий. Но солнечную энергию сложно запасать и передавать на большие расстояния без потерь; – ветровая энергетика – ветер заключает в себе механическую энергию, которая может быть использована на ветроэлектрических станциях для выработки электроэнергии. Такие станции являются рентабельными в районах с постоянными ветрами. В настоящее время большое количество ветровых установок работает в США, Дании, Голландии, Германии. Но этот вид энергии порождает некоторые проблемы: создает ультразвуковое излучение, телевизионные помехи, отрицательно влияет на птиц; – гидроэнергетика – основана на энергии волн приливов и отливов, океанских течений. Для этого строятся приливные и ветровые электростанции; – геотермальная энергия – может быть использована в областях современного вулканизма, где горячие подземные воды поднимаются к поверхности и выходят в виде термальных источников. При этом строятся следующие установки: геотермальные электростанции, геотермальные установки (использующие энергию подземных вод), тепловые насосы; – биоэнергетика – основана на использовании биологического сырья: биогаза, образующегося при разложении растительных и животных отходов без доступа воздуха, мусоросжигающих установок и т.д. Образующийся газ может быть использован в домах для обогрева и приготовления пищи. 27. Загрязнение окружающей среды. Классификация загрязнений. Загрязнение – это внесение в среду новых, не характерных для нее агентов или превышение естественного уровня этих агентов в среде (Пр.: 1– пестициды, 2 – превышение уровня CO2). Загрязнения делятся на природные (вызванные естественными процессами – космическая пыль, продукты выветривания горных пород, вулканизация, жизнедеятельность растений, животных, выброс нефти из подводных месторождений) и антропогенные (возникающие в результате деятельности людей – бытовые и промышленные отходы, пылевые, выхлопы автомобилей, промышленные выбросы, радиоактивные загрязнения). По типу загрязнителей антропогенные загрязнители делятся на следующие группы: – механические – агенты, оказывающие лишь механическое воздействие без физико-химических последствий; – химические – изменение естественных химических свойств среды. Загрязнители могут быть разрушающимися в ходе биологических процессов (вовлекающиеся в естественный круговорот – NO2, CO2) и неразрушающимися (невовлекающимися – пестициды (ДДТ), моющие средства). Наиболее опасны вторые, т.к. способны накапливаться в среде обитания. Многие загрязнения (стойкие ядовитые вещества) могут передаваться по трофическим цепям, а также накапливаться в организмах животных. Так, содержание яда ДДТ в телах хищных и рыбоядных птиц в 500 тыс. раз превышало содержание его в воде или почве. Особенно сильно загрязнения концентрируются в телах хищных рыб, птиц и животных; – биологические – большое количество микроорганизмов – вирусов, простейших; – физические: тепловые (повышение температуры среды, разогрев атмосферы вблизи теплотрасс, промышленных предприятий), шумовые (увеличение интенсивности шума), световые (нарушение естественной освещенности местности, приводящее к аномалиям в жизни животных), электромагнитные (изменение электромагнитных свойств среды вблизи линий электропередач, электроподстанций, радио- и телепередающих станций, приводящее к аномалиям в геофизических и биологических объектах; электромагнитное загрязнение возникает и при использовании микроволновых печей, радиотелефонов, компьютеров) и радиоактивные (превышение естественного уровня радиоактивных веществ). В среднем за последние 50 лет каждый из нас подвергался облучению от радиоактивных осадков, которые образовались в результате испытания ядерного оружия в атмосфере. Продукты ядерного деления поступают в организм, участвуют в обмене веществ, заменяют стабильные элементы. Радиоактивные частицы выпадают с осадками на землю, а когда и где они выпадут, определить невозможно, радиоактивное облако может обойти Землю за две недели). Цена загрязнения (экономический ущерб от них) слагается из трех основных компонентов: 1) потеря ресурсов в результате образования большого количества отходов («загрязнение – это ресурсы, оказавшиеся не на своем месте»); 2) стоимость ликвидации загрязнения и контроля над ними; 3) цена здоровья людей (увеличение заболеваемости и смертности населения). 28. Регламентация загрязнения. Поскольку полностью предотвратить выбросы человек пока не может, то введена система ограничения выбросов. При небольших концентрациях все загрязнители становятся практически безвредными веществами. Основными показателями для каждого загрязнителя является предельно допустимая концентрация (ПДК) – максимальная концентрация вещества, при которых еще не происходит нарушения деятельности человеческого организма. ПДК устанавливаются на основе стандартизованных исследований и являются законом, общим для всех. С точки зрения экологии ПДК – это верхний предел лимитирующих факторов среды (концентрация химического вещества), при которой содержание их не выходит за допустимые границы экологической ниши человека. Т.е. для загрязнителей нижний предел толерантности значения не имеет, а верхний не должен превышать ПДК ни при каких условиях. Чем ниже ПДК, тем вреднее вещество (Пр.: ПДКСО2(c/c/)=3,0мг/м3; SO2=0,05 мг/м3; бензапирен=0,00001 мг/м3). ПДК зависит от продолжительности воздействия, поэтому, в зависимости от времени воздействия, различают ПДК максимально разовые и среднесуточные. Максимально разовые – действующие в течение 30 минут, среднесуточные – в течение 24 часов (ПДКм.р и ПДКс.с). Так, ПДКSО2(м.р//)=0,5мг/м3 ПДКSО2(c/c/)=0,05мг/м3. Все концентрации в воздухе рабочей зоны сопоставляются только с максимально разовыми, а в атмосферном воздухе населенного пункта – со среднесуточными. ПДКр.з (т.е. максимально разовое ПДК рабочей зоны) больше, чем максимально разовое ПДК жилой застройки. Для физических загрязнений существует показатель ПДУ – предельно допустимый уровень. Если в воздухе присутствует не одно вещество, а несколько, оказывающих сходное воздействие, то происходит суммирование вредного воздействия – эффект суммации. Эффект суммации – многократное увеличение вредного воздействия различных веществ при их совместном присутствии. Нормами предусмотрен расчет эффекта суммации вредного воздействия для многих соединений. Расчет производится на основе ПДК этих соединений. Так, если действует одно вещество с концентрацией в воздухе С1 и с ПДК ПДК1, то требование к его содержанию выглядит так: С1/ ПДК1 1. Если же действует несколько вредных веществ, то требования жестче: С1 / ПДК1 + С2 / ПДК2 +...+ Сn / ПДКn 1. Регламентация (ограничение) выбросов вредных веществ в атмосферу осуществляется на основе установления ПДВ. ПДВ – это норматив, определяющий предельно допустимую концентрацию загрязняющего вещества в воздухе над источником выброса. ПДВ устанавливают для каждого источника загрязнения атмосферы. При этом предельные выбросы подбирают так, чтобы приземная концентрация вредных веществ не превышала ПДК, т.е. ПДВ устанавливают с учетом ПДК. Размерность ПДВ – грамм в секунду (г/с). Существуют формулы для установления ПДВ в зависимости от ПДК. Регламентация выбросов в гидросферу. Основное нормативное требование к качеству воды в водных объектах – это соблюдение установленных ПДК вредных веществ в водном объекте. Аналогом ПДВ в этом случае является ПДС – предельно допустимый сброс сточных вод – норма для каждого источника выбросов. 29. Экологический мониторинг. Для перехода биосферы в ноосферу необходимо исключить все отрицательные последствия природопользования и исправить те, что уже имели место. Для эффективного управления качеством природной среды организована система экологического мониторинга. Экологический мониторинг – система наблюдений за состоянием окружающей среды и прогнозирование изменений этого состояния. Является международным термином, впервые появившимся на Стокгольмской конференции 1972 г. как дополнение к понятию «контроль за состоянием окружающей среды». Перед экологическим мониторингом стоят следующие основные задачи: 1) наблюдение за состоянием биосферы для предотвращения ухудшения качества окружающей среды; 2) прогноз изменений в окружающей среде и связанных с этим экологических последствий; 3) выявление факторов и источников антропогенных воздействий на окружающую среду. Уровни экологического мониторинга: а) глобальный (биосферный) мониторинг – решение задач планетарного порядка, образующих систему глобального моделирования (СГМ), осуществляемый на основе международного сотрудничества. Базой СГМ является космическая и вычислительная техника; б) национальный мониторинг – организуемый в пределах государства специально созданными органами; в) региональный мониторинг – действующий в пределах отдельных крупных районов, интенсивно осваиваемых народным хозяйством; г) локальный мониторинг – учитывающий изменение качества среды в пределах населенных пунктов, промышленных центров, непосредственно на предприятиях. Рассмотрим схему мониторинга Российской Федерации. Важную роль играет формирование Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ). ЕГСЭМ является источником объективной информации об окружающей среде и включает федеральный, региональный и локальный уровни. Для осуществления мониторинга функции распределяются между различными органами власти: Госкомэкология – координация деятельности всех организаций в области окружающей среды; Росгидромет – мониторинг атмосферы; Роскомзем – мониторинг земель; Министерство природных ресурсов – мониторинг недр; Рослесхоз – мониторинг лесов; Госкомсанэпиднадзор – мониторинг воздействия окружающей среды на здоровье человека; Госгортехнадзор – координация мониторинга геологической среды; Минобороны – мониторинг окружающей среды на военных объектах, обеспечение ЕГСЭМ средствами и системами военной техники двойного применения. Государственная служба наблюдения (ГСН) за загрязнением окружающей природной среды включает абиотические факторы и обеспечивает ЕГСЭМ данными о состоянии и уровнях загрязнения атмосферного воздуха, водяных объектов, почв, геологической среды и о происходящих в них изменениях. Кроме того, ГСН обеспечивает все органы ЕГСЭМ оперативной фактической и прогностической информацией обо всех изменениях в области окружающей среды для предотвращения чрезвычайных ситуаций. Только с появлением ГИС реализуется возможность целостного взгляда на проблемы окружающей среды и экологии. Технология ГИС позволяет собрать воедино и проанализировать различную малосвязанную информацию об объекте. ГИС становится основным элементом в системе мониторинга. ГСН ЕГСЭМ Госкомэкология: Росгидромет, Роскомзем, МПР, Рослесхоз. 30. Информационные методы управления окружающей средой. Социально - экологические информационные мероприятия: 1) экологическое образование; 2) просвещение и воспитание; 3) пропаганда и реклама Экологический мониторинг Картографирование Кадастры Геоинформационные системы Моделирование Прогнозирование Рис. 4. Схема управления окружающей средой В систему управления должны входить следующие основные процедуры: 1) Мониторинг – исследование объекта наблюдений, формирование массива данных для экологического картографирования, ГИС, моделирования и прогноза. 2) Экологические карты отражают взаимосвязь организмов, в том числе человека, и природной среды. Различают: аналитические карты, содержащие конкретную информацию о видах и степени воздействия на природную среду; типологические – схемы районирования территорий по напряженности экологических обстановок. Так, Институтом географии РАН разработана карта "Экологическая ситуация на территории России". Вся карта разбита на участки, в зависимости от уровня напряженности экологической обстановки. По карте установлено, что на территории России площади с высокой экологической напряженностью занимают 34 %, а с благоприятной экологией – всего 17 %. 3) Оценка состояния объекта наблюдений (система кадастров). 4) Обработка полученной информации (ГИС – географические информационные системы); ГИС – это компьютерно-картографические системы обработки информации, включающие средства сбора, переработки, хранения и представления картографической информации в области природопользования. 5) Составление информационных моделей (моделирование). Модель – это физическое или знаковое подобие реального объекта, явления или процесса. Для организации рационального природопользования нужны модели взаимодействия человеческого общества и окружающей среды для того, чтобы предвидеть последствия антропогенного воздействия. При моделировании важно теоретическое обоснование аналогии между моделью и реальным явлением и возможности переносить на действительные процессы результаты, полученные на моделях. Одно из главных требований, предъявляемых к моделям, – их подобие моделируемой системе. Проблемой экологического моделирования является недостаточное качество информации. Большинство данных плохого качества, с искажениями, содержат ошибки (так называемые «некорректные данные»). Работать с такими данными можно только при использовании специальных математических методов обработки информации. Методологической основой исследования природных систем является принцип многомерного планирования и проведения экспериментов и наблюдений, обеспечивающих реализацию системного подхода в экологии. Системный подход позволяет оценить недостатки данных и выявить точные источники загрязнения. 6) прогнозирование изменения состояния объекта. Задача экологического прогнозирования состоит в разработке прогнозирующих моделей и оценке достоверности прогнозов. Целью экологического прогнозирования может быть предсказание состояния экосистемы и ее функционирования во времени. Методы прогнозирования экосистем: – качественные – основываются на логическом анализе объектов, используя установленные общие закономерности; – количественные – заключаются в математическом анализе построенных моделей сложных систем. 31. Государственная экологическая экспертиза; лицензирование природопользования. Сертификация. Экологический паспорт предприятия. Экологическая экспертиза (ЭЭ) проводится обычно специальными исполнительными органами (Росприроднадзором, различными ведомствами) и определяется как проверка соответствия намечаемой хозяйственной деятельности экологическим требованиям. ЭЭ включает предварительную оценку (исследование и прогноз) воздействия на окружающую среду и контрольную проверку соответствия материалов и документов экологическим требованиям. В 1995 г. был принят Федеральный закон "Об экологической экспертизе в России". Основными принципами экологической экспертизы являются: – обязательность проведения экспертизы; – презумпция потенциальной экологической опасности любой намечаемой деятельности; – комплексность оценки воздействующих факторов; – достоверность, полнота информации, участие общественных организаций. Основным рычагом управления качеством природной среды является лицензирование природопользования, т.е. выдача лицензий – разрешений компетентного государственного органа на осуществление определенной природопользовательской или природоохранной деятельности. Деятельность может быть одновременной или повторяемой оговоренное количество раз в течение оговоренного в лицензии времени лицензии. Экологические лицензии выдаются на следующие виды деятельности: – утилизация или захоронение отходов; – выброс отдельных видов загрязняющих веществ в окружающую среду; – проведение экологической паспортизации, сертификации; – выпуск продукции определенного рода; – осуществление видов деятельности, связанных с работами природоохранного назначения (отстрел дичи, отлов рыбы и т.д.). В случае, если владелец лицензии допускает какие-либо нарушения или ничего не делает, чтобы устранить их, действие лицензии может быть прекращено досрочно. Экологическая лицензия выполняется только после проведения экологической экспертизы. Существует еще такое понятие, как экологическая сертификация – это проверка и документальное подтверждение соответствия технологических процессов, материалов, услуг необходимым требованиям. Сертификация представляет потребителю гарантию в том, что приобретенное им изделие (технологический процесс, услуга) отвечает требованиям нормативных документов. Цель сертификации – предотвратить возможные отрицательные последствия применения товаров и услуг, не соответствующих экологическим требованиям. Сертификацию осуществляют специальные органы власти в результате специальной экспертизы. В результате экспертизы выдается экологический сертификат соответствия – документ, удостоверяющий, что сертифицируемый объект соответствует предъявляемым экологическим требованиям. Документом, комплексно характеризующим состояние природоохранных работ на транспорте, является экологический паспорт, т.е. нормативно-технический документ, отражающий уровень использования предприятием природных ресурсов и его воздействия на окружающую среду. ГОСТ на экологический паспорт вошел в силу в 1990 г. В экологическом паспорте должны быть отражены следующие сведения: характеристика используемых ресурсов (количественная и качественная), характеристика выбросов загрязнителей, рекомендации по улучшению экологической ситуации. Любое предприятие в стране должно иметь экологический паспорт, что позволяет осуществлять экологический мониторинг, т.е. контролировать и прогнозировать ситуацию на самом предприятии и вокруг него. В настоящее время осуществляется паспортизация сельскохозяйственных объектов. Паспорт разрабатывается на основе анализа и обобщения результатов деятельности организации и включает в себя следующие разделы: 1) общие сведения о предприятии и его реквизиты (основной вид деятельности, производства-загрязнители, источники выделения загрязнений и точки их контроля); 2) краткая природно-климатическая характеристика района расположения предприятия, сведения об использовании земельных ресурсов; 3) характеристика используемого сырья и материалов, их расход; 4) характеристика выбросов в атмосферу, водопотребления, отходов; 5) сведения о транспорте (количество, общий пробег, удельные и годовые выбросы); 6) сведения об эколого-экономической деятельности предприятия (ограничения на использование природных ресурсов, выбросы загрязнителей, нормативы и размеры экологических платежей, налоговые льготы за внедрение "чистых" технологий и т.д.). В экологический паспорт помещают карту – схему предприятия с указанием источников загрязнения атмосферы, водных объектов, места складирования отходов. 32. Экологические правонарушения делятся на две группы – проступки и преступления. Экологические проступки совершают работ-ники предприятий при невыполнении природоохранных мероприятий. К ним применяют меры дисциплинарной ответственности (лишение премий или даже увольнение). К административной ответственности привлекают за экологические правонарушения (невыполнение обязательств по проведению экологической экспертизы, нарушение экологических требований при проектировании, строительстве, сверхнормативное загрязнение окружающей среды, порча и уничтожение природных экосистем и т.д.). Главная мера – штраф. При значительном ущербе на виновных возлагается гражданская ответственность, которая обязывает возместить нанесенный ущерб. Уголовная ответственность предусмотрена за экологические преступления, касающиеся нарушения экологической безопасности общества и причинения вреда окружающей среде и здоровью человека. В действующем УК РФ предусмотрено 13 составов экологических преступлений: загрязнение водоемов и воздуха, повреждение лесных массивов, незаконное занятие рыбным промыслом и охотой, уничтожение памятников природы и т.д. Раздел 2. МАТЕРИАЛЫ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ И ПОДГОТОВКЕ К ЗАЧЕТУ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИИ 1.1. Биосфера, ее структура Средой обитания всех живых организмов Земли, в том числе человека, является биосфера. Биосфера – это все живое вещество Земли и область его распространения. Биосфера представляет собой оболочку вокруг Земли, включающую все живые организмы, обитающие на планете. В состав биосферы входит и та часть вещества Земли, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Термин "биосфера" образован от греческих слов "bios" – жизнь и "sphaira" – шар, сфера. В буквальном переводе слово "биосфера" означает "сфера жизни". Этот термин впервые был введен в науку в 1875 г. австралийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831–1944). Сам Зюсс понимал под биосферой только совокупность всех живых организмов, обитающих на Земле, не замечая тесного взаимодействия живой и неживой природы планеты. Неживая природа существенно влияет на жизнедеятельность живых организмов. С другой стороны, живые организмы принимают активное участие в формировании многих горных пород, почвы, климата планеты, оказывают значительное воздействие на состав воды, атмосферного воздуха. Поэтому биосферу нельзя рассматривать отдельно от неживой природной среды, составляющей с ней единое целое. Первым из ученых, указавших на огромную роль живых организмов в формировании облика Земли, был Ж.Б. Ламарк (1744–1829). В его работах указывалось, что современная земная кора возникла под влиянием жизнедеятельности живых организмов. Ни один живой организм на Земле, в том числе и человек, не может существовать вне окружающей среды. Все организмы тесно связаны как между собой, так и с неживой природой. Вся биосфера может существовать только при условии тесного взаимодействия с внешней средой – с географической оболочкой Земли и с космосом. Для того чтобы представить себе структуру биосферы в пространстве, рассмотрим строение географической оболочки Земли. Эта оболочка имеет неоднородное строение и состоит из нескольких концентрических сфер (геосфер), вращающихся вместе с планетой. У Земли существует три внешние (атмосфера, гидросфера, литосфера) и одна внутренняя (мантия) геосфера. Атмосфера (от греческого "atmos"– пар) – это мощная простирающаяся на огромную высоту оболочка – около 20 тыс. км над поверхностью планеты – и граничащая с космическим пространством. Через атмосферу происходит обмен веществом и энергией между Землей и космосом. Атмосфера представляет собой сложную неоднородную структуру и состоит из нескольких слоев. Тропосфера – нижний слой атмосферы, примыкающий к поверхности Земли. Мощность тропосферы составляет 8–10 км в полярных областях и 16–18 км у экватора. В этом слое сосредоточено около 80 % всех газов, находящихся в атмосфере. В тропосфере происходят вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, обуславливающих круговорот воды и многих других веществ, теплообмен, перенос загрязнителей. Этот слой атмосферы изучен наиболее полно. Именно в нем могут существовать живые организмы Земли. Стратосфера расположена над тропосферой на высоте 18–55 км. В стратосфере на высоте около 30–40 км расположен озоновый слой – зона с высоким содержанием трехатомного кислорода – озона (О3). Озон образуется из кислорода под воздействием космического излучения. Озона в атмосфере очень мало – всего 4∙10–7 %. Если собрать весь озон атмосферы в один слой, то при нормальных условиях (то есть давлении 1 атм. и температуре 273 С) он будет иметь толщину слоя всего 0,3 см. Однако этого количества вполне достаточно для защиты биосферы Земли от ультрафиолетового излучения Солнца, поскольку озон обладает очень сильным поглощающим эффектом. Озоновый слой вокруг Земли поглощает практически все солнечное коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для всех живых организмов. Кроме того, озон задерживает также инфракрасное (тепловое) излучение Земли, препятствуя ее охлаждению. Мезосфера – следующий слой атмосферы, расположенный на высоте 55–80 км от уровня моря. В мезосфере происходит резкое понижение температуры с высотой. Термосфера, расположенная выше 80 км над уровнем моря, характеризуется постоянным повышением температуры. В верхней части термосферы температура достигает 1000 К. Термосферу часто называют еще ионосферой, так как в ней находится большое количество ионов. Эти ионы обладают способностью задерживать космическое излучение, образуя "северное сияние". Экзосфера – расположенный над термосферой верхний слой атмосферы, граничащий с околоземным космическим пространством. Вся газовая оболочка – атмосфера – это "одеяло" Земли, предохраняющее ее от губительного космического излучения, резких перепадов температур и от падения крупных метеоритов. Если бы вокруг Земли не существовало атмосферы, то температура у поверхности планеты днем превышала бы +1000 С, а ночью опускалась ниже –1000 С. Гидросфера – водная оболочка Земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную гидросферы. Большая часть водного запаса расположена на поверхности Земли. Поверхностная гидросфера включает в себя все поверхностные воды земли: океаны, моря, озера, реки, болота, ледники и т. д. Эта часть гидросферы занимает 70,8 % поверхности Земли. Подземная гидросфера включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Более 98 % всех водных запасов Земли составляют соленые воды океанов, морей и т. д. Общий объем пресных вод не превышает 2 % от общего объема гидросферы. Причем большая часть пресных вод сосредоточена в виде льда у полюсов планеты. Таким образом, хотя общий запас воды на Земле значителен, запасы пресной воды очень малы. Мировой океан является источником многих минеральных ресурсов. В морской воде содержится большое количество химических элементов. Наиболее распространен в мировом океане хлор, натрий, магний, кальций и калий. В заметном количестве присутствуют уран, серебро, золото и медь. В океане обитает свыше 300 000 видов живых организмов – от микроскопических водорослей (планктона) до крупных морских животных. Морские организмы играют огромную роль в существовании биосферы – они производят почти половину всего кислорода, поступающего в атмосферу. Поэтому океан образно называют "легкими планеты". Вся гидросфера Земли в большей степени влияет на формирование климата планеты. Вода обладает способностью медленно нагреваться и медленно остывать, поэтому мировой океан служит аккумулятором тепловой энергии Солнца. Гидросфера влияет на многие атмосферные процессы: нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение воздуха водяными парами и др. Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, или земная кора. Толщина литосферы составляет от 6–8 км (под дном океана) до 80 км (в горных системах). Именно литосфера является основным источником природных ресурсов для человека. Земная кора сложена горными породами, среди которых выделяют магматические, осадочные и метаморфические. Магматические горные породы возникли в результате кристаллизации расплавов в недрах Земли и на поверхности. К ним относятся базальты, граниты и др. Осадочные горные породы образуются в результате процессов переотложения продуктов разрушения и выветривания различных горных пород при выпадении осадка из природных вод в результате жизнедеятельности некоторых живых организмов. К осадочным породам относятся известняки, доломит, кальцит, пески, глины и т. д. Метаморфические горные породы образовались в результате преобразования в недрах Земли различных горных пород под воздействием высоких давления и температуры. К ним относятся слюда, полевой шпат и др. Доля различных горных пород в земной коре неодинакова: более 70 % приходится на магматические горные породы, около 17 % – на метаморфические и чуть больше 12 % – на осадочные. Вся земная кора условно подразделяется на три слоя: "осадочный", "гранитный" и "базальтовый". Вещество земной коры (литосферы) состоит в основном из легких элементов. Наиболее распространены следующие восемь химических элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. На долю остальных элементов приходится менее 1 % массы коры. Живые организмы сосредоточены в верхнем поверхностном слое литосферы – почве, в котором осуществляется тесное взаимодействие живых организмов с минеральной средой. Почва состоит из горных пород, органического вещества живых организмов, воды и различных газов. Остатки организмов после разложения образуют гумус – плодородный слой почвы. Ниже литосферы расположена мантия – внутренняя геосфера Земли. Условной границей между мантией и литосферой (земной корой) служит так называемая "поверхность Мохоровичича", названная так в честь обнаружившего ее югославского геолога А. Мохоровичича. Вблизи этой границы, лежащей на глубине около 50 км от поверхности Земли, происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и распространяющихся в породах Земли. Мантия, лежащая ниже границы Мохоровичича, имеет толщину около 2900 км и состоит в основном из оксидов кремния железа и магния. Материи мантии характеризуются большой однородностью (гомогенностью). Согласно современным представлениям, вещество мантии представляет собой аморфную стеклообразную массу. Мантия окружает тяжелое ядро, вес которого составляет 34 % от всего веса Земли. Радиус ядра оценивается в 3500 км. Из всех планет Солнечной системы только Земля и Венера имеют такие тяжелые ядра. Современная биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (тропосферу), всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Верхней границей биосферы является озоновый слой. Выше озонового слоя жизни не существует, так как мощный поток коротковолнового космического излучения губительно действует на все живые организмы. Нижняя граница биосферы выражена не так резко и обусловлена высокой температурой земных недр. Она находится на глубине 2–3 км на суше и на 1–2 км ниже дна океана. На этой глубине температура приближается к 1000 С. Крайних пределов биосферы достигают только простейшие организмы – различные микроорганизмы. Наибольшее количество живых существ сосредоточено в местах контакта трех сред: воды, воздуха и твердого почвенного покрова. В биосфере осуществляется непрерывный круговорот вещества, передача энергии и информации. Без хорошо организованных материально-энергетических и информационных потоков невозможно устой- чивое существование такой сложной системы, какой является биосфера Земли. Основным источником энергии для биосферы является Солнце. Под воздействием солнечного излучения вещество биосферы становится активным. Именно благодаря энергии осуществляются все геологические, биологические и химические превращения в биосфере. Часть солнечной энергии, поступающей в биосферу, накапливается (аккумулируется) в виде запаса органического вещества. Таким образом, энергия Солнца и материя Земли являются основой для возникновения и развития биосферы. Еще одной обязательной составляющей для биосферы является информационный поток, объединяющий различные живые организмы. Все организмы в биосфере обмениваются между собой необходимой для жизни информацией. У большинства видов информационные связи обеспечивают согласованное действие небольшого количества особей. Исключение составляют общественные насекомые (муравьи, пчелы и др.). Для человеческого общества характерен гораздо более высокий уровень передачи информации – через систему слов, фраз, в которых кодируются сложные сигналы. Кроме того, человек создает технические средства, обеспечивающие передачу информации на большие расстояния и связывающие человеческое общество в единое целое с образованием единого информационного пространства. 1.2. Эволюция биосферы. Живое, косное и биокосное вещество Свое становление учение о биосфере получило в трудах выдающегося русского ученого Владимира Ивановича Вернадского (1863–1945). Вернадский подчеркивал, что биосфера находится в постоянной бесконечной эволюции. Современное состояние биосферы есть результат предшествующего гигантского пути развития. Возникновение биосферы Земли и ее развитие во многом обусловлены уникальным астрономическим положением Земли и ее размерами. Жизнь, подобная земной, может развиваться на планете со строго определенной массой и размерами. На планете с высокой массой (более чем 1/20 массы Солнца) начинаются интенсивные ядерные реакции, что ведет к значительному разогреву и высокому уровню радиации. В Солнечной системе такие процессы происходили в прошлом на планетах Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Планеты с малой массой обладают слабым гравитационным полем и не могут удерживать вокруг себя необходимую для жизни атмосферу. Важными условиями возникновения жизни являются также определенный уровень солнечной радиации (определяемый расстоянием планеты от Солнца), а также наличие на планете жидкой воды. Из всех планет Солнечной системы только Земля удовлетворяет всем необходимым условиям. Существование биосферы начинается с появления в географической оболочке Земли первых живых организмов. По современным данным, возраст биосферы оценивается примерно в 3,4–4,5 млрд лет. Проблема происхождения и развития жизни на Земле относится к одной из наиболее интересных научных проблем. В истории человечества существовало множество идеалистических и материалистических гипотез, по-разному представляющих процесс возникновения живого вещества на Земле. Основными, наиболее распространенными теориями являются следующие. 1. Создание жизни некими Высшими силами в определенный период существования Земли – так называемый креационизм (от лат. "creatio" – сотворение). Идеалистические теории подобного рода отличаются наибольшим разнообразием и составляют определенную часть мифов и религиозных концепций различных народов мира. 2. Самопроизвольное возникновение жизни из неживой материи. Подобные теории встречаются еще в Древнем Вавилоне, Египте, Китае, Греции. Согласно большинству теорий этого типа при определенных условиях возникает сразу достаточно высокий уровень жизни – насекомые, пресмыкающиеся, даже мелкие млекопитающие. Среди приверженцев таких теорий известны имена древнегреческих мыслителей: Аристотеля, Демокрита, Фалеса и др. Эти философы предполагали, что определенное вещество (вода, воздух, ил, солнечный свет или др.) содержит особое "активное начало", способное создавать живые организмы. В раннем Средневековье идеи о самозарождении жизни были объявлены ересью и на долгое время преданы забвенью. Свою вторую жизнь теория самозарождения получила в позднем Средневековье – в эпоху Возрождения. Многие естествоиспытатели того времени проводили опыты по получению различных живых существ (главным образом микроорганизмов и насекомых) из различных материалов – воды, камня, даже мусора. Однако в XIX в. подобные воззрения были подвергнуты научной критике. 3. Теория панспермии – возникновение жизни на Земле в результате занесения ее из космоса. Первые подобные гипотезы также берут свое начало в Древнем мире. Примером служит учение древнегреческого философа Анаксагора (Vв. до н.э.), согласно которому жизнь возникла из вечно существующего семени, попавшего на Землю. Воззрения подобного рода также причислялись к ереси в эпоху Средневековья, что объясняет их практически полное отсутствие в тот период. Возрождение идеи проникновения жизни из космического пространства пришлось на середину XIX в. В это время среди ученых значительной популярностью пользовалась теория "космического посева" жизни. Ученые этого периода (Х. Рихтер, С. Авенариус и др.) наиболее вероятной причиной появления жизни на Земле считали проникновение ее из космоса вместе с метеоритами или космической пылью. Считалось, что таким путем на Земле могли появиться примитивные микроорганизмы или споры растений. В.И. Вернадский также был сторонником теории панспермии – появления жизни на Земле в результате ее проникновения из космического пространства. В своих трудах он высказывал предположение, что во Вселенной жизнь существует вечно и не имеет своего начала. Гипотеза о внеземном происхождении жизни рассматривается и некоторыми современными учеными. Однако до сих пор, несмотря на многочисленные исследования в этом направлении, не установлено фактов о том, что живые существа были принесены на Землю из космоса. Следует учесть, что коротковолновое излучение космоса губительно действует на все известные живые организмы. Появляющиеся в печати сведения о найденных на метеоритах следах жизни обычно оказываются результатом ошибки исследования или вторичного загрязнения метеоритов. 4. Возникновение жизни на Земле в результате сложной биохимической эволюции. В теориях подобного типа, получивших наибольшее распространение в современном научном мире, важную роль играет эволюция самой Земли. В начальный период существования планеты температура на Земле достигала 5000–8000 С. При медленном остывании планеты образовалась земная кора, неровная из-за активной вулканической деятельности. Согласно гипотезе, выдвинутой русским ученым Опариным (1923), в атмосфере древней Земли преобладали водяной пар, аммиак, метан, двуокись углерода и почти не было свободного кислорода. Вещества земной оболочки в то время подвергались воздействию коротковолнового излучения Солнца, так как озонового экрана еще не существовало. Кроме того, на вещество планеты действовали газовые разряды, высокие температуры и т.д. В таких условиях, согласно теории Опарина, могли возникнуть первые органические вещества в результате их синтеза из неорганических компонентов. В середине ХХ в. были проведены лабораторные опыты по созданию органических веществ путем пропускания искрового разряда через смесь метана, аммиака, воды и водорода. В результате опытов были получены многие органические вещества, входящие в состав живых организмов. Таким образом, возможность возникновения органического вещества из неорганического в условиях древней Земли подтверждена экспериментально. Согласно положениям теории Опарина, развитие земной оболочки шло по пути усложнения образующихся органических веществ. На определенном этапе неживая природа (сложные органические вещества) перешла в живую – образовалась живая клетка, способная воспроизводить подобные себе структуры. Промежуточной стадией между живой и неживой природой, согласно Опарину, были коацерваты – студнеобразные сгустки сложных органических веществ, которые могли увеличиваться в размерах или, наоборот, распадаться на части. Следует отметить, что эта часть теории Опарина не доказана экспериментально. Процесс перехода неживой природы в живую остается не вполне ясным. Развитие живого вещества Земли сопровождалось изменением всего облика планеты. В результате появившихся процессов фотосинтеза и хемосинтеза сильно изменился состав атмосферы – в ней образовалось значительное количество кислорода. В верхних слоях атмосферы кислород превращался в озон – таким образом вокруг Земли возник озоновый слой, позволивший живой природе покрыть всю поверхность планеты. Под воздействием первых микроорганизмов образовалась почва – верхний слой литосферы. Дальнейшее развитие биосферы Земли характеризуется все большим усложнением живых организмов – от микроорганизмов до млекопитающих – и, наконец, появлением в биосфере человека. Современный человек является мощной преобразующей природу силой и оказывает прямое и косвенное воздействие на природные процессы. Согласно учению Вернадского, постепенно биосфера Земли должна перейти в ноосферу – сферу разума, характеризующуюся разумным регулированием взаимоотношений природы и человека. Человек при помощи разума должен так организовать свою деятельность, чтобы она не нарушала нормального течения природных процессов. Только при этом условии возможно дальнейшее существование и развитие биосферы. Рассматривая структуру биосферы, Вернадский выделил в ней три основных компонента: живое, косное и биокосное вещества. Эти компоненты биосферы не существуют раздельно, а тесно связаны между собой материально-энергетическими и информационными потоками. Живое вещество – это совокупность растительного и животного мира, а также все человечество. Вес живого вещества составляет незначительную часть от веса всего вещества биосферы. Однако именно живое вещество играет важнейшую роль во многих геологических процессах, изменяя облик Земли. Живое вещество является основным компонентом биосферы, определяющим ее эволюцию. В ходе различных биологических процессов – дыхания, питания, фотосинтеза и др. – живые организмы изменяют окружающую среду, меняют состав, влияют на круговорот многих веществ. Изменения в живом веществе происходят во много раз быстрее, чем в неживой природе. Причиной этого является то, что все биологические процессы катализируются (ускоряются) биологическими катализаторами – ферментами, немного более активными, чем неорганические катализаторы. Косное вещество – это окружающие живые организмы – объекты неживой природы: атмосферный воздух, вода, горные породы и т.п. Косное вещество тесно связано с живой природой – существует постоянная миграция атомов различных химических элементов из косного вещества в живое и обратно. Биокосные тела представляют собой объекты неживой природы, преобразованные живыми организмами. К биокосным телам относится почва, воды многих поверхностных водоемов, химический состав которых сформировался под действием микроорганизмов. Биокосные тела состоят из косных и живых тел и являются, согласно учению В.И. Вернадского, результатом деятельности былых биосфер, существовавших в более ранние геологические эпохи. Эволюция биосферы охватывает все ее компоненты: развитие живого вещества сопровождается изменением находящихся с ним в контакте биокосных тел и постепенным преобразованием других объектов неживой природы – косного вещества. 1.3. Экосистема, ее структура. Биотическое сообщество и абиотическая среда Основным предметом экологии как науки, изучающей взаимодействие живых организмов с окружающей средой, является экологическая система, или экосистема. Экосистемой называется безразмерная устойчивая система компонентов живой и неживой природы, в которой осуществляется внешний и внутренний круговорот веществ, переход энергии и обмен информации. Термин "экосистема" был предложен в 1935г. английским экологом А. Тэнсли и в настоящее время является общепринятым. Любая экосистема является сложной структурой, состоящей из двух основных частей: биотических компонентов (биота, или биотическое сообщество) и абиотических компонентов (экотоп). Структура экосистемы: * Биотическое сообщество (биотоп) – совокупность всех живых организмов (живое вещество – растения, животные, микроорганизмы и пр.), входящих в данную экосистему. * Абиотическая среда (экотоп) – совокупность компонентов неживой природы (биокосное и косное вещество), входящих в экосистему. К абиотической среде относятся: – химические вещества (органические и неорганические), находящиеся в постоянном круговороте между живой и неживой природой; – вода, воздух, почва и горные породы, присутствующие в экосистеме; – климатический режим местности (освещенность, температура, количество осадков и т. д.); – другие компоненты неживой природы, составляющие среду обитания живых организмов экосистемы. Таким образом, экосистема включает в себя все живые организмы, обитающие на данном участке, а также находящееся с ними во взаимодействии косное и биокосное вещество. В качестве примера можно привести экосистему водоема, которая состоит из биоты (планктона, высших растений, водных организмов и т.д.), находящихся в тесном взаимодействии с экотопом (водной средой, грунтом, климатическими факторами и т.д.). Причем между биотой и экотопом осуществляется постоянный обмен веществом, энергией и информацией. Согласно современной терминологии к экосистеме можно отнести любую, без учета масштаба, систему абиотических и биотических компонентов, находящихся в более тесном взаимодействии между собой, чем с окружающей средой. В зависимости от величины выделяют следующие уровни экосистем: 1. Глобальная экосистема – это биосфера Земли, представляющая собой совокупность биотических и абиотических компонентов планеты. 2. Макроэкосистемы – экосистемы, занимающие значительные территории на земной поверхности; к ним относятся океаны, континенты, тундра, тайга и т.п. 3. Мезоэкосистемы – экосистемы среднего уровня, меньше по масштабу, чем макроэкосистемы; это поля, реки, озера, степи и т.п. природные объекты. 4. Микроэкосистемы – к ним можно отнести муравейник, старый пень в лесу с обитающими на нем многочисленными живыми организмами, комнатный аквариум, обычную лужу и т.д. Все экосистемы делятся на природные и антропогенные (то есть созданные человеком). Природные экосистемы обычно достаточно устойчивы – они самопроизвольно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой и за счет этого могут существовать долгое время. Экосистемы, обладающие отлаженным обменом веществом и энергией с внешней средой, называются открытыми. Многие антропогенные экосистемы являются закрытыми – они лишены возможности самостоятельно обмениваться необходимыми компонентами с окружающей средой. Для поддержания стабильности во времени закрытых экосистем необходимо искусственно создавать в них внешние потоки вещества и энергии. Примером закрытой экосистемы является обычный комнатный аквариум. Без вмешательства человека такая экосистема постепенно деградирует. Для поддержания стабильности требуется искусственно осуществлять круговорот веществ: вносить корм, очищать дно и стенки аквариума, проводить аэрацию (насыщение воды воздухом). Таким образом, для продолжительного существования природных и антропогенных экосистем любого уровня необходимо выполнение следующих условий: 1. Поступление достаточного количества энергии от окружающей среды, ее накопление, преобразование в другие виды энергии и экспорт в окружающую среду. 2. Круговорот веществ (самопроизвольный или искусственный) между экосистемой и внешней средой. В экосистеме существует внутренний круговорот веществ: различные органические и неорганические вещества могут использоваться многократно и поочередно входить в состав различных компонентов экосистемы. Чем лучше организован внутренний круговорот веществ, тем автономнее экосистема. В отличие от потока веществ, поток энергии направлен в одну сторону: энергия поступает от окружающей среды, преобразуется в другие виды энергии или накапливается в виде запаса энергии в органическом веществе и экспортируется в окружающую среду. Следует отметить, что большая часть получаемой экосистемой энергии рассеивается в виде тепла – в форме энергии, наименее пригодной для использования. Таким образом, даже при хорошо отлаженном внутреннем круговороте веществ необходимо постоянное поступление в экосистему новых порций энергии, компенсирующих энергетические потери. Только выполнение перечисленных условий поддерживает экологическое равновесие и осуществляет развитие экосистем. 1.4. Уровни организации жизни на Земле Биосфера Земли является сложноорганизованной структурой, состоящей из большого количества элементов. Входящие в состав биосферы биологические системы сильно различаются по своему масштабу, образуя различные уровни организации жизни на Земле. Экология изучает структуры высшего уровня: от систем организмов до биогеоценозов (экосистем на определенном участке), образующих биосферу. Любая система высшего уровня слагается из определенного количества подсистем низших уровней, тесно взаимодействующих между собой и дополняющих характеристики друг друга. В результате этого при переходе от системы более низкого уровня к системе высокого уровня возникает хотя бы одно новое свойство. Это является основой принципа эмерджентности (от англ. «Emergent» – неожиданно появляющийся). Согласно этому принципу при каждом объединении сложных компонентов в новую систему возникают новые (так называемые "эмердментные") свойства, дополняющие сумму свойств всех компонентов. Ниже рассмотрены различные уровни организации живой природы, изучаемые экологией. 1.5. Организм и среда обитания Организменный – это первый уровень организации жизни, изучаемый экологией. Отдельный живой организм входит в системы более высокого уровня (популяции, биоценозы, биотические сообщества) как подсистема низшего уровня. Большинство организмов имеет клеточное строение, то есть представляет собой систему живых клеток (хотя на Земле существуют и внеклеточные формы жизни – вирусы). Простейшие организмы состоят всего из одной клетки (одноклеточные), более сложные – из миллиардов различных клеток. Таким образом, организм является сложной системой, включающей в себя подсистемы более низкого уровня. На уровне отдельного организма осуществляется обмен веществом и энергией с окружающей средой, поэтому каждый живой организм является самостоятельной системой, находящейся в тесном взаимо-действии с окружающей средой. Обмен веществом и энергией на организменном уровне осуществляется при помощи согласованного действия различных систем органов. Любой организм способен самостоятельно поддерживать равновесие с окружающей средой, а также адаптироваться к изменяющимся условиям среды. Все физиологические процессы, осуществляющиеся на уровне организма, можно разделить на две группы: Первая группа – процессы, направленные на обеспечение жизнедеятельности организма и поддерживание равновесия с окружающей средой. К этой группе относятся такие процессы, как пищеварение, дыхание, фотосинтез, клеточный метаболизм (обмен веществ). Большинство биохимических процессов первой группы катализируются (ускоряются) особыми белковыми веществами – ферментами. Причем каждый процесс контролируется особым ферментом. Кроме ферментов важную роль в биохимических процессах на уровне организма играют витамины – вещества, необходимые для нормального обмена веществ, и гормоны – особые химические вещества, осуществляющие общую координацию основных физиологических функций в сложных или изменяющихся условиях среды. В процессе адаптации изменяются определенные функции или составные части организма, что ведет к изменению всего организма в целом. Различают поведенческие и физиологические адаптации. Поведенческие адаптации – это изменение поведенческих характеристик организма; к этому типу относятся такие способы адаптаций, как перелеты птиц, зимние спячки у многих животных и т. д. Физиологические адаптации сопровождаются изменением строения внутренних органов организма. Морфологические адаптации – это приспособление организма к среде при помощи изменения строения тела. Процессы, происходящие в организме, контролируются генами – веществами, ответственными за передачу наследственной информации. В процессе адаптации может происходить изменение генов, при этом приобретенные новые свойства передаются следующим поколениям. Совокупность генов данного вида организмов образует генофонд. Способность организмов адаптироваться к неблагоприятным воздействиям среды называется экологической валентностью, или пластичностью. Нарушение в генах приводит к изменению генофонда. При этом нарушается нормальная передача генетической информации – происходит мутация организма. В настоящее время частыми причинами мутаций являются загрязнение окружающей среды, воздействие коротковолнового излучения и др. Очень часто мутация приводит к изменению биохимических реакций в организме и к нарушению нормального обмена веществ. Наследственная информация, заложенная в генах, определяет путь развития организма. Индивидуальное развитие организма от его зарождения до смерти носит название онтогенез. Этот термин введен в 1866 г. Э.Геккелем для обозначения жизненного цикла организма. Этот же ученый сформулировал следующий биогенетический закон: онтогенез всякого организма представляет собой краткое повторение эволюции данного вида. Таким образом, существует взаимосвязь между развитием одного организма и развитием (эволюции) всей живой природы Земли. Продолжительность онтогенеза сильно различается у разных видов живых организмов. Онтогенез растений больше зависит от условий среды, чем онтогенез животных. 1.6. Систематика растений и животных На Земле обитает большое количество живых организмов, сильно различающихся своим строением и функциями. Единицей классификации для организмов служит вид – совокупность сходных организмов, обладающих одинаковым строением и функциями, способных скрещиваться и давать плодовитое потомство. Мир живых организмов насчитывает по различным оценкам от 1,5 до 8 млн видов. По принятой системе классификации сходные виды группируются в более высокую единицу – род, роды объединяются в семейства, семейства – в отряды (у животных) или порядки (у растений), отряды и порядки – в классы, а классы – в типы. Высшими единицами классификации являются подцарства, царства, надцарства и империи. Иногда для удобства в видах выделяют еще подвиды, типы делят на подтипы, классы – на подклассы, но основная схема остается неизменной. Все живые организмы Земли можно разделить на две группы, сильно различающиеся между собой. Это две империи – доклеточные и клеточные организмы. Империя доклеточных, то есть организмов, не имеющих в своем составе живой клетки, состоит из единственного царства – вирусов. По современным представлениям, вирус – это субмикроскопические объекты, способные проникать внутрь живых клеток и воспроизводиться только в этих клетках. Вирусная частица состоит из одной или нескольких молекул ДНК (носителей наследственной информации) и белковой оболочки. Вирусы очень разнообразны по размерам и форме. К вирусным заболеваниям человека относятся оспа, корь, краснуха, гепатит, ряд респираторных заболеваний и др. Империя клеточных гораздо более разнообразна и делится на два надцарства: прокариотов – доядерных, не имеющих ядра в живой клетке, и эукариотов – организмов, клетки которых содержат ядро. Прокариоты являются древнейшими организмами, обитающими на Земле. Они существовали уже около миллиарда лет назад. Их надцарство включает только одно царство – дробянок, состоящее из двух подцарств – бактерий и сине-зеленых водорослей. Эукариоты появились на Земле позднее, но отличаются большим разнообразием видов. Их надцарство включает в себя три царства: животных, растений и грибов. Каждое из этих царств состоит из нескольких подцарств. Бактерии являются самыми распространенными организмами на Земле. Размеры бактерий составляют от 0,2 до 100 мкм. Клетки бактерий не имеют оформленного ядра, а вместо него содержат эквивалент ядра – нуклеоид, лишенный оболочки и состоящий из одной хромосомы. Бактерии получают энергию за счет биологического окисления (хемосинтез) или от солнечного излучения (фотосинтез). По разнообразию форм и строению бактерии превосходят все остальные живые организмы. Они могут иметь разную форму: палочкообразную (бациллы), шаровидную (кокки), спиралевидную, реже встречаются звездно- или кольцеобразные и другие формы. Существуют бактерии неподвижные и подвижные, передвигающиеся при помощи жгутиков. Больше всего бактерий в почве – до 2 млрд на 1 г почвы. В литосфере бактерии проникают ниже почвенного слоя на глубину до нескольких километров, обуславливая нижнюю границу биосферы. Многие бактерии могут существовать в экстремальных условиях, в которых другие живые организмы не выживают – в глубоком вакууме, при температуре +300 С, в растворах кислот. Бактерии играют важную роль в природных процессах. Они принимают активное участие в круговоротах важных элементов: азота, серы, железа, фосфора, кальция и кремния. Именно жизнедеятельность бактерий обуславливает газовый состав атмосферы. Бактерии минерализуют остатки органического вещества, образуя необходимые для растений питательные компоненты. Сине-зеленые водоросли по строению сходны с бактериями, они обитают преимущественно в верхних слоях гидросферы. Среди эукариотов самыми распространенными являются растения – на Земле их насчитывается несколько сотен тысяч таких видов. Растительный покров Земли является важным элементом биосферы. Растения способны синтезировать органические вещества из неорганических компонентов под воздействием энергии Солнца. Поэтому именно растения обеспечивают пищей все остальные живые организмы. Животные неспособны создавать необходимые им органические компоненты непосредственно из неорганического вещества. Поэтому животные питаются готовыми органическими веществами, синтезированными растениями или полученными от других животных. Наибольшее разнообразие форм среди животных имеют насекомые. Грибы – это низшие живые организмы. Раньше их относили к растениям, но по современным представлениям грибы являются своеобразной формой жизни, которую нельзя однозначно отнести к другим формам. Клетки грибов лишены хлорофилла, в отличие от клеток растений. Поэтому грибы не могут самостоятельно синтезировать органическое вещество из неорганического. По способу питания все грибы подразделяются на паразитов, сапрофитов и симбионтов. Грибы-паразиты паразитируют на растениях, небольшая их часть – на животных. Питаются они за счет органического вещества организма хозяина. Грибы-сапрофиты питаются гниющими остатками растений. К ним относятся 2/3 всех видов грибов. Грибы-симбионты помогают растениям усваивать вещества почвы, активизируют ферменты многих высших растений, связывают свободный азот. Эти грибы находятся в состоянии симбиоза (тесного взаимодействия, приносящего взаимную пользу) со многими растениями и некоторыми животными. Наряду с бактериями грибы играют важную роль в круговоротах многих элементов, разлагая органические вещества до неорганических (минеральных) компонентов. Территория, в пределах которой находится популяция, называется стация (от лат. – «место пребывания»). Стация может быть постоянной или использоваться данной популяцией на ограниченное время (сезонные стадии) или для определенных целей (стации ночевок, размножения). С точки зрения экологии популяция представляет собой не просто сумму особей, а сложную систему организмов, способную к самореализации и взаимодействующую с окружающей средой по специальным законам. Основными характеристиками популяции являются численность, плотность и динамика изменения численности. Численность – это количество особей в данной популяции. Численность является основной характеристикой, однако абсолютное значение численности популяции в пределах стадии чаще всего подсчитать трудно, поэтому широко используется другая характеристика – плотность. Плотность – это среднее число особей, приходящееся на условно выбранную единицу пространства (на 1 м2, 1 га) площади земной поверхности. Плотность популяции определить гораздо проще, чем численность. Сравнение показателей плотности двух популяций одного вида, обитающих в различных условиях, показывает, какие условия для данного вида предпочтительнее. Численность и плотность популяций не остаются неизменными, а колеблются в определенных пределах. Во всех живых организмах заложена способность размножаться беспредельно, неограниченно увеличивая рост численности популяции. Однако на практике этого никогда не происходит, так как рост популяции ограничен количеством ресурсов среды, а также воздействием неблагоприятных условий. Каждая стадия (место обитания) имеет ограниченный набор ресурсов, сумма которых определяется емкостью среды. При значительном увеличении плотности популяции сверх оптимальных пределов происходит превышение емкости и резкое истощение ресурсов, губительное для данной популяции. Важной характеристикой популяции является динамика изменения численности популяции на определенной стадии. Она определена соотношением между рождаемостью и смертностью, между выселением и вселением особей из соседних популяций. В благоприятных условиях происходит рост численности популяции до определенных пределов, определяемых емкостью среды. Постепенно по мере истощения ресурсов прирост популяций уравновешивается потерями особей за счет смертности и миграции. Поэтому на кривой изменения численности популяции во времени имеются точки максимума. Такая кривая роста численности характерна для популяций всех видов от микроорганизмов до человека. Точка максимума зависит не только от емкости среды, но и от плотности самой популяции. Эта зависимость сформировалась под воздействием естественного отбора и действует поразному у различных видов. Так, у растений при увеличении плотности популяции усиливается конкурентная борьба и происходит самоизреживание – погибают более слабые ростки. У животных при увеличении плотности усиливается миграция на другие территории с образованием новых популяций. Многие виды, обитающие в стесненных условиях, могут тормозить рост популяции продуктами обмена веществ, выделяемыми в окружающую среду. У других видов при превышении определенной плотности происходит задержка размножения. У некоторых организмов (однолетние растения, некоторые мелкие рыбы, например гупии) плотность популяций может достигать значительных величин за счет уменьшенных размеров особей. В этих случаях чем выше плотность популяций, тем меньше размер входящих в нее особей и соответственно меньше количество потребляемых ими ресурсов. Динамика колебания численности популяций во времени может носить периодический и непериодический характер. Периодические колебания численности бывают сезонными (у многих насекомых) и с периодом в несколько лет (у млекопитающих). В устойчивых экосистемах колебания чаще всего имеют периодический характер, обусловленный периодическими изменениями условий среды или особенностями самих организмов. Непериодические колебания численности популяций часто являются следствием воздействия человека. Механизм регулирования численности популяций является частью сложных природных механизмов поддержания равновесия в системе. Кроме набора основных характеристик, популяции присуща определенная структура. Выделяют возрастную, половую и пространственную структуры. Возрастная структура популяции зависит от интенсивности размножения, которая различна у разных видов. При благоприятных условиях в популяциях присутствуют все возрастные группы. В быстро растущих популяциях доминируют молодые особи; в популяциях, находящихся в стабильном состоянии, наблюдается примерно разное соотношение особей различного возраста; в стареющих популяциях большую долю составляют пожилые особи. Половая структура популяций определяется соотношением особей различного пола и в большой степени зависит от особенностей данного вида. Пространственную структуру популяций образуют стаи, колонии, семьи и другие подсистемы организмов, входящих в популяцию. Пространственная структура присуща популяциям большинства видов живых организмов. Она позволяет более эффективно использовать ресурсы среды и обеспечивает устойчивые внутрипопуляционные взаимоотношения особей. Все рассмотренные характеристики популяций, ее структурированность, способность к саморегуляции и поддержанию равновесия с окружающей средой являются основными чертами, свойственными популяции как биологической системе надорганизменного уровня. Совокупность популяций различных видов живых организмов, населяющих относительно однородное пространство, образует биогеоценоз. 1.7. Биогеоценоз, его структура Основными структурными составляющими биосферы являются биогеоценозы. Биогеоценоз – это экосистема макро- или мезоуровня на определенном участке земной поверхности. Понятие биогеоценоза уже понятие экосистемы, так как к биогеоценозам можно отнести только экосистемы выше микроуровня, имеющие четкие границы на земной поверхности – лес, степь, море, река, поле и т.п. Экосистемы, не привязанные к определенной территории земли, к биогеоценозам не относятся (аквариум, космический корабль и т.п.). Как в любой экосистеме, в биогеоценозе можно выделить две составные части – биотическую и абиотическую – тесно обменивающиеся веществом и информацией как между собой, так и окружающей средой. Биоценоз – биотическая составляющая биогеоценоза – представляет собой совокупность популяций различных видов животных, растений и микроорганизмов, входящих в биогеоценоз. Выше указывается на схожесть понятий биогеоценоза и экосистемы на определенном участке земной поверхности. Биоценоз в биогеоценозе играет ту же роль, что и биотическое сообщество в экосистеме. Стабильность биоценоза зависит от прочности связей между его компонентами – различными популяциями живых организмов, а также от их взаимодействия с окружающей средой. Наиболее важную роль в биоценозе играют следующие типы взаимодействий: – пищевые связи – трофические цепи и сети; – групповые взаимоотношения – образование стай, колоний, стад и т.д.; – совместная деятельность разных видов – конкуренция, симбиоз и т.д.; – размножение; – сохастические связи – случайные взаимодействия. Любой биоценоз имеет сложную внутреннюю структуру, которая определяется следующими параметрами. 1. Стратификация – разбиение на вертикальные ярусы. Стратификацию можно наблюдать и в наземных, и в водных биоценозах. Например, в лесу выделяют ярусы почвы, травы, кустарников, низких и высоких деревьев; в поле – ярусы почвы с подземными организмами, ярус поверхности почвы с обитающими на ней насекомыми, ярус травы. В водных биогеоценозах основной причиной появления вертикальной ярусности служит различие в освещенности разных слоев воды. Часть организмов может обитать только в верхнем, наиболее освещенном слое, другая часть в более глубоких слоях, куда солнечная энергия поступает в значительно меньших количествах. 2. Зональность – горизонтальные подразделения в биоценозе. Популяции растений и животных в большинстве случаев распределяются не равномерно по всей поверхности, занимаемой биоценозом, а пятнами, образуя зоны различной протяженности и плотности. 3. Периодичность – изменение активности организмов с течением времени: – суточная активность обусловлена совместным проживанием в одном биоценозе различных видов живых организмов, часто конкуриру-ющих друг с другом. При этом одни организмы приспособлены к дневному, другие – к ночному образу жизни; – сезонная активность – часто приводит к изменению структуры биоценоза в течение года. Для биоценозов средних широт существуют следующие шесть периодов: а) зимний – зимняя спячка; б) ранняя весна – начало пробуждения; в) поздняя весна – пробуждение и высокая активность; г) раннее лето – максимальная активность; д) позднее лето – снижение активности; е) осень – подготовка к зимней спячке. Условия окружающей среды на определенной территории называют биотопом (Мебиус, 1877). Основными составными частями биотопа являются атмосферный воздух, вода, почва, климатические условия. Между биоценозом и биотопом происходит непрерывный обмен веществом, энергией и информацией, обуславливающей стабильность биогеоценоза во времени. Кроме того, существует тесное взаимодействие биогеоценоза с окружающей средой. Совокупность близлежащих биогеоценозов складывается в более крупную структурную единицу биосферы – биом. Биом – это крупная региональная или субконтинентальная система, состоящая из множества тесно связанных между собой биогеоценозов. Биом характеризуется основным типом климата, растительности или особенностями ландшафта. Примерами биомов являются океаны, арктические пустыни, тундры и т. д. Все эти географические объекты, занимающие значительное пространство на территории земли, состоят из большого количества отдельных биогеоценозов, тесно связанных между собой. 2. ОСНОВЫ БИОГЕОХИМИИ 2.1. Биогеохимические циклы веществ Между живым и косным веществом биосферы под действием лучистой энергии Солнца происходит постоянный обмен химическими элементами. Если бы все вещество на Земле не было бы вовлечено в круговорот, жизнь быстро исчерпала бы себя: все доступные живой природе вещества перешли бы в массу мертвой органики. Наука биогеохимия изучает процессы взаимодействия живых организмов с неорганическим веществом, приводящие к разрушению горных пород, образованию морских пластов и другим подобным процессам, итогом которых является закономерное распределение химических элементов в биосфере. Вещества, находящиеся в круговороте, перемещаются в пространстве, входя последовательно в состав различных компонентов биосферы. Активную роль в процессах перемещения и превращения веществ играют живые организмы биосферы. Пути, по которым движутся химические элементы, называются биогеохимическими циклами (от слов «био» – жизнь, живые организмы и «гео» – неорганическая природа), или биогеохимическими круговоротами веществ. Представление о биогеохимических циклах ввел в науку В.И. Вернадский, который видел в них основу организованности биосферы. Особое внимание Вернадский уделял роли живых организмов в биогеохимических круговоротах. Он сформулировал следующий закон миграции: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории». Биогеохимические циклы являются обязательным условием устойчивости природных экосистем, обуславливая постоянство химического состава различных элементов биосферы. Полный биогеохимический круговорот многих элементов длится сотни тысяч и миллионы лет, так как включает в себя медленные процессы разрушения горных пород, выветривания продуктов разрушения и снесения их потоками в мировой океан, образования отложений на дне океана, которые частично возвращаются на сушу с атмосферными осадками и с извлекаемыми на сушу водными организмами. Кроме того, в биогеохимический цикл входят постоянно идущие очень медленные процессы опускания морского дна и поднятия материков. Полный цикл круговорота воды составляет примерно 2 млн лет, кислорода − 2000 лет, углекислого газа − 300 лет. Вообще все вещества в биогеохимическом круговороте движутся по спирали, новый виток которой не повторяет полностью предыдущий. В результате этого постоянно меняется вся геологическая оболочка Земли. В качестве примера рассмотрим биогеохимический цикл воды, на который затрачивается более трети поступающей на Землю солнечной энергии. В ходе круговорота вода переходит из жидкого в газообразное состояние и опять в жидкое в ходе процессов испарения с поверхности Земли (водоемов и почвы) и транспирации. Транспирация – это процесс биологического испарения воды через листья растений. Подсчитано, что в круговороте веществ на Земле участвуют более 500 тыс. км3 воды в год (500·1027 т). Особенностью круговорота воды является то, что с поверхности океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. Количество воды, испарившейся с суши, наоборот, меньше, чем объем выпавших осадков. Эта вода поступает в экосистемы суши, а ее излишек возвращается в океан с грунтовыми водами и поверхностным стоком. Круговорот воды играет важную роль в формировании климата Земли. Атмосфера (водяные пары) Испарение (транспирация) Осадки Грунтовые воды Испарение Мировой океан Рис. 5. Схема биогеохимического цикла воды В пределах единого биогеохимического круговорота какого-либо элемента можно выделить его часть, связанную с деятельностью живых организмов. Это так называемый малый, или биологический, круговорот этого элемента. В основе малого круговорота лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений, входящих в состав живых клеток. Эти два взаимосвязанных процесса обеспечивают жизнь на Земле и составляют одну из ее главных особенностей. К подобным процессам в первую очередь относятся фотосинтез, хемосинтез и дыхание. В ходе малого круговорота соединения углерода, вода и питательные вещества почвы накапливаются в растениях, образуя различные органические вещества. Синтезированные вещества частично расходуются на жизненные процессы растений, а затем в процессе питания переходят к животным. Образующиеся отходы жизнедеятельности и продукты распада органических соединений разлагаются микроорганизмами до простых минеральных веществ и вновь вовлекаются в круговорот. В составе малого круговорота можно выделить четыре основных составляющих: запасы минеральных веществ в воде и почве, продуценты, консументы, редуценты. Продуценты создают первичное органическое вещество, продуцируя его из неорганического. К ним относятся растения и некоторые микроорганизмы. Консументы питаются созданным продуцентами органическим веществом, но не доводят его разложение до простых минеральных компонентов. Это животные, рыбы, птицы, а также человек. Редуценты перерабатывают отходы жизнедеятельности продуцентов и консументов, образуя замкнутый цикл органического вещества. Редуцентами являются некоторые микроорганизмы и насекомые (личинки насекомых, черви), а также грибы. Масса вещества, входящего в состав живых организмов, составляет 0,01 % от общей массы биосферы, или 0,0001% от веса земной коры. Однако вещества перемещаются по малому круговороту с очень большой скоростью, в сотни тысяч и миллионы раз превышающей скорость веществ в большом круговороте. Это объясняется тем, что все процессы в живых организмах ускоряются особыми биологическими катализато-рами – ферментами. В каждой живой клетке имеются сотни ферментов, с помощью которых при относительно низких температурах осуществляются сложные органические превращения. Совокупность катализируемых ферментами химических реакций составляет основу обмена веществ в живых организмах. При рассмотрении потоков вещества и энергии в биосфере необходимо учесть, что в природе химические элементы распределены неравномерно. В любой экосистеме и биосфере в целом различают резервный и обменный фонды элементов. Резервный фонд составляет большая часть вещества, в основном не связанного с живыми организмами и находящаяся в состоянии медленного геологического круговорота. Это вещество горных пород, нижних слоев почвы, большая часть газообразных веществ в атмосфере, глубинные отложения на дне океана и т.д. В зависимости от местонахождения основного резерва химического элемента выделяют два типа круговоротов веществ. 1. Круговороты газообразных веществ с основным резервным фондом в атмосфере (реже в гидросфере). К этому типу относятся круговороты азота, кислорода. Круговороты газообразных веРезерв вещества ществ с резервным фондом в атмов атмосфере сфере обычно наиболее отлажены и лучше поддаются саморегуляции. Это Гидросфера Литосфера Рис. 6. Принципиальная схема круговорота газообразных веществ обусловлено большей подвижностью воздушных масс и большей скоростью обмена веществ в атмосфере. 2. Осадочные циклы с резервным фондом в литосфере (в основном в виде минеральных отложений в земной коре). Примерами являются круговороты серы, фосфора, железа. Гидросфера Осадочные циклы менее стабильны, так как вещество литосферы менее Резерв вещества Литосфера подвижно, чем вещество атмосферы. Поэтому круговороты веществ с Рис. 7. Принципиальная схема резервом в литосфере больше подверосадочных циклов жены изменениям извне. Большая масса вещества, находящегося в резервном фонде, может выйти из круговорота и перейти в более глубокие отложения, недоступные живым организмам. В отличие от резервного обменный фонд представляет собой сравнительно небольшое количество вещества, для которого характерен быстрый обмен между живыми организмами и окружающей средой. В обменном фонде находятся в основном биогенные элементы, входящие в состав живых организмов. Круговороты веществ, находящихся в обменном фонде, обеспечиваются живыми организмами, или живым веществом, по определению В.И. Вернадского. Он выделил пять функций живого вещества, обеспечивающих его вовлечение в малый круговорот: 1) газовая функция – образование различных газов при разложении органического вещества; именно таким путем образованы основные газы современной атмосферы; 2) концентрационная функция – заключается в том, что живые организмы накапливают (концентрируют) в своих телах многие химические элементы (углерод, кальций, водоросли − кремний и йод, позвоночные – фосфор); 3) окислительно-восстановительная функция – изменение степени окисления организмов и переход их из одной формы в другую; 4) биохимическая функция – увеличение количества живого вещества и перемещение его по планете; 5) биогеохимическая деятельность человека – изменяет круговороты большинства элементов. Круговороты веществ являются обязательным условием саморегуляции природных экосистем. Чем лучше организованы круговороты химических элементов в системе, тем она стабильнее. Стабильные экосистемы обладают способностью поглощать элементы из окружающей среды и сохранять их в обменном фонде. Основным источником энергии для осуществления круговоротов всех элементов служит Солнце. Каждый элемент движется в биосфере по своему особому пути, но круговороты всех веществ взаимосвязаны и часто пересекаются. Круговорот веществ на Земле связан с космическим круговоротом. Образующиеся на Земле легкие газы (водород, гелий) попадают в космическое пространство. С другой стороны, из космоса с космической пылью, метеоритами, солнечным ветром на Землю поступает большое количество химических элементов. В настоящее время человек оказывает сильное влияние на круговороты многих элементов. При добыче природных ресурсов истощаются резервные фонды элементов в литосфере. При этом большая часть вещества выходит из круговорота. В результате деятельности человека круговороты многих элементов теряют цикличность, что ведет к снижению устойчивости всей биосферы в целом. Сам человек, являясь компонентом биосферы, также ощущает негативное последствие своей деятельности: в одних местах возникает нехватка природных ресурсов, а в других – избыток продуктов их переработки, ведущий к загрязнению среды. Одной из основных задач охраны природы является возвращение веществ в круговорот и возвращение цикличности природным процессам. 2.2. Биогеохимические циклы биогенных элементов и воздействие на них человека Биогенными элементами, то есть элементами, играющими важную роль в жизнедеятельности практически всех живых организмов, являются азот, кислород, углерод, фосфор, сера и некоторые другие. Круговороты азота, кислорода и углерода имеют резервные фонды в атмосфере (круговороты газообразных веществ). Круговороты фосфора и серы относятся к осадочным циклам. 2.2.1.Биогеохимический цикл азота Азот является основным газом атмосферы, где его объемная доля составляет 78 %. Биосферный круговорот азота хорошо отрегулирован и носит замедленный характер. Большинство живых организмов может использовать азот только в виде сложных соединений с другими элементами. Азот входит в состав белков и других важных органических соединений, составляющих живые клетки. Перевод азота из одних неорганических соединений (оксидов азота, аммиака, нитратов, нитритов, солей аммония) в другие происходит при помощи особых бактерий: азотфиксирующих, денитрифицирующих, нитратных, нитритных и др. На рис. 8 представлена схема круговорота азота в атмосфере. Газообразный азот атмосферы поглощается азотфиксирующими бактериями (и некоторыми видами водорослей), в процессе жизнедеятельности которых образуются растворимые соединения азота. Определенная разновидность бактерий образует соединения азота, непосредственно поглощающиеся растениями. Примером такого вида бактерий являются «клубеньковые», живущие на корнях растений из семейства бобовых и обуславливающие образование характерных вздутий – «клубеньков». Сравнительно небольшое количество атмосферного азота реагирует с кислородом в результате воздействия газовых разрядов. Образующиеся кислые соединения азота с дождями попадают в почву. Растения (продуценты) потребляют образованные бактериями соединения азота и синтезируют на их основе сложные органические соединения. Образованные растениями вещества могут передаваться животным (консументам) в процессе питания. Газообразные соединения азота в атмосфере Продуценты Консументы Минеральные вещества почвы Нитраты Разложение продуктов жизнедеятельности Нитриты Соли аммония (NO 2− ) (NH 4 ) + (NO3− ) Подземные воды, земная кора Рис.8. Биогеохимический цикл азота Соединения азота, образующиеся в процессе жизнедеятельности продуцентов и консументов, со временем попадают в почву. При распаде органических соединений азота образуются неорганические вещества. Важную роль в этом процессе играют аммонифицирующие бактерии, которые получают необходимую им энергию в процессе восстановления органических азотсодержащих веществ до аммиака и солей аммония. Обитающие в почве нитратные и нитритные бактерии осуществляют сложный процесс нитрификации, включающий ряд последовательных реакций преобразования ионов аммония (NH4+) до нитрат-ионов (NO3−), которые могут опять использоваться растениями-продуцентами. Таким образом, почвенные бактерии, продуценты и консументы образуют малый (биологический) круговорот азота – важную часть его биогеохимического цикла. В почве также происходит процесс денитрификации: под действием денитрифицирующих бактерий из растворимых соединений азота образуются газообразные вещества – происходит возвращение азота в атмосферу. Определенное количество азота на сотни тысяч лет выключается из круговорота, переходя в глубинные отложения литосферы. Эти потери отчасти компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами при извержении вулканов. Газообразные соединения азота выделяются также при сжигании каменного угля, торфа, при горении различных органических веществ. Человек оказывает существенное влияние на перемещение азота в биосфере. В результате деятельности человека в растворимые соединения азота (нитраты, нитриты, соли аммония) переводится азота на 60 % больше, чем в процессе жизнедеятельности всех других организмов. Но, благодаря большому резервному фонду в атмосфере, недостаток азота быстро восполняется за счет перемещения газообразных веществ. Поэтому круговорот азота в настоящее время сохраняет цикличность и относится к числу наиболее отлаженных природных круговоротов. 2.2.2. Биогеохимический цикл кислорода Круговорот кислорода играет важную роль в функционировании всей биосферы. Наличие свободного кислорода является обязательным условием жизнедеятельности большинства живых организмов. С другой стороны, живые организмы обуславливают появление кислорода в атмосфере. В биосфере кислород вступает во множество химических реакций и входит в состав тканей всех живых организмов. На рис.9 приведена схема круговорота кислорода в атмосфере. Содержание кислорода в атмосфере относительно постоянно и составляет около 23 %. В верхних слоях атмосферы под действием жесткого ультрафиолетового излучения образуется озон (О3). На образо- вание озона расходуется около 5 % поступающей на Землю солнечной энергии. Эта реакция обратима: при разложении озона образуется свободный кислород (О2) и выделяется большое количество энергии, что обуславливает высокую температуру в верхних слоях атмосферы. Кроме атмосферы, большое количество кислорода содержится в литосфере и гидросфере (кислородсодержащие горные породы). Общее количество кислорода, находящееся в резерве в лито- и гидросфере, составляет 590·104 т. В состоянии свободного обмена содержится значительное меньшее количество кислорода – всего 39·104 т. Это газообразный кислород, а также кислород, входящий в состав живых организмов, и растворимые соединения. Большое количество атмосферного кислорода расходуется на процессы окисления горных пород, а также на реакции, протекающие при извержении вулканов. Огромную роль в круговороте кислорода играют живые организмы. УФ-излучение Озоновый слой (О3) Разложение озона Вулканическая деятельность Образование Резерв кислорода в атмосфере (О2) озона Сжигание топлива Фотосинтез Окисление минералов Гидросфера Отложения кислородсодержащих пород Рис. 9. Биогеохимический цикл кислорода Продуценты производят свободный кислород в процессе фотосинтеза, причем от фотосинтетиков океана кислорода поступает в 8 раз больше, чем от наземных растений. Значительная часть этого кислорода расходуется на процесс дыхания. Фотосинтез и дыхание являются взаимосвязанными процессами, обеспечивающими постоянное содержание кислорода в атмосфере. Именно появление в атмосфере большого количество свободного кислорода в результате деятельности продуцентов прошлых геологических эпох во многом способствовало развитию жизни на Земле. В.И. Вернадский писал: «Жизнь, создающая в земной коре свободный кислород, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил». Возникновение озонового слоя способствовало выходу жизни из океанов и заселению суши. Обмен кислорода в живой природе (биологический круговорот) совершается сравнительно быстро. Подсчитано, что для полного обновления всего кислорода, содержащегося в атмосфере, требуется около 2000 лет. По геологическим меркам – небольшой срок. В настоящее время на биогеохимический цикл кислорода все большее влияние оказывает деятельность человека. Огромное количество свободного кислорода тратится на процессы сжигания топлива и окисления загрязняющих веществ. Вырубка зеленых насаждений сопровождается уменьшением общей интенсивности фотосинтеза на планете. При этом нарушается равновесие процессов синтеза и потребления свободного кислорода, следствием чего является постепенная потеря круговоротом цикличности. 2.2.3. Биогеохимический цикл углерода Из всех известных биогеохимических циклов наиболее интенсивным является круговорот углерода. Продолжительность одного цикла в этом случае − всего 300 лет. Цепь из атомов углерода составляет основу всех органических веществ: белков, жиров, углеводов и других соединений, необходимых для жизнедеятельности всех живых организмов. Циркуляция углерода между живой и неживой природой происходит с высокой скоростью. Основными неорганическими соединениями углерода являются его оксиды (СО2 и СО), а также карбонаты, составляющие карбонатные горные породы. Наиболее подвижным соединением углерода в атмосфере, играющим большую роль в круговороте, является углекислый газ (СО2). На рис. 10 приведен биогеохимический цикл углерода. Основным резервом углерода являются запасы углеродсодержащих горных пород (карбонатов, доломитов и др.) на дне океана и в земной коре, а также ископаемые виды топлива. Резерв углерода в атмосфере значительно меньше, но он играет большую роль в круговороте из-за своей подвижности. Углекислый газ атмосферы потребляется продуцентами в процессе фотосинтеза с образованием органического вещества. Ежегодно растениями связывается около 46 млрд т углерода. Часть его в процессе питания передается животным. При дыхании растений и животных углерод выделяется в виде углекислого газа, который опять поступает в атмосферу. Продукты жизнедеятельности растений и животных, а также мертвое органическое вещество разлагается редуцентами с окислением углеродсодержащих соединений до углекислого газа. Эти процессы составляют биологический круговорот углерода. Разложение органического вещества редуцентами Вулканическая деятельность Поглощение морскими организмами с образованием карбонатных пород Гидросфера Карбонатные породы на дне океана Сжигание топлива Фотосинтез Дыхание Углекислый газ в атмосфере Минерализация органики с образованием ископаемых видов топлива Рис.10. Биогеохимический цикл углерода Значительное количество углерода подвергается минерализации и связывается в виде ископаемых видов топлива (нефти, угля, природного газа, горючих сланцев). Кроме того, большое количество углерода входит в состав карбонатных отложений на дне океана – это углерод, поглощенный ранее морскими организмами в виде углекислого газа. Небольшое количество углерода возвращается в атмосферу при извержении вулканов. Из-за сравнительно небольшого резервного фонда в атмосфере круговорот углерода более уязвим, чем круговороты кислорода и азота. В последнее время содержание углекислого газа в атмосфере неуклонно растет, что указывает на нарушение равновесных процессов в биосфере. Причиной этого является хозяйственная деятельность человека: большие выбросы углекислого газа при сжигании ископаемых видов топлива, сокращение площади лесов, загрязнение Мирового океана, а следовательно, снижение интенсивности фотосинтеза – связывания углекислого газа. Повышение содержания в атмосфере углекислого газа – основная причина «парникового эффекта» – увеличения средней температуры на планете. 2.2.4. Биогеохимический цикл фосфора Фосфор входит в состав клеточных мембран, ферментов костных тканей, то есть является необходимым элементом протоплазмы всех живых организмов. Цикл фосфора менее совершенен, чем цикл азота. Большие массы соединений фосфора могут переходить в глубинные отложения, выходя из круговорота на долгое время. Особенностью круговорота фосфора является то, что в процессе циркуляции элемент не образует газообразных соединений. Резерв фосфора сосредоточен не в атмосфере, а в литосфере в виде фосфоросодержащих пород. Поэтому биогеохимический круговорот фосфора (рис. 11) относится к осадочным циклам. Основная масса фосфора на Земле сосредоточена в виде изверженных (апатиты) и осадочных (фосфориты) пород. В процессе эрозии и выветривания горных пород образуются растворимые соединения фосфора, которые могут поглощаться растениями. Производство удобрений и моющих средств Возвращение фосфора на сушу Рыболовство, морские птицы Фосфатные горные породы Гидросфера Минерализация останков Эрозия, выветривание Глубоководные отложения фосфоросодержащих пород Растворимые фосфаты Рис.11. Биогеохимический цикл фосфора В тканях растений синтезируются органические фосфоросодержащие соединения, которые в процессе питания могут переходить к животным. Из продуктов жизнедеятельности и останков растений и животных фосфор выделяется в виде неорганических соединений, которые могут быть опять вовлечены в биологический круговорот, а могут перейти в глубинные отложения в процессе минерализации. Растворимые соединения фосфора непрерывно поступают в Мировой океан с речными водами. Большое количество фосфора содержится в тканях морских организмов. Отмершие останки организмов опускаются на дно и образуют массивные отложения фосфоросодержащих пород на дне океана. Часть фосфора возвращается на сушу морскими птицами, а также в процессе рыболовства. Гораздо медленнее идет процесс возвращения фосфора при поднятии морского дна. Механизм возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективен. Круговорот фосфора незамкнут и в большой степени подвержен воздействию человека. В настоящее время в мире ежегодно добывается 1–2 млн т фосфоросодержащих пород, которые применяются в основном для производства удобрений и моющих средств. При этом в морские воды вместе с бытовыми и промышленными стоками попадает большое количество фосфоросодержащих соединений. Этот фосфор в большом количестве переходит в глубоководные отложения, на долгое время выходя из биологического круговорота. Все эти процессы, а также малое содержание фосфора в земной коре (менее 1 %) обуславливают то, что круговорот фосфора на сегодня является слабым звеном в функционировании всей биосферы. 2.2.5. Биогеохимический цикл серы Добыча и переработка полезных ископаемых Окисление бактериями до оксидов серы Сера входит в состав белков всех живых организмов. В отличие от фосфора в атмосфере присутствует достаточное количество газообразных соединений серы: сероводород H2S, оксиды серы SO2 и SO3. Но основной резерв серы находится в литосфере в виде залежей сульфидных руд. Сера также входит в состав глубоководных отложений. Большой резерв в литосфере позволяет отнести биогеохимический круговорот серы (рис. 12) к осадочным циклам. Рис. 12. Биогеохимический цикл серы Основная часть круговорота реализуется в пределах лито- и гидросферы. Огромное значение в этом процессе играют микроорганизмы, осуществляющие обмен серы между растворимыми сульфатами, доступными большинству живых организмов, и сульфидными отложениями в земной коре. Под действием микроорганизмов в биосфере постоянно идут процессы извлечения серы из глубинных отложений. Часть этой серы окисляется серобактериями до растворимых сульфатов, поступающих к продуцентам. Другая часть превращается бактериями в сероводород и другие газообразные соединения. Деятельность человека в настоящий момент направлена на извлечение серы из глубинных месторождений и увеличение газообразных соединений серы в атмосфере. Это ведет к существенному уменьшению резерва серы в литосфере и нарушению цикличности круговорота. Выброс в атмосферу огромных количеств оксидов серы обуславливает повсеместное выпадение кислых осадков. 3. ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ 3.1. Термодинамика процессов живой природы. Негэнтропия Одним из основных свойств материи является энергия – способность производить работу. Существование живых организмов невозможно без хорошо организованных энергетических потоков между ними и окружающей средой. При изучении различных экосистем очень важен энергетический подход. Состояние любой природной и общественной системы в конечном счете определяется соотношением энергии, используемой на этой территории и поступающей извне. Устойчивая система формируется только в том случае, если темпы расхода не превышают возможностей среды. Все природные системы должны подчиняться двум законам термодинамики – науки о превращениях энергии. Первый закон термодинамики является следствием закона сохранения энергии: энергия не создается и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую. Основным источником энергии для биосферы является Солнце. Экология изучает превращение солнечной энергии в экосистемах. В соответствии с первым законом термодинамики энергия, поступившая в экосистему (Q), разделяется на два потока: 1) используемую часть – энергию, перешедшую в энергию органического вещества живых организмов (qиспольз) ; 2) рассеянную энергию (qрассеянн) в основном в виде тепла. Q = qиспольз + qрассеянн . Превращение солнечной энергии в биосфере показано на рис. 13. 30 % ~1% Отражение атмосферой и поверхностью Земли Использование в процессе фотосинтеза 46 % Переход в тепло – нагрев атмосферы, воды и суши 23% Испарение воды Рис.13. Распределение солнечной энергии в биосфере Согласно второму закону термодинамики, любой вид энергии в конечном счете превращается в тепло – форму энергии, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеиваемую. Тепловая энергия равномерно распределяется по всему пространству, что ведет к состоянию устойчивого равновесия. Из второго закона термодинамики следует, что самопроизвольно протекают процессы, сопровождающиеся рассеянием энергии и увеличением беспорядка в системе. Увеличение беспорядка представляет собой деградацию энергии – переход к более низкому уровню организации. Мерой беспорядка служит энтропия (S) – мера количества энергии, недоступной для использования. Важнейшей особенностью живых организмов является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. Отличие живых систем от неживой природы состоит в том, что они способны самостоятельно восстанавливать свою структуру и увеличивать упорядоченность внутри себя, синтезируя сложные органические вещества из простых. Здесь нет противоречия законам термодинамики, так как все процессы в живой природе происходят не самопроизвольно, а лишь при условии постоянного подвода энергии. Сама возможность существования жизни обусловлена их способностью накапливать энергию путем преобразования полученной энергии Солнца в энергию химических связей. Природные экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой, уменьшая при этом энтропию внутри себя, но увеличивая ее в окружающей среде. Упорядоченность экосистем поддерживается за счет откачивания из нее неупорядоченности в процессе дыхания. Такие системы, находящиеся в состоянии устойчивого неравновесия с окружающей средой, называются диссипативными структурами. Живые организмы способны извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию – негэнтропию. Растения получают ее при потреблении солнечной энергии, животные – из пищи. При прекращении потока энергии (например, после гибели организма) происходит разрушение сложных органических соединений, энергия химических связей переходит в тепловую форму и рассеивается. 3.2. Понятие о качестве энергии Энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Известно много форм и видов энергии: солнечная, химическая, тепловая, механическая, электрическая, атомная и т.д. Причем различные формы отличаются по своему качеству, то есть своей способности производить полезную работу. Концентрированные формы энергии (например, энергия ископаемых видов топлива: угля, нефти, газа) обладают высоким качеством. По сравнению с ними качество энергии солнечного света, слабого ветра, прибоя значительно ниже. Еще ниже рабочий потенциал у рассеянной тепловой энергии. Таблица 1 Сравнение качества различных видов энергии Вид энергии Тепловая энергия Солнечная энергия Энергия древесины Энергия ископаемых видов топлива Электроэнергия Качество энергии 0,0001 0,0005 0,5 1 4 Величиной, позволяющей оценить качество данного вида энергии, является эксергия – полезная доля участвующей в каком-либо процессе энергии. Чем выше эксергия какого-либо вида энергии, тем большую полезную работу можно совершить при тех же энергетических затратах. Но для создания энергии более высокого качества необходимо затратить энергию низкого качества. Так, солнечная энергия вовлекается в биосфере в цепь превращений, переходя в энергию органического вещества, а затем в энергию ископаемых видов топлива. Причем на каждом этапе уменьшается количество энергии (за счет рассеивания в окружающую среду), но повышается ее качество. Качество энергии в биосфере во многом определяется длиной пути, пройденной ею от Солнца. В табл. 1 приведено сравнение качества различных видов энергии. За единицу принято качество энергии ископаемых видов топлива (нефти, угля). Из табл. 1 видно, что качество энергии ископаемых видов топлива в 2000 раз выше качества солнечной энергии, но в 4 раза ниже качества электроэнергии. Данные таблицы объясняют трудность использования солнечной энергии: для того, чтобы при помощи солнечного света получить энергию, эквивалентную выделяющейся при сгорании угля, его необходимо сконцентрировать в 2000 раз. В настоящее время недостаточно разработаны технологии концентрирования энергии. Но можно использовать энергию низкого качества для выполнения низкокачественных работ (например, обогрева зданий). Согласно принципам рационального природопользования качество используемой энергии должно соответствовать качеству выполняемой работы. 3.3. Процессы фотосинтеза и хемосинтеза Живые организмы способны создавать сложные органические вещества, увеличивая собственную упорядоченность. Первичное органическое вещество биосферы создается растениями и некоторыми микроорганизмами из простых неорганических соединений в процессе реакций фотосинтеза и хемосинтеза. Фотосинтез – это процесс образования органического вещества и свободного кислорода из простых неорганических веществ под воздействием энергии Солнца. В ходе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей в органическом веществе. Реакция фотосинтеза идет за счет солнечной энергии и хлорофилла – органического вещества зеленого цвета, содержащегося в клетках зеленых растений. Молекула хлорофилла под воздействием солнечного света способна высвобождать свободный электрон. Выделившиеся электроны приводят к двум процессам: образованию свободного кислорода, а также молекулы АТФ (аденозинтрифосфата) из АДФ (аденозиндифосфата). Оба этих процесса вместе составляют световую фазу фотосинтеза. Молекула АТФ обеспечивает сохранение энергии в живом веществе. При ее образовании энергия запасается, а при разложении – выделяется. Далее идет темновая фаза фотосинтеза, в ходе которой вода и углекислый газ под воздействием энергии АТФ превращаются в органическое вещество. АТФ отдает электрон и снова превращается в АДФ (рис. 14). Итоговый процесс: Солнечное излучение + 6Н2О + 6СО2 = С6Н12О6 + 6О2 . Образующаяся молекула углевода служит основой для построения всех органических веществ в клетке. Световая фаза Солнечное излучение + хлорофилл Темновая фаза 1) разложение воды с образованием свободного кислорода; 2) образование АТФ из АДФ 1) разложение АТФ до АДФ; 2) образование органического Рис.14. Схема процесса фотосинтеза Организмы, способные к фотосинтезу, называются фотосинтетиками. Некоторые виды фотосинтетиков вместо воды используют другие неорганические вещества. Например, серные бактерии в процессе фотосинтеза переводят сероводород в свободную серу: Солнечное излучение + CO2 + H2S = органическое вещество + H2O + S. Значение фотосинтеза для биосферы состоит в следующем: – аккумуляция энергии (накопление энергии в органическом веществе, ее концентрирование и повышение качества); – образование первичного органического вещества, служащего пищей другим живым организмам биосферы; часть образующегося вещества может откладываться в запас; – насыщение воздуха свободным кислородом. Именно благодаря деятельности первых фотосинтетиков изменился состав первичной атмосферы: из нее исчезли большая часть аммиака, метана, появились кислород и озон. Кроме фотосинтеза, в биосфере существует еще одна реакция получения первичного органического вещества из неорганики. При этом в качестве источника энергии используется не солнечное излучение, а химическая энергия реакции окисления. Соответствующий процесс получил название хемосинтез, а использующего его организмы (бактерии) – хемосинтетики. В ходе хемосинтеза происходит превращение химической энергии одних веществ в химическую энергию других веществ, входящих в состав живых организмов. Примером хемосинтетиков могут быть нитрифицирующие бактерии (окисляющие аммиак до оксидов азота и нитратов), железобактерии (переводящие двухвалентное железо в трехвалентное). Хемосинтетиками были одни из первых живых организмов на Земле. Механизмы фотосинтеза и хемосинтеза очень сложны, включают много промежуточных стадий и еще полностью нераскрыты. В настоящее время ведутся работы по созданию искусственного фотосинтеза. 3.4. Процесс дыхания Органические вещества, образующиеся в процессе фотосинтеза, характеризуются высоким запасом внутренней энергии. Но эта энергия недоступна для непосредственного использования в реакциях, протекающих в живых тканях. Чтобы эту энергию извлечь (перевести в активную форму), необходимо разрушить связи в органическом веществе. Это осуществляется в процессе дыхания организмов, в ходе которого из органического вещества и кислорода образуются вода и углекислый газ. Таким образом, дыхание – это процесс, в результате которого энергия органического вещества, образовавшегося при фотосинтезе, переводится в активную форму и может быть использована организмом. Процесс дыхания, как и процесс фотосинтеза, очень сложный и состоит из большого количества стадий. Часть высвободившейся в процессе дыхания энергии рассеивается в окружающую среду, другая часть может быть использована живым организмом. При этом увеличивается энтропия окружающей среды, но уменьшается в живом веществе. Таким образом, в процессе дыхания происходит откачивание из экосистемы неупорядоченности (поддержание диссипативных структур). Различают аэробное и анаэробное дыхание. Аэробное дыхание осуществляется в средах, содержащих свободный кислород. Его итог можно выразить следующим уравнением: С6Н12О6 + 6О2 = 6Н2О + 6СО2 + Энергия. Таким образом, анаэробное дыхание − процесс, обратный нормальному фотосинтезу. В условиях недостатка кислорода процесс идет не до конца. В результате незавершенного дыхания образуются низкомолекулярные органические вещества, содержащие еще некоторый избыток энергии. Анаэробное дыхание осуществляется в средах, лишенных кислорода. При этом окислителями вместо кислорода являются другие вещества. В процессе анаэробного дыхания выделяются метан, углекислый газ, некоторые другие вещества и высвобождается определенное количество энергии. Бескислородное дыхание используется многими бактериями, дрожжами, плесневыми грибками (подобные микроорганизмы часто обитают в сточных водах, болотах). В некоторых случаях анаэробное дыхание можно встретить в тканях высших животных. Разновидностью анаэробного дыхания является брожение, при котором источником энергии служит само органическое вещество: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + Энергия. Образующиеся при анаэробном дыхании органические вещества (метан, спирты, кислоты) содержат некоторое количество оставшейся энергии и могут быть использованы другими организмами. Все бактерии, в зависимости от типа дыхания, делятся на аэробных и анаэробных. 3.5. Передача энергии по трофической цепи Не все живые организмы способны синтезировать органическое вещество из неорганического. Живые организмы, обитающие на Земле, можно разделить по типу получения и накопления ими вещества и энергии на следующие типы: – автотрофы – способны к синтезу органического вещества из минеральных компонентов; – гетеротрофы – неспособны создавать собственное вещество из неорганического (минерального), используют готовые органические вещества; – миксотрофы – в зависимости от условий среды способны быть и автотрофами, и гетеротрофами. К автотрофам относятся фото- и хемосинтетики – растения и некоторые микроорганизмы. Животные являются гетеротрофами: они неспособны к фото- и хемосинтезу и вынуждены получать вещество и энергию через растения в процессе питания. Примером миксотрофных организмов могут быть сине-зеленые водоросли (при хорошем освещении – автотрофы, в темноте – гетеротрофы), а также растения-паразиты. Живые организмы образуют цепи питания, или трофические цепи, в которых осуществляется перенос энергии пищи от одних организмов к другим. По своему положению в цепи питания организмы подразделяются на следующие группы: – продуценты – создают первичное органическое вещество из неорганического; – консументы – потребляют созданное продуцентами органическое вещество, но не доводят его разложение до минеральных (неорганических) компонентов; консументы делятся на первичных − растительноядных и вторичных − хищников; – редуценты – перерабатывают отходы жизнедеятельности других организмов, образуя замкнутый цикл органического вещества (к ним относятся многие насекомые, мелкие почвенные организмы, бактерии и грибы). На рис. 15 представлена схема трофической цепи. Рассеяние энергии Солнечное излучение Продуценты Первичные консументы Редуценты Вторичные консументы … Рис.15. Схема трофической цепи По трофическим цепям осуществляется перенос энергии от Солнца ко всем живым организмам. Поток энергии в экосистеме незамкнут, в отличие от потока веществ. Большая часть энергии на каждом этапе рассеивается в процессах дыхания, теплообмена, движения и теряется для экосистемы. Другая часть превращается в энергию связей органического вещества. Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: – пастбищные цепи – начинаются с зеленых растений; – детритные цепи – идут от мертвого органического вещества к питающимся им организмам (мелким животным), а затем к хищникам. Трофические цепи могут быть простыми и сложными (многокомпонентными). На каждом этапе теряется примерно 80–90 % энергии, что ограничивает возможное число звеньев до 4–5. Чем короче пищевая цепь, тем больше количество доступной энергии. Пример сложной цепи питания, состоящей из пяти звеньев: Растения – Растительноядные насекомые – Хищные насекомые – Насекомоядные птицы – Хищные птицы. На дне океана существуют трофические цепи, основанные на хемосинтезирующих бактериях в качестве продуцентов. Эти бактерии в качестве источника энергии используют в основном сероводород, а в качестве источника углерода – углекислый газ. Бактериями питаются многие глубинные животные. Такие сообщества живут в условиях полной темноты и не нуждаются в веществах растительного происхождения. Многие виды могут входить в различные пищевые цепи и на различных уровнях. Так, медведи питаются и животной, и растительной пищей, то есть являются в разных цепях консументами первого и второго порядка. Различные трофические цепи связаны между собой отдельным звеньями, образуя более сложную систему – трофическую сеть. Чем разветвленнее сеть, тем устойчивее данное сообщество. 3.6. Продуктивность экосистем В процессе жизнедеятельности различных организмов в экосистеме создается и расходуется органическое вещество. Поэтому каждая экосистема обладает определенной продуктивностью. Продуктивность экосистем – это масса органического вещества, образованного в единицу времени на единице жизненного пространства, то есть скорость образования органического вещества. Различают первичную (валовую и чистую) и вторичную продуктивность. Валовая первичная продуктивность – количество вещества, образованное всеми продуцентами экосистемы на единице площади (объема) в единицу времени. Чистая первичная продуктивность – все образованное продуцентами вещество за вычетом расходов на дыхание. Чистую первичную продуктивность определяют простым измерением массы всего вещества, образованного продуцентами. Валовую продуктивность определить сложнее, для этого чистую продуктивность складывают с найденными расходами на дыхание. У травянистых растений расходы на дыхание составляют 40–50 %, у деревьев 70–80 %, у животных – более 50 %. Расходы на дыхание зависят от возраста особи: у молодых много энергии идет на рост организма, взрослые особи используют энергию пищи в основном для дыхания (совершения физических действий). Органическое вещество, составляющее чистую первичную продуктивность, может быть использовано организмами-консументами. Вторичная продуктивность – продуктивность консументов – количество вещества, созданное консументами за счет первичной продуктивности. Поскольку консументы лишь используют созданные ранее питательные вещества, вторичная продуктивность не делится на валовую и чистую. Вторичная продуктивность на каждом трофическом уровне составляет около 10 % (у хищных видов может быть до 20 %). Если солнечную энергию обозначить за 100 %, то: – валовая первичная продуктивность составит около 1 % ; – чистая первичная продуктивность – примерно 0,5 % (50 % от валовой); – вторичная продуктивность – 0,05–0,005 (или 1–10 % от чистой первичной). Пример расчета продуктивности экосистемы: 1 га леса воспринимает 2,1·109 кДж солнечной энергии. Накопленное продуцентами вещество (чистая первичная продуктивность) содержит 1,1·107 кДж энергии. Вторичная продуктивность в этом случае составляет 105 кДж энергии. При перемещении по трофической цепи происходит дальнейшее снижение доступной энергии. (Поэтому, например, для образования 1 кг биомассы растительноядного животного расходуется около 70–80 кг травы.) Следует отметить, что при переходе к следующему трофическому уровню уменьшается количество, но увеличивается качество энергии. Графически соотношение продуктивности различных звеньев трофической цепи принято изображать в виде экологических пирамид. Различают пирамиды чисел, биомассы и энергии (в зависимости от того, в каких единицах выражена продуктивность). Экологические пирамиды изображают в виде поставленных друг на друга прямоугольников одинаковой высоты, длина которых соответствует количеству продукции на каждом трофическом уровне (рис. 16). Продуктивность вторичных консументов Продуктивность первичных консументов Чистая первичная продуктивность Рис.16. Графическое изображение трофической цепи Пирамиды чисел. В любой экосистеме количество мелких животных превышает количество крупных. Хищники охотятся на жертвы определенного размера: слишком крупное животное хищник не может поймать (исключение составляет охота стаей), а на мелкую добычу охотиться не имеет смысла – пришлось бы ловить в очень больших количествах, тратя много сил и времени. В некоторых случаях пирамиды чисел могут иметь обращенный (неклассический) вид. Например, если насекомые питаются биомассой деревьев, пирамида чисел имеет обращенный вид. Пирамиды биомассы несколько лучше, чем пирамиды чисел, отражают соотношение звеньев в трофической цепи. В ней показано количественное соотношение биомасс. Существуют обращенные пирамиды биомасс, характерные для тех случаев, когда биомасса организмов низших уровней меньше биомассы организмов высших трофических уровней. Например, для океана пирамиды биомассы имеют перевернутый вид, так как там значительная часть вещества накапливается в телах растительноядных и хищных животных с большим сроком жизни и малой скоростью размножения. Пирамиды энергии лучше всего отражают распределение энергии на всех трофических уровнях. Эти пирамиды никогда не бывают обращенными (перевернутыми), так как количество доступной энергии на каждом следующем уровне меньше, чем на предыдущем. Данные по численности обычно приводят к переоценке роли крупных организмов. В отличие от этого поток энергии позволяет достоверно сравнивать одни компоненты сообщества с другими. Продуктивность экосистем определяется отношением образуемой биомассы (Р) к расходам на дыхание (R) – (P/R). Если это отношение больше единицы, то биомасса увеличивается – наблюдается рост продуктивности; если отношение P/R меньше единицы, то биомасса и продуктивность снижаются. В наиболее стабильных сообществах наблюдается равенство P и R, то есть вся созданная продукция потребляется, ничего не откладывается в почве. Этим объясняется низкая плодородность сельскохозяйственных угодий, разбитых на месте устойчивых экосистем (например, вырубленных тропических лесов). Но в большинстве экосистем Р превышает R, в результате чего большая масса органического вещества откладывается про запас. Приток в экосистему энергии извне, от различных природных и антропогенных источников, увеличивает продуктивность. Например, высокая продуктивность прибрежных зон объясняется привлечением дополнительной энергии приливов и отливов, продуктивность влажных лесов – энергией дождя и ветра. Высокая продуктивность сельскохозяйственных угодий поддерживается за счет затрат энергии на обработку земель, удобрение, орошение, борьбу с вредителями. Наоборот, утечка энергии в связи с неблагоприятными условиями, загрязнением и т.д. уменьшает продуктивность. 3.7. Энергетические типы экосистем Все экосистемы, в зависимости от вида используемой энергии, можно разделить на следующие типы. 1-й тип. Экосистемы, для которых основным источником энергии является Солнце. Эти экосистемы имеют низкую продуктивность: не более 10 000 ккал/м2·год. Примерами таких систем являются открытый океан, горные массивы и другие системы, вместе занимающие большую часть поверхности Земли. Данные экосистемы играют важную роль в биосфере Земли, обеспечивая ее устойчивость и в значительной мере формируя климат планеты. 2-й тип. Экосистемы, в которых источниками энергии, кроме Солнца, являются некоторые другие природные объекты. Источником дополнительной энергии в этом случае может быть энергия приливов, отливов, океанских течений и т.д. Избыток органического вещества в таких системах может откладываться, образуя запас питательных веществ. Поэтому такие системы обладают значительной продуктивностью: 10 000 – 40 000ккал/м2·год. Примером являются прибрежные воды морей и океанов, коралловые рифы, заливные луга. З-й тип. Экосистемы, получающие энергию от Солнца и антропогенных источников (механизмов, топлива, мышечной энергии человека). Обладают значительной продуктивностью: около 50 000ккал/м2·год. Примерами таких экосистем могут служить созданные человеком наземные и водные агроэкосистемы. В отличие от природных экосистем 2го типа вся энергия в таких системах тратится на некоторые виды живых организмов, нужные человеку, что снижает биологическое разнообразие экосистем и, следовательно, уменьшает их стабильность. 4-й тип. Экосистемы, основным источником энергии для которых является топливо. Это полностью искусственные экосистемы (например, индустриальные города), которые практически не вырабатывают органического вещества под воздействием энергии Солнца, все необходимые продукты и материалы ввозятся в такие системы извне. Но в этих экосистемах потребляется очень большое количество дополнительной энергии – порядка нескольких миллионов ккал на 1 м2 в год (в Нью-Йорке – 4,8·106 ккал/м2·год, Токио – 3·106, Москве – около 106). Эта энергия в основном идет на поддержание городского хозяйства (транспорта, промышленности, обеспечения жилищ). При этом расход топлива на человека в 80 раз превышает количество, необходимое просто для поддержания жизнедеятельности организма. Поэтому сосредоточение большого количества людей в городах во многом обуславливает истощение мировых запасов некоторых видов топлива. С этой точки зрения целесообразно применять в городах источники альтернативной энергетики, например, использовать энергию Солнца для обогрева жилищ, энергию ветра – для производства электроэнергии и т.п. Это позволит повысить устойчивость городских экосистем. В своей истории человечество прошло все четыре типа экосистем: 1-й тип был характерен для первобытнообщинного общества, 2-й – для древних цивилизаций, постепенно человечество пришло к экосистемам 3го и 4-го типов. Их основной недостаток – быстрое использование ресурсов биосферы, а также образование большого количества отходов. 4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ 4.1. Классификация экологических факторов Известно, что экология изучает взаимодействие живых организмов с окружающей средой. С точки зрения экологии среда – это все природные явления, с которыми взаимодействует организм. Действие среды складывается из множества экологических факторов. Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы. Существует очень много экологических факторов, влияющих на живые организмы, которые принято классифицировать по их природе, способу воздействия, степени периодичности. 1. В зависимости от их природы экологические факторы делятся на абиотические и биотические. Абиотическими называют совокупность факторов, характеризующих воздействие неживой природы на живые организмы, биотическими – воздействие живой природы на другие организмы и на окружающую среду. 2. По способу воздействия выделяют прямые и косвенные экологические факторы. Прямые – связаны с непосредственным воздействием на живые организмы (например, солнечное излучение прямо воздействует на растения, обуславливая процесс фотосинтеза). Косвенные характеризуют опосредованное воздействие. Например, растения изменяют влажность воздуха, тем самым влияя на другие живые организмы). Еще одним примером косвенного воздействия является аллелопатия – взаимодействие организмов путем выделения особых химических веществ в окружающую среду. Чаще всего аллелопатия наблюдается у растений. При этом растения с высокой способностью к аллелопатии могут вытеснять другие виды. Так, многие сорняки выделяют вещества, задерживающие рост культурных растений. Многие цветы выделяют сильнопахнущие вещества – терпены, отрицательно влияющие на близлежащую растительность. 3. По степени периодичности экологические факторы делятся на две группы: периодические и непериодические. Первые связаны с периодичными процессами в окружающей среде (с вращением Земли, со сменой времен года и суточной освещенности), они действуют на протяжении значительного этапа жизни организма. Непериодические факторы часто воздействуют катастрофически (примером могут служить шквальные ветры, наводнения, антропогенные воздействия). В этом случае организм часто не успевает выработать защитных реакций. Выделяют следующие группы абиотических факторов (факторов неживой природы): климатические, эдафогенные (почвенные), орографические и химические. I. Климатические факторы: к ним относятся солнечное излучение, температура, давление, ветер и некоторые другие воздействия среды. 1) Солнечное излучение является мощным экологическим фактором. Оно распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн, из которых 48 % приходится на видимую часть спектра, 45 % – на инфра- Жизнедеятельность красное излучение (с большой длиной волны) и около 7 % – на коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Солнечное излучение представляет собой первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Но, с другой стороны, прямое воздействие солнечного света (особенно его ультрафиолетовой составляющей) губительно для живой клетки. Эволюция биосферы была направлена на снижение интенсивности ультрафиолетовой части спектра и защиты от избыточной солнечной радиации. Этому способствовало образование озона (озонового слоя) из кислорода, выделенного первыми организмами-фотосинтетиками. Общее количество солнечной энергии, достигающей Земли, примерно постоянно. Но разные точки земной поверхности получают разное количество энергии (из-за различия во времени освещенности, разного угла падения, степени отражения, прозрачности атмосферы и т.д.). Выявлена тесная связь между солнечной активностью и ритмом биологических процессов. Чем больше солнечная активность (больше пятен на Солнце), тем больше возмущений в атмосфере, магнитных бурь, воздействующих на живые организмы. Большую роль играет также смена солнечной активности в течение суток, обуславливающая суточные ритмы организма. У человека более 100 физиологических характеристик подчиняется суточному циклу (выделение гормонов, частота дыхания, работа различных желез и т.д.). Солнечное излучение в большой степени определяет остальные климатические факторы. 2) Температура окружающей среды связана с интенсивностью солнечного излучения, особенно инфракрасной части спектра. Жизнедеятельность большинства организмов протекает нормально в интервале температур от +5 до 40 С. Выше +50–60 С начинается необратимое разрушение белка, входящего в состав живых тканей. При высоких давлениях верхний предел температур может быть гораздо выше (до +150– 200 С). Нижний предел температуры часто оказывается менее критическим. Некоторые живые организмы способны выдерживать очень низкие температуры (до –200 С) в состоянии анабиоза. Многие организмы Арктики и Антарктики постоянно живут при отрицательных температурах. У некоторых арктических рыб нормальная температура тела составляет −1,7 С. При этом вода в их узких капиллярах не замерзает. Зависимость интенсивности жизнедеятельности большинства живых организмов от температуры имеет следующий вид: Как видно из рис. 17, при повышении температуры происходит ускорение биологических min Температура max Рис.17. Зависимость жизнедеятельности организмов от температуры процессов (скорости размножения и развития, количества потреб-ляемой пищи). Например, развитие гусениц бабочки-капустницы при +10 С требует 100 суток, а при +26 С – всего 10 суток. Но дальнейшее увеличение температуры ведет к резкому снижению параметров жизнедеятельности и гибели организма. В воде диапазон колебаний температур меньше, чем на суше. Поэтому водные организмы меньше приспособлены к изменениям температуры, чем наземные. Температура часто обуславливает зональность в наземных и водных биогеоценозах. 3) Влажность окружающей среды – важный экологический фактор. Большинство живых организмов на 70–80 % состоят из воды – вещества, необходимого для существования протоплазмы. Влажность местности определяется влажностью атмосферного воздуха, количеством осадков, площадью водных запасов. Влажность воздуха зависит от температуры: чем она выше, тем обычно больше водяных паров содержится в воздухе. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы. Осадки представляют собой результат конденсации водяных паров. В зоне умеренного климата распределение осадков по времени года более-менее равномерное, в тропиках и субтропиках – неравномерное. Доступный запас поверхностных вод зависит от подземных источников и количества осадков. Взаимодействие температуры и влажности формирует два климата: морской и континентальный. 4) Давление – еще один климатический фактор, важный для всех живых организмов. На Земле есть области с постоянно высоким или низким давлением. Перепады давления связаны с неодинаковым нагревом земной поверхности. 5) Ветер – направленное движение воздушных масс, являющееся следствием перепада давлений. Ветровой поток направлен из зоны с большим давлением в зону с меньшим давлением. Он влияет на температурный режим, влажность и перемещение примесей в воздухе. 6) Лунные ритмы обуславливают приливы и отливы, к которым приспособлены морские животные. Они используют приливы и отливы для многих жизненных процессов: перемещения, размножения и т.д. II. Эдафогенные факторы определяют различные характеристики почвы. Почва играет важную роль в наземных экосистемах – роль накопителя и резерва ресурсов. На состав и свойства почв сильно влияют климат, растительность и микроорганизмы. Степные почвы более плодородны, чем лесные, так как травы недолговечны и ежегодно в почву поступает большое количество органического вещества, которое быстро разлагается. Экосистемы, не имеющие почв, обычно очень неустойчивы. Выделяют следующие основные характеристики почв: механический состав, влагоемкость, плотность и воздухопроницаемость. Механический состав почв определяется содержанием в ней частиц различной величины. Различают четыре типа почв в зависимости от их механического состава: песок, супесь, суглинок, глина. Механический состав прямо воздействует на растения, на подземные организмы, а через них – на другие организмы. От механического состава зависят влагоемкость (способность удерживать влагу), их плотность и воздухопроницаемость почв. III. Орографические факторы. К ним относятся высота местности над уровнем моря, ее рельеф и расположение относительно сторон света. Орографические факторы во многом определяют климат данной местности, а также другие биотические и абиотические факторы. IV. Химические факторы. К ним относится химический состав атмосферы (газовый состав воздуха), литосферы, гидросферы. Для живых организмов большое значение имеет содержание в окружающей среде макро- и микроэлементов. Макроэлементы – элементы, требующиеся организму в сравнительно больших количествах. Для большинства живых организмов это фосфор, азот, калий, кальций, сера, магний. Микроэлементы – элементы, требующиеся организму в крайне малых количествах, но входящие в состав жизненно важных ферментов. Микроэлементы необходимы для нормальной жизнедеятельности организма. Наиболее распространенные микроэлементы – металлы, кремний, бор, хлор. Между макроэлементами и микроэлементами нет четкой границы: то, что для одних организмов – микроэлемент, для другого – макроэлемент. В группе биотических факторов выделяют фитогенные, зоогенные, микробогенные и антропогенные. I. Фитогенные факторы характеризуют влияние растительных организмов. Они воздействуют на все абиотические и биотические факторы. Любое растительное сообщество сильно влияет на окружающую среду, создавая особый микроклимат при испарении и поглощении воды. Растения увлажняют воздух, задерживают движение ветра, изменяют освещенность местности. Тепловой режим в лесу более выровнен, суточные колебания температур меньше, чем на открытом пространстве. Растения формируют состав почвы, поставляя в нее большое количество органического вещества и извлекая необходимые компоненты. Продуцируя первичное органическое вещество и изменяя среду обитания, растения воздействуют на всех живых организмов. II. Зоогенные факторы характеризуют влияние животных. Животные воздействуют на растения (поедая их, используя для жилья, перенося их семена, пыльцу), на другие биотические факторы. В определенной степени животные влияют на абиотические факторы (на орографический, изменяя рельеф местности, на эдафогенный, разрыхляя почву и т.д.) Например, бобры устраивают крупные плотины, суслики и хомяки при рытье нор формируют микрорельеф местности и изменяют растительный покров. Водные организмы (рачки, рыбы) в процессе питания и дыхания отфильтровывают часть примесей из воды. III. Микробогенные факторы, характеризуют влияние микроорганизмов. Они воздействуют на абиотические факторы (особенно эдафогенный и химический), на все живые организмы. Каждый комочек почвы содержит миллионы клеток различных микроорганизмов. Бактерии и грибы минерализуют мертвое органическое вещество, замыкая биологические круговороты. Микроорганизмы принимают активное участие в биогеохимических циклах большинства элементов. IV. Антропогенные факторы характеризуют влияние человека. В доисторическую эпоху, когда человек воздействовал на окружающую среду наравне с другими животными, антропогенный фактор можно было отнести к зоогенному. Но в настоящее время производственная деятельность людей радикально преобразовала биосферу, изменив параметры подавляющего большинства экологических факторов. Изменяется состав атмосферы, гидросферы и литосферы, рельеф местности, климат, происходит перераспределение элементов в биосфере, исчезают естественные и создаются искусственные экосистемы. Причем интенсивность антропогенного фактора постоянно растет. Взаимодействия между всеми живыми организмами можно разделить на две группы: гомотипические и гетеротипические. Гомотипические реакции – взаимодействия между особями одного вида. Они определяют такие характеристики популяций, как плотность, численность и др. При гомотипическом взаимодействии наблюдается эффект группы и массы. Эффект группы характеризует влияние группы на поведение, развитие и размножение, а также на строение организма отдельных особей. Так, многие насекомые (сверчки, саранча, тараканы) в группе быстрее растут и развиваются. Стая волков охотится на более крупную добычу, чем единичные особи. Однако бывает и отрицательный эффект группы: рост некоторых организмов (мыши, рыбы, головастики) в группе замедлен. Таблица 2 Классификация гетеротипических взаимодействий (по Ю.Одуму, 1986) Типы взаимодействий Конкуренция Вид 1 – Вид 2 – Характер взаимодействия Каждая популяция неблагоприятно влияет на другую, вплоть до исключения наиболее слабого вида Нейтрализм 0 0 Мутуализм и протокооперация + + Комменсализм + 0 Аменсализм – 0 Хищничество и паразитизм + – Отсутствие взаимодействия между популяциями; в природе встречается редко из-за косвенных взаимодействий Организмы объединяются для получения общей выгоды. При протокооперации взаимодействие не носит жизненно важного характера, а при мутуализме обязательно. К этому типу взаимодействий относится симбиоз Один вид извлекает пользу из взаимодействии, а другому оно безразлично. Например, мелкие рыбыприлипалы прикрепляются к более крупным организмам и передвигаются так на большие расстояния, а также питаются остатками пищи крупных рыб Один вид подавляет другой, не извлекая из этого пользы Подавление одного вида другим с целью получения какой-либо выгоды Условные обозначения: «+» – благоприятное воздействие; «–» – неблагоприятное; «0» – отсутствие взаимодействия. Эффект массы наблюдается при увеличении плотности популяции. Его причиной являются изменения в среде обитания при увеличении в ней количества живых организмов (увеличение загрязненности, умень-шение питательных веществ). Кроме эффектов группы и массы, к гомотипическим реакциям относится внутривидовая конкуренция – выживание более сильных и лучше приспособленных организмов. Гетерогенные реакции – это взаимодействия между особями разного вида. Взаимодействие видов может быть положительным и отрицательным. Эти взаимодействия очень разнообразны. Некоторые наиболее важные из них сведены в табл. 2. Для каждого организма существуют свои оптимальные параметры экологических факторов, при которых жизнедеятельность особей протекает нормально. Допустимые диапазоны экологических факторов определяются законами минимума и максимума. Закон минимума открыт в 1840 г. немецким химиком Ю. Либихом. Он установил, что развитие растений ограничивается содержанием того химического вещества, которого недостаточно для нормальной жизнедеятельности. Этим обусловлена потребность в удобрениях, содержащих недостающие растениям компоненты. Данный закон справедлив для всех экологических факторов и различных организмов. При этом формулировку закона минимума можно расширить следующим образом: рост и развитие организма зависят в первую очередь от тех факторов, значение которых приближается к экологическому минимуму. Например, нехватка витаминов и питательных веществ в рационе приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности организма. Закон минимума дополняется законом максимума, выдвинутым ученым-экологом Шелфордом: никакое увеличение интенсивности экологического фактора не может увеличить продуктивность организма сверх существующих пределов, при этом избыток какого-либо фактора может привести к гибели организма. Например, вода необходима растениям, но ее избыток ведет к заболачиванию почвы, корни растений задыхаются. Избыток витаминов и других жизненно важных веществ так же вреден, как их недостаток, и может привести к гибели организма. Жизнедеятельность организма в большей степени зависит от тех экологических факторов, параметры которых близки к минимальным или максимальным для этих организмов значениям. Факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке и ограничивающие жизнедеятельность организмов, называются лимитирующими. Законы о лимитирующих факторах (т.е. закон минимума и максимума) существенно упрощают изучение сложных экологических систем. При этом резко сокращается количество рассматриваемых факторов, так как из бесконечного их множества выбираются лишь те, действие которых определяется законами минимума и максимума. Например, в водных экосистемах, в отличие от наземных, часто наблюдается недостаток кислорода. Поэтому его содержание обязательно определяется при изучении водных экосистем, но чаще всего не определяется при изучении наземных. При анализе условий среды основное внимание уделяется поиску лимитирующих факторов и оценке их влияния на экосистему. 4.2. Закон толерантности Закон толерантности суммирует законы максимума и минимума. Его формулировка принадлежит Шелфорду: лимитирующим фактором может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия; диапазон между допустимыми минимумом и максимумом определяет величину толерантности (выносливости) организма к данному фактору. Толерантность – это способность организма выносить отклонения экологических факторов от оптимальных значений. Закон толерантности можно дополнить следующими положениями. 1) организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого; 2) организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех факторов наиболее распространены; 3) если условия по одному фактору неоптимальны, могут сузиться диапазоны толерантности в отношении других факторов; 4) оптимальные значения экологических факторов и пределы толерантности могут быть различны на разных этапах жизни организма. 4.3. Адаптация. Жизненные формы При постоянном воздействии какого-либо экологического фактора сверх лимитирующих пределов организм должен либо адаптироваться к новым параметрам, либо погибнуть. Адаптациями называют эволюционно выработанные и наследственно закрепленные особенности живых организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность при колебании уровней экологических факторов. Таким образом, организм не может изменить параметры экологических факторов и вынужден менять свои внутренние особенности и поведение. Различают следующие виды адаптаций. 1. Морфологические − изменение строения тела. Например, форма тела глубоководных рыб приспособлена для существования при высоких давлениях. Мелководные рыбы имеют прозрачное тело, что является их средством защиты от хищников. Существуют определенные закономерности изменения строения тела животных под воздействием различных факторов. Так, в пределах одного вида животные, обитающие в холодных странах, имеют большие размеры (т.е. относительно меньшую поверхность тела), чем животные, обитающие в теплых странах. Например, белый медведь самый крупный, а бурый – крупнее обитающего южнее гималайского. Кроме того, при продвижении к тропикам у некоторых животных наблюдается удлинение хвостов, ушей, лап, клювов и т.д., что способствует лучшей теплоотдаче. 2. Физиологические адаптации – изменение строения внутренних органов. Например, теплокровные животные за счет слоя жира и теплоизолирующего покрова (меха, пуха, перьев) способны выдерживать температуры до –50 С. Так, у пингвина постоянная температура тела +37–39 С, у северных оленей – +38–39 С. 3. Поведенческие адаптации − изменение поведения. Примером являются сезонные перелеты птиц, обусловленные их стремлением избежать экстремальных условий. Еще один пример поведенческой адаптации − анабиоз (зимняя спячка), позволяет организмам переносить низкие температуры. При этом меняются параметры всех физиологических процессов. Так, у суслика в состоянии активности обычно около 300 ударов сердца в минуту, а в состоянии анабиоза – всего 3 удара. При этом температура тела снижается до +5 С. В ходе поведенческих адаптаций организм программирует свои жизненные циклы таким образом, чтобы максимально использовать благоприятные условия среды. Живые организмы приспосабливаются к смене суток, вырабатывая внутренние «биологические часы». Эти часы определяют процессы приема пищи, сна, периоды активности и т.д. Адаптации (приспособления) живых организмов к экологическим факторам вырабатываются в процессе длительной эволюции и естественного отбора и закрепляются в генах. При этом образуется совокупность наследственных признаков данного вида – его генофонд. Иногда адаптации различных биологических видов в сходных условиях приводят к одинаковым структурам (природа выбирает одно, наиболее перспективное направление). Например, растения пустыни – кактусы и молочай – принадлежат к разным видам, но имеют одинаковые приспособления для выживания: колючки и развитую корневую систему. Группа видов, имеющих сходные приспособления для обитания в одинаковых условиях, называется жизненной формой. Внешне жизненные формы характеризуются схожестью строения тела и внутренних органов. Еще пример: степные животные – кенгуру и тушканчики, вынужденные передвигаться на большие расстояния, образуют жизненную форму прыгунов, отличительными свойствами которой являются сильно развитые задние конечности и упругий хвост. Некоторые организмы меняют в течение жизни свою жизненную форму (например, гусеницы превращаются в бабочек). Определенные виды растений могут принимать разную жизненную форму в зависимости от условий произрастания. Так, черемуха и липа могут быть и деревьями, и кустарниками. Сообщество растений и животных обладает большой устойчивостью лишь в том случае, когда включает в себя представителей различных жизненных форм. При этом наиболее полно используются ресурсы окружающей среды. 4.4. Экологическая валентность (пластичность) Организмы различаются своей способностью к адаптации: одни адаптируются медленно, другие легко и быстро. Способность вида адаптироваться к экологическим факторам называется экологической валентностью, или пластичностью. Чем выше пластичность, тем легче происходит адаптация. Экологическая валентность (пластичность) тесно связана с диапазоном толерантности: чем больше пластичность, тем шире диапазоны толерантности, т.е. диапазоны экологических факторов, в пределах которых может существовать организм. Виды с высокой пластичностью (воробей, одуванчик) способны жить в очень разных условиях. В зависимости от степени пластичности и величины пределов толерантности организмы делятся на стенобиотные и эврибиотные. Стенобиотные – низкопластичные виды, имеющие узкие диапазоны толерантности. Эврибиотные – высокопластичные виды, существующие в широких диапазонах толерантности. Организмы могут быть стенобиотами в отношении одного фактора и эврибиотами в отношении другого. Организмы, которые продолжительное время находятся в более-менее стабильных условиях, в определенной степени утрачивают экологическую валентность. Наоборот, организмы, часто подвергающиеся воздействию непериодических факторов, часто становятся более пластичными. Эврибиоты обычно наиболее распространены. А стенобиоты имеют ограниченный интервал распространения. 4.5. Экологическая ниша Растения и животные могут обитать только там, где условия подходят для них. Каждый организм имеет свое местообитание, пригодное для жизни. В экологии существует более емкое понятие – экологическая ниша, включающее в себя не только физическое место, занимаемое организмом, но и его роль в сообществе, а также степень его адаптации к внешним факторам. Таким образом, экологическая ниша представляет собой совокупность параметров всех факторов среды, при которых возможно существование данного организма или вида. Для каждого вида существует свой набор оптимальных параметров экологических факторов, а значит, и своя экологическая ниша. Два вида, обитающие на одной и той же территории, не могут занимать одну и ту же экологическую нишу. Например, в экосистеме озера часть организмов населяет поверхностный слой, другие же вынуждены приспосабливаться к более глубоким зонам. Ярусность в лесу также является примером разделения экологических ниш. Кроны светолюбивых видов расположены выше, а тенелюбивых – ниже, корни растений проникают на разную глубину. Почвенные животные осваивают различные подземные «этажи». Разделение ниш происходит также за счет различного корма совместно обитающих видов. Ниши различных видов могут пересекаться. Это происходит в том случае, если организмы разных видов используют одни и те же ресурсы. Если эти ресурсы ограниченны, то возникает конкурентная борьба вплоть до вытеснения более слабого вида. Чем ближе потребности видов, тем в большей степени пересекаются ниши и сильнее конкуренция. Главной целью выделения ниш является снижение конкуренции. Близкородственные виды, имеющие сходные требования к среде обитания, не живут, как правило, в одних и тех же условиях. Если они и занимают одну территорию, то либо используют разные ресурсы, либо имеют другие различия в функциях. Общую экологическую нишу, включающую допустимые диапазоны всех факторов, называют многомерной. Пространственная ниша включает только местообитание вида, трофическая ниша – особенности питания. Кроме такой градации, различают еще фундаментальную и реализованные ниши. Фундаментальная ниша – это та, которую организм мог бы занимать в отсутствии конкуренции. Реализованная – ниша, имеющая место в действительности. Она всегда меньше фундаментальной. Допустимые для данного вида диапазоны экологических факторов связаны друг с другом. Изменение уровня одного фактора влечет за собой изменение уровня других, то есть деформацию ниши. 5. УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗВИТИЕ ЭКОСИСТЕМ Устойчивостью экосистем называется их способность противостоять колебаниям внешних факторов и сохранять свою структуру и функциональные особенности. Устойчивая экосистема возвращается в исходное состояние после того, как она была выведена из равновесия. Различают два типа устойчивости: резистентную и упругую. Резистентная устойчивость – это способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции. Упругая устойчивость – способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функций. Система редко обладает двумя типами устойчивости. Большинство систем устойчивы, либо резистентны, либо упруги. Например, некоторые породы деревьев сравнительно устойчивы к пожарам, но если сгорают, то практически не восстанавливаются (высокая резистентная, но низкая упругая устойчивость). Наоборот, травянистые насаждения сгорают быстро, но легко и восстанавливаются (высокая упругая устойчивость). Основная причина устойчивости экосистем – сбалансированность потоков вещества и энергии. Устойчивая экосистема должна в необходимом количестве получать вещества из окружающей среды и избавляться от отходов. В зависимости от способа поддержания устойчивости экосистемы делятся на открытые и закрытые. В открытые экосистемы непрерывно поступают энергия и вещество из окружающей среды. В таких экосистемах постоянно идут процессы накопления и разложения вещества. К этому типу относятся природные экосистемы, равновесие в них поддерживается самопроизвольно. В закрытых экосистемах нет постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Система неспособна избавляться от ненужных продуктов. Равновесие в этом случае может поддерживаться искусственно. Без вмешательства извне закрытые системы неустойчивы и быстро теряют устойчивость. Примером являются многие антропогенные системы. Так, обычный комнатный аквариум представляет собой закрытую экосистему, равновесие в которой поддерживается человеком путем ввода питательных веществ и удаления продуктов разложения. Еще одним примером закрытых экосистем могут быть жилые дома, существующие за счет подвода веществ, энергии из окружающей среды, вывоза мусора. Более перспективны экодома (открытые экосистемы), в которых создаются замкнутые потоки вещества, отчасти и энергии, путем вторичного использования отходов. 5.1. Гомеостаз экосистем Рассмотрим механизмы поддержания равновесия, действующие в открытых природных экосистемах. На любую экосистему постоянно действует большое количество экологических факторов, стремящихся вывести ее из состояния равновесия. Устойчивая система находится в состоянии подвижно-устойчивого равновесия: отклонение от него приводит в действие силы, возвращающие систему в состояние равновесия. Способность популяции или экосистемы поддерживать подвижноустойчивое равновесие при изменении условий окружающей среды называется гомеостазом экосистем. Механизм поддержания гомеостаза основан на двух принципах. 1. Принцип цикличности заключается в многократном использовании биогенных веществ в процессе биологического круговорота. Это делает практически неисчерпаемыми запасы минеральных веществ в экосистеме. 2. Принцип «обратной связи» заключается в том, что отклонение экосистемы от состояния равновесия приводит в действие силы, возвращающие ее в равновесное состояние. Различают положительную и отрицательную «обратную связь». «Положительная обратная связь» добавляет помехи и стремится вывести экосистему из состояния равновесия. «Отрицательная обратная связь» стремится скомпенсировать отклонения и вернуть систему в состояние равновесия. Подобный кибернетический принцип широко используется в технике в таких приборах, как термостаты, нагреватели, холодильники и др. При выключенном моторе в этих устройствах действует «положительная обратная связь» – происходит отклонение температуры от заданной (равновесной) величины. На определенном этапе мотор включается и происходит возвращение системы к равновесным параметрам («отрицательная обратная связь»). В отличие от технических систем в природных устойчивых системах управляющие механизмы находятся не вне, а внутри системы. Принцип «обратной связи» может действовать на уровне организмов (например, регулирование температуры тела), на уровне популяций (регулирование плотности) любой экосистемы (запасание и высвобождение питательных веществ, синтез и разложение органических соединений) и всей биосферы в целом. Рассмотрим простой пример гомеостаза экосистем, осуществляющегося на основе принципа обратной связи. Возьмем систему, в которой взаимодействуют две популяции: хищники и жертвы, например волки и олени (рис. 18). При каком-либо отклонении от состояния равновесия, например, увеличении популяции оленей в системе начинает «действовать положительная обратная связь» («+»). При этом вследствие увеличения количества пищи возрастает и численность популяции волков. Но на этом этапе начинает действовать «отрицательная обратная связь» («–»), возвращающая систему в равновесие. Количество оленей из-за увеличения количества хищников снижается, что ведет к снижению численности популяции волков (из-за нехватки пищи, эпидемий и т.п.). Через некоторое время плотность обеих популяций приходит к оптимальному соотношению, соответствующему равновесию. «–» Увеличение численности популяции волков «+» «+» Увеличение численности популяции оленей РАВНОВЕСИЕ ЭКОСИСТЕМЫ Снижение численности популяции оленей «–» «–» Снижение численности популяции волков Рис. 18. Схема действия принципа обратной связи Если в какой-либо экосистеме уничтожается хищный вид, нарушается действие «принципа обратной связи». Сначала происходит быстрый рост численности жертв, что приводит к истощению запасов окружающей среды и к увеличению количества паразитов. Все это иногда заканчивается необратимым нарушением равновесия экосистемы. Нижний предел Гомеостатическое плато Верхний предел Изменение параметров окружающей среды Рис. 19. Гомеостатическое плато Действие гомеостатических механизмов имеет свои пределы, при достижении которых дальнейшее увеличение положительной обратной связи ведет к необратимому нарушению всех процессов в экосистеме. Состоянию равновесия соответствует гомеостатическое плато (рис. 19) – участок, на котором «положительной обратной связи» противопоставлена «отрицательная обратная связь». При увеличении этих пределов происходит подавление жизнедеятельности организмов вплоть до их гибели. Надежный гомеостатический контроль устанавливается только после длительной эволюции. Новые экосистемы более подвержены резким колебаниям и менее способны противостоять внешним воздействиям. Природа не имеет гомеостатических механизмов, которые могли бы справиться с загрязнением окружающей среды. Установлено, что биосфера способна скомпенсировать любые возмущения, доля которых не превышает 1 % ее продукции. В настоящее время этот предел превышен в 10–15 раз. Антропогенное воздействие привело к тому, что природные экосистемы и вся биосфера стали терять способность к компенсации внешних воздействий. 5.2. Экологическая сукцессия Даже в устойчивых экосистемах постоянно происходят медленные необратимые изменения. В большей степени они касаются живых организмов. При этом один биоценоз заменяется другим. Последовательная смена биоценозов под воздействием внешних факторов называется экологической сукцессией. В ходе сукцессии меняется не только биоценоз, но происходит и постепенная смена биотопа (абиотических факторов среды). Сукцессия может осуществляться естественным или искусственным путем. Естественным – под воздействием природных закономерностей, искусственным – под воздействием человека. Скорость сукцессии в различных экосистемах может быть различной: одни меняются быстро, другие остаются неизменными многие сотни лет. Последовательные биоценозы, сменяющие друг друга на данном участке, называются стадиями, или сериями сукцессии. Сукцессия в определенной степени прогнозируема. Для начала сукцессии необходимо свободное пространство. Сукцессия, которая начинается на свободном ранее участке (голом грунте, скале, песке), называется первичной. Сукцессия, развивающаяся на участке, с которого было удалено предыдущее сообщество (например, вследствие природных и антропогенных катастроф), является вторичной. Вторичная сукцессия протекает быстрее, так как на ранее заселенной территории существует почва, остаются семена растений, некоторые организмы. Так, первичная сукцессия может занимать тысячелетия, а вторичная – 150–200 лет. Различают автотрофную и гетеротрофную сукцессии. Автотрофная происходит под воздействием солнечной энергии. При этом в сообществе преобладают автотрофные организмы. В ходе автотрофной сукцессии происходит усложнение сообщества, повышение устойчивости экосистем. На последних стадиях сукцессии обычно образуются стабильные сообщества. В качестве примера автотрофной сукцессии рассмотрим сукцессию, начинающуюся на лесном пожарище (рис. 20). Первый год 1 − 2 года 3 − 25 лет 25 − 100 лет Более 100 лет Рис. 20. Автотрофная сукцессия на лесном пожарище Через 1–2 года участок пожарища зарастает травой, через несколько лет появляются первые кустарники, через 20–25 лет территория покрывается лесом: сначала лиственным, а затем под сенью лиственных пород вырастают тенелюбивые хвойные, которые постепенно вытесняют лиственные. Через сто лет на участке пожарища растет хвойный лес. Гетеротрофная сукцессия характерна для тех случаев, когда в экосистеме присутствует избыток органических веществ (загрязненные водоемы, гниющие растительные останки и т.п.) В сообществе в этом случает преобладают гетеротрофные организмы, поэтому запас энергии не увеличивается, а уменьшается. Результатом гетеротрофной сукцессии является либо гибель всех организмов, либо существенное упрощение сообщества. Примером гетеротрофной сукцессии будет «старение» водоемов. При этом происходит их зарастание от берегов к центру примерно в следующей последовательности: свободноплавающие растения – погруженные низкие растения – погруженные высокие растения – высокие подводные растения – торфяное болото. Этот процесс ускоряется при поступлении в водоем биогенных элементов (соединений азота, серы и др.) из промышленных и бытовых стоков. В ходе автотрофной сукцессии экосистема претерпевает радикальные изменения. Можно выделить две основные стадии сукцессии: развивающуюся и зрелую. Эти стадии характеризуются различными свойствами и разной степенью устойчивости. В ходе сукцессии меняется отношение валовой продуктивности к расходам на дыхание (Р/Д). Для развивающихся стадий такое отношение больше 1, то есть увеличивается запас органического вещества. Это характерно для несбалансированных сообществ. В процессе сукцессии отношение Р/Д постепенно снижается. Для зрелой стадии оно приближается к 1, что характеризует устойчивые сбалансированные экосистемы. Следствием этого является низкая продуктивность высокоустойчивых систем на поздних стадиях сукцессии. В ходе сукцессии образуются более тесные связи между организмами, что ведет к усложнению трофических цепей. Зрелые системы обладают большей способностью сохранять вещества в обменном фонде. Круговороты в них в основном замкнуты. Повышение устойчивости экосистем в ходе сукцессии приводит к тому, что каждая последующая стадия длится дольше предыдущей. В табл. 3 приведено сравнение свойств систем на различных стадиях сукцессии. Таблица 3 Свойства экосистем на развивающейся и зрелой стадиях сукцессии Признаки экосистем Развивающаяся стадия Зрелая стадия >1 ≈1 Чистая продуктивность (урожай) Высокий Низкий Пищевые цепи Простые Сложные Незамкнутые Замкнутые Низкая Высокая Отношение продуктивности к дыханию (Р/Д) Круговороты веществ Скорость обмена между организмом и средой Число видов Небольшое Большое Размеры особей Небольшие Крупные Короткие и простые Длинные и сложные Низкая Высокая Высокая Низкая Жизненные циклы Степень стабильности Энтропия (неупорядоченность) Зрелые системы – самые устойчивые во времени. Но и они могут быть разрушены в ходе природных и антропогенных катастроф. Если рассматривать большие промежутки времени, то окажется, что любая сукцессия представляет собой циклический процесс. Циклы могут не полностью повторять друг друга, занимать различные промежутки времени, но цикличность сохраняется. Подобно тому, как индивидуальное развитие организма кратко повторяет развитие вида, так и эволюция экосистем повторяется в их сукцессии. Развитие идет от простого к сложному, возникают отрегулированные биогеохимические циклы. 6. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Технический прогресс, бурный рост производства в последние десятилетия привели к большому уровню загрязненности окружающей среды. На земном шаре практически невозможно найти место, где бы ни присутствовали загрязняющие вещества. Токсичные соединения обнаружены даже во льдах Антарктиды. В результате воздействия загрязнения изменяются свойства окружающей среды, происходит необратимая деградация биосферы. Загрязнение могут обуславливать химические вещества, микроорганизмы, вводимые в окружающую среду в количествах, превышающих их естественный уровень и опасных для здоровья человека. Различают загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы. Кроме этого, в последнее время большое значение приобрело загрязнение околоземного космического пространства. По масштабам загрязнения делятся на локальные (загрязнения в пределах небольшой территории), региональные (загрязняется целый регион или область) и глобальные (загрязнение всей биосферы в целом). Все загрязнения, в зависимости от их природы, можно разделить на природные и антропогенные. Природные загрязнения обусловлены естественными процессами в окружающей среде: извержением вулканов, пыльными бурями, космической пылью, выбросом нефти из подводных месторождений и др. Антропогенные загрязнения возникают в результате деятельности человека. В зависимости от типа воздействия можно выделить следующие группы загрязнений. 1. Механическое – обусловлено компонентами, оказывающими лишь механическое воздействие, без физико-химических последствий. Примером является обычная пыль, образующаяся в результате деятельности многих механизмов. Она не оказывает физико-химического воздействия на организм, но может оседать в легких, что приводит к различным заболеваниям. Еще один пример – мелкие волокна целлюлозы, выбрасываемые в водоемы со стоками целлюлозно-бумажных комбинатов. Эти химически неопасные частицы забивают органы дыхания водных организмов и нередко служат причиной их гибели. 2. Химическое загрязнение – изменение химических свойств среды в результате выброса различных соединений: оксидов серы, азота, нефтепродуктов, пестицидов и т.д. Химические загрязнители делятся на биоразлагаемые – разрушающиеся в ходе естественных процессов (например, оксиды серы, азота, углерода, вовлекающиеся в природные круговороты) и небиоразлагаемые вещества, чуждые биосфере (пестициды, детергенты и др.). Последние более опасны, так как могут накапливаться в окружающей среде. Многие загрязнители передаются по трофической цепи, концентрируясь в организме животных. Так, содержание ядовитых загрязнителей в телах хищных птиц может в 500 тысяч раз превышать содержание их в среде обитания (воде или почве). Последствиями химического загрязнения могут быть нейропсихологические отклонения, утомление, астматические заболевания, аллергии. Наиболее распространенными являются следующие загрязнители: – Оксид углерода (СО) – отравляющее вещество, содержащееся в выхлопных газах автомобилей; его действие заключается в связывании гемоглобина крови, приводящем к кислородному голоданию. Оксид углерода ослабляет мыслительную деятельность, замедляет рефлексы, вызывает сонливость. При больших концентрациях может привести к потере сознания и смерти. Отравлению СО подвержены водители при ночевке с включенным двигателем. – Оксиды серы (SO2 и SO3) – выделяются при переработке серосодержащего сырья (в промышленности, при производстве энергии), содержатся в автомобильных выбросах. Эти вещества образуют с водой кислые соединения, обуславливающие появление кислых осадков и туманов. При этом возникают многие заболевания дыхательных путей. – Оксиды азота – содержатся в выбросах автотранспорта, промышленных выбросах, для человека более вредны, чем оксиды серы. Они раздражают легкие, могут привести к летальному исходу. Опасность их состоит еще в том, что при отравлении ничего не ощущается. Оксиды азота подавляют иммунную систему, увеличивая восприимчивость организма человека к вирусным заболеваниям. – Озон – содержится в автомобильных выбросах, образуется под действием электрических разрядов. Он раздражает органы дыхания, нарушает работу легких, вызывая кашель. Может обострять хронические заболевания сердца, вызывать астму, бронхит. – Органические канцерогены – группа особотоксичных органических веществ, провоцирующих онкологические заболевания; некоторые из них даже при очень небольших концентрациях приводят к мутациям в генах. Очень опасным канцерогеном является бенз(а)пирен, содержащийся в автомобильных выбросах. – Диоксины – органические вещества, являющиеся универсальными ядами, токсичными для всего живого. Образуются при производстве красителей, гербицидов, а также при хлорировании воды и сжигании отходов. Диоксины небиоразлагаемы и способны накапливаться в окружающей среде. – Ртуть и ее соединения – вызывают нервные расстройства, нарушение функций желудочно-кишечного тракта, почек, изменения в хромосомах. – Мышьяк – является очень токсичным веществом, вызывает отравления, обуславливает онкологические заболевания кожи, невриты. – Свинец – вызывает разрушение костных тканей, нарушение нервной системы и почек, сильно влияет на наследственность, обуславливая появление дефектов у новорожденных, а также снижение умственных способностей у детей. – Другие тяжелые металлы и их соединения также очень токсичны. Кадмий приводит к циррозу почек, медь – изменениям в тканях, гепатиту, хром и никель обладают канцерогенным действием. 3. Физическое загрязнение – изменение физических параметров среды. К этому типу относятся следующие виды загрязнений. – Тепловое – избыточное поступление тепла от антропогенных источников, приводящее к повышению температуры окружающей среды. Тепловое загрязнение наблюдается вблизи теплотрасс, промышленных предприятий, в водоемах вблизи мест сброса нагретых сточных вод. В результате теплового загрязнения от различных источников температура воздуха в городе выше, чем в сельской местности, крупные города представляют собой «острова тепла». – Шумовое – превышение естественного уровня звуковых колебаний в среде. На улицах крупных городов уровень шума от транспортных потоков достигает 90–100 дБ. При уровне шума свыше 90 дБ начинают деградировать органы слуха, уровень 110–120 дБ является болевым порогом, шум в 130 дБ – разрушительный предел для человеческого уха. – Световое – нарушение естественной освещенности местности, ведущее к нарушению биологических ритмов. – Электромагнитное – изменение электромагнитных свойств среды, наблюдается вблизи линий электропередач, радио- и телепередающих станций. Вблизи линий электропередач наблюдается высокая напряженность электрического поля (так, для ЛЭП-350 напряженность поля в точке проекции на Землю составляет 3,5–5 кВ/м, для ЛЭП-500 – 10–15 кВ/м). Электромагнитное загрязнение в помещении возникает при использовании микроволновых печей, радиотелефонов, компьютеров и других бытовых приборов. При воздействии электромагнитного излучения на живой организм наблюдается тепловое разрушение тканей, при большой интенсивности излучения – изменения в генах (нарушение наследственных свойств). С увеличением частоты излучения (уменьшением длины волны) интенсивность электромагнитного воздействия возрастает. – Радиоактивное – превышение естественного уровня радиоактивных веществ в среде. Естественный радиационный фон обуславливается космическим излучением, природными изотопами (например, радон, содержащийся в подземных водах). Источниками радиоактивного излучения могут быть промышленные отходы, строительные материалы, естественные горные породы. За последние 50 лет практически все население Земли подвергалось облучению от радиоактивных осадков, образующихся при испытании ядерного оружия. Радиоактивное облако может обойти всю Землю за две недели и невозможно предсказать, где именно выпадет радиоактивный дождь. Продукты радиоактивного распада поступают в живые организмы и участвуют в обмене веществ, заменяя стабильные элементы. Радиоактивное загрязнение очень сильно влияет на наследственные свойства, вызывая мутации в генах, обуславливает разрушение тканей, возникновение онкологических заболеваний. 4. Биологическое загрязнение связано с появлением в окружающей среде необычно большого количества микроорганизмов. Причиной может быть выброс загрязняющих веществ, изменение физических параметров среды, например повышение температуры. В результате изменения условий среды мутируют многие известные микроорганизмы, просыпаются бактерии, тысячелетия находящиеся в условиях вечной мерзлоты. К этим микроорганизмам у человека нет иммунитета. Урбанизация, высокая плотность населения на сравнительно небольших участках способствуют распространению различных заболеваний, вызванных биологическим загрязнением среды. 6.1. Основные источники загрязнения Среди большого количества источников загрязнения наиболее важными являются следующие. 1. Транспорт. При сгорании топлива выделяется большое количество веществ, многие из которых токсичны. Загрязнение распространяется на атмосферу, гидросферу и литосферу. На долю транспорта приходится около 40–60 % всего загрязнения атмосферы. Большое количество загрязняющих веществ (около 200) содержится в выхлопных газах автомобилей с поршневым двигателем, работающих на бензине. Наиболее распространенными транспортными загрязнителями являются оксиды серы, углерода, азота, сажа, канцерогенные вещества. Большая часть продуктов сгорания топлива скапливается у поверхности Земли, в зоне дыхания человека. В выбросах дизельных двигателей меньше токсичных веществ, но в 5 раз больше сажи, чем в выбросах бензиновых двигателей. Большое количество загрязнителей выбрасывается в атмосферу при строительстве автомобильных дорог (токсичные углеводороды, пары растворителей, пыль). В лито- и гидросферу при работе автотранспорта поступают свинец, органические вещества, другие загрязнители. Они оседают на поверхности почвы и поглощаются растениями. Так, придорожные растения накапливают большое количество свинца (поступающего из детонатора для бензина – тетраэтилсвинца). Свинец концентрируется в тканях растений и передается далее по трофической цепи, поступая в организм растительноядных животных (например, пасущихся у дороги коров), а затем в организм человека. Еще один источник загрязнения литосферы – автомобильные шины, в процессе износа которых образуются микроскопические частицы резины. Большая часть этой резиновой пыли накапливается в придорожной полосе, где ее масса составляет около 2 % от массы почвы. Очень опасны для биосферы аварийные нефтяные выбросы. Они создают на поверхности воды пленку, не пропускающую солнечные лучи. Это приводит к гибели многих организмов и подавлению жизнедеятельности других, то есть к нарушению биологического равновесия в Мировом океане. 2. Производство энергии – следующий источник загрязнения. На его долю приходится около 25 % загрязнения атмосферы. Основное загрязнение идет от выбросов теплоэлектростанций. В атмосферу поступают оксиды серы, азота и углерода, зола, в лито- и гидросферу – соединения тяжелых металлов, шлаки, сажа. Тепловое загрязнение, возникающее при сбросе нагретых сточных вод электростанциями, обуславливает уменьшение количества растворен-ного в воде кислорода и , как следствие, цветение водоемов. Опасны также электромагнитные излучения от станций и подстанций. 3. Промышленность. Промышленные выбросы, содержащие огромное количество органических и неорганических веществ, обуславливают около 20 % загрязнения атмосферы. Токсичные вещества из промышленных выбросов могут поглощаться растениями, водными организмами и передаваться по трофической цепи, попадая в организм людей. Известны случаи массового смертельного отравления людей промышленными отходами при авариях или незапланированных выбросах. Пыль и сажа, в большом количестве образующиеся при работе промышленных предприятий, оседают в легких, изменяя их структуру. 4. Сельское хозяйство. В результате деятельности сельскохозяйственных предприятий в лито- и гидросферу выбрасываются удобрения и ядохимикаты. Эти вещества опасны для многих живых организмов, некоторые из ядохимикатов обладают канцерогенным действием. Даже нетоксичные отходы сельского хозяйства (навоз, компост) могут отрицательно влиять на природные экосистемы. Эти отходы содержат много биогенных веществ, способствующих размножению микроорганизмов. Поэтому выбросы сельскохозяйственных стоков в водоемы часто ведут к цветению и заболачиванию последних. При этом нарушаются биогеохимические циклы многих элементов. 5. Жилые дома и бытовые предприятия. Основными загрязнителями, поступающими из этих источников, являются строительный мусор, пищевые отходы, бытовой мусор. В современном городе накопление бытовых отходов составляет 250–300 кг на человека в год. Около 4 % отходов очень токсичны и представляют особую опасность для биосферы. Часть отходов являются небиоразлагаемыми и накапливаются в окружающей среде (это в первую очередь отходы пластмасс, другие синтетические вещества). Городские свалки загрязняют почву и влияют на растительность на расстоянии до полутора километров. Загрязнения разносятся со стоком и дождевыми водами. Особенно опасны отходы, содержащие тяжелые металлы, ртуть. Коммунально-бытовые сточные воды (из жилых домов, прачечных, столовых) содержат синтетические моющие средства (детергенты), а также болезнетворные микроорганизмы, ведущие к заражению водоемов и почвы. 6.2. Последствия загрязнения окружающей среды Антропогенное воздействие сильно изменяет естественные природные процессы. Глобальными последствиями загрязнения являются парниковый эффект, разрушение озонового слоя, нарушение природных круговоротов, кислые осадки. Парниковый эффект и глобальное потепление климата Парниковый эффект – это повышение средней температуры атмосферы в результате увеличения в ней концентрации «парниковых газов» (углекислого, метана, паров воды и др.), препятствующих нормальному теплообмену Земли. Причиной возникновения парникового эффекта является выброс в атмосферу больших количеств «парниковых газов». Содержащиеся в атмосфере в большом количестве азот и кислород почти не задерживают теплового излучения, исходящего от нагретой поверхности Земли. Зато «парниковые газы» – пары воды и углекислый газ – удерживают 84 % этого излучения. Наиболее важным из парниковых газов является углекислый (СО2). Увеличение его содержания в атмосфере началось еще в XIX в. и продолжается до сих пор. За последние 100 лет содержание СО2 в атмосфере возросло на 25 %. За этот же период содержание метана выросло в 2 раза. Миллиарды тонн углекислого газа ежегодно выбрасываются в атмосферу в результате сжигания топлива (в транспортных двигателях, при производстве энергии). Метан попадает в атмосферу при добыче природного газа, в результате разложения органических останков. Атмосфера, насыщенная парниковыми газами, как стеклянная крыша в парнике, пропускает солнечные лучи, но не дает уйти теплу, задерживая тепловое излучение Земли. При этом повышается средняя температура окружающей среды. Увеличение температуры ведет к уменьшению растворимости СО2 в Мировом океане, что обуславливает появление в атмосфере новых порций газа. Следствием разогрева атмосферы является таяние ледников и расширение воды, что ведет к повышению уровня Мирового океана. Уже сейчас происходит интенсивное таяние льдов Антарктиды. За последние десятилетия толщина льдов в Северном Ледовитом океане уменьшилась на 40 %. К 2030−2050 гг. при существующих темпах производства должно произойти увеличение температуры на 1,5–4,5 С, что вызовет подъем уровня Мирового океана на 50–100 см, а концу века – на 2 м. Повышение уровня Мирового океана означает затопление обширных прибрежных территорий, исчезновение небольших островов, заболачивание земель во многих районах. Это будет серьезным ударом по мировой экономике, так как большая часть населения Земли обитает вблизи океанов и морей. Еще одним следствием потепления климата будут сильнейшие ураганы, засухи, муссонные дожди, лесные пожары. Существует предположение, что резкое повышение температуры может изменить глобальную океаническую циркуляцию, следствием чего будет быстрое наступление очередного Ледникового периода (то есть быстрое глобальное похолодание). Даже очень небольшое, в пределах 1–2 С, изменение климата ведет к засухам на одних территориях, расширению пустынь и увеличению количества осадков и наводнений на других территориях. За последние 50 лет общая площадь пустынь увеличилась примерно на 9 млн км2 – территорию, равную по размерам половине Южной Америки. При изменении климата нарушается нормальная смена времен года, нарушаются биологические ритмы, что ведет к гибели многих организмов. В 1992 г. на конференции по охране окружающей среды в Рио-деЖанейро была принята конвенция ООН об изменении климата, согласно которой 25 развитых стран и стран с развивающейся экономикой должны взять на себя следующие обязательства: вернуться к выбросу парниковых газов на уровне 1990 г., предоставить финансовые ресурсы и безопасные технологии другим странам и т.д. Разрушение озонового слоя Еще одним глобальным последствием загрязнения является разрушение озонового слоя, защищающего биосферу от мощного космического излучения. Впервые озоновые дыры были обнаружены в 1975 г. над Антарктидой. В настоящее время наблюдается истощение озонового слоя над многими областями земного шара. Озоновый слой над Антарктидой за последние несколько десятков лет уменьшился на 40 %, над Северным полюсом – на 10 %. В защитном озоновом слое появилось много «дыр». Озоновые дыры обнаружены и над Россией, особенно над ее холодной частью – Сибирью. Уменьшение количества озона в атмосфере влияет на климат планеты и здоровье людей. Проникающее через озоновые дыры ультрафиолетовое излучение обладает достаточной энергией для разрушения большинства органических соединений живой клетки. В районах с пониженным содержанием озона наблюдается увеличение заболеваемости людей глазными болезнями, подавление иммунной системы, а также рост числа онкологических заболеваний. Так, американские ученые установили, что уменьшение озонового слоя на 1 % ведет к усилению ультрафиолетовой радиации на 2 % и, как следствие, учащению случаев заболевания раком кожи на 2,5 %. Под действием ультрафиолета растения постепенно теряют способность к фотосинтезу. Особенно сильно это сказывается на фотосинтетиках океана – мелком планктоне, являющихся пищей большинства рыб. Гибель планктона нарушает все трофические цепи в водных системах, что неизбежно ведет к деградации биосферы. Причина появления озоновых дыр – разрушение озона при контакте с некоторыми загрязнителями (фторхлоруглеродами – фреонами, оксидами азота), а также испытания ядерного оружия. Фреоны применяются в большом количестве в виде хладагентов в холодильниках, в качестве растворителей, распылителей в аэрозольных баллончиках. Это легкие газы, которые поднимаются в верхние слои атмосферы, где разрушаются с выделением очень активных радикалов хлора и брома, взаимодействующих с озоном. Кроме разрушения озона, фреоны также усиливают парниковый эффект, играя двойную негативную роль в атмосфере. Производство фреонов в мире очень велико. Только США выпускают 800–900 тыс. т в год – половину всего количества. Выпадение кислых осадков на больших территориях Основной причиной кислых дождей являются выбросы в атмосферу оксидов серы и азота, образующих кислоты при взаимодействии с водой. Газообразные вещества разносятся воздушными потоками на большие расстояния. В результате на многих территориях осадки приобретают кислую реакцию (рН = 5–6, зарегистрированы и осадки с рН = 2–3). Следствием этого являются закисление почв и водоемов на больших участках, гибель водных организмов, угнетение растительности и деградация природных экосистем. Из почв вымываются питательные вещества, а также и токсичные соединения, поступающие опять к живым организмам. В результате кислых осадков идет гибель лесов во всем мире. Под воздействием кислых соединений разрушаются здания, сооружения, коррозируют мосты, различные металлические конструкции, наносится вред здоровью людей. Образование смога над промышленными центрами Смог представляет собой смесь дыма, тумана и пыли, образующую над городом ядовитую дымку. Различают два основных типа смога: зимний (лондонский тип) и летний (лос-анджелесский тип). Зимний (лондонский) смог образуется над крупными промышленными центрами зимой в отсутствии ветра. При этом концентрация загрязняющих веществ достигает больших величин, что ведет к ухудшению состояния здоровья людей. В 1952 г. в результате образования смога такого типа над Лондоном, в период с 3 по 9 декабря, в городе погибло более 4 тысяч человек, примерно 10 тысяч попали в больницы. Позже подобный вид смога наблюдался над другими городами. Рассеять смог может только ветер, снижению концентрации загрязнителей способствует уменьшение их выброса. Летний (лос-анджелесский) смог называется еще фотохимическим. Он возникает летом в результате интенсивного воздействия солнечной радиации на воздух, пересыщенный автомобильными выбросами. Под воздействием солнечной энергии некоторые загрязнители (например, оксиды азота) образуют очень токсичные вещества, раздражающие легкие, желудочно-кишечный тракт и органы зрения. Этот смог характерен для городов, расположенных в низине. 6.3. Разрушение природных экосистем Выброс большого количества загрязнителей и изменения, происходящие при этом в окружающей среде, неизбежно ведут к нарушению нормальных биологически циклов и разрушению природных экосистем. Загрязнение отрицательно воздействует на почву, леса, водоемы, растительный и животный мир. Деградация почв Почва представляет собой верхний, наиболее плодородный слой земной коры. Именно в почве находится запас большинства питательных элементов, необходимых растениям. Причинами постепенной деградации почв являются интенсивное земледелие (ежегодное обеднение почв в результате сбора урожая), кислые осадки, засоление почв в процессе орошения, загрязняющие вещества. Все это уменьшает количество плодородных почв. На заре земледелия их было около 4,5 млрд га, сейчас – около 2,5 млрд га. Расширяют свои границы пустыни. Так, Сахара ежегодно продвигается на 1,5–10 м. Имеются сведения, что до появления человека пустынь на Земле не было. Они представляют собой результат нерациональной хозяйственной деятельности древних цивилизаций. Эвтрофикация (зарастание) водоемов Процесс постепенного превращения водоемов с чистой водой в болота встречается и в природе (гетеротрофная сукцессия). Но без участия человека он занимает очень большой промежуток времени (многие сотни и тысячи лет). В результате антропогенного воздействия эвтрофикация ускоряется во много раз, и в настоящее время может происходить за несколько десятков лет. Причиной этого является поступление в водоемы большого количества биогенных элементов вместе с бытовыми и промышленными сточными водами, содержащими, кроме того, синтетические моющие средства, что приводит к увеличению продуктивности мелких водных организмов и повышению их биомассы («цветение воды»). Эти мелкие организмы вырабатывают большое количество токсичного вещества. В результате ухудшается качество воды, она становится непригодной для многих водных организмов и для хозяйственного использования. Деградация лесов Леса являются важным источником кислорода, они регулируют климат планеты, поглощают ряд загрязняющих веществ и способствуют очищению атмосферы. В настоящий период в мире происходит интенсивное уничтожение лесов без их соответствующего восполнения. Леса истребляются при вырубке, пожарах, в результате воздействия загрязнителей (особенно кислых осадков). На месте вырубок начинается интенсивная эрозия почв, образуются болота. Вместе с лесами гибнет растительный и животный мир планеты. Разрушение морских экосистем Причиной деградации водных экосистем является загрязнение Мирового океана, особенно нефтепродуктами, тяжелыми металлами, детергентами (моющими средствами), радиоактивными отходами, а также воздействие ультрафиолетового излучения вследствие разрушения озонового слоя. За последнее столетие продуктивность Мирового океана сократилась на 10 %. Морские экосистемы способны самоочищаться, избавляясь от вредных веществ. Но эта способность имеет свой предел, который в ближайшем будущем будет значительно превышен. В результате произойдет гибель многих морских организмов и значительное ухудшение качества воды. Мировой океан считается «легкими планеты», именно в нем осуществляется наиболее интенсивный фотосинтез. Загрязнение океана может привести к уничтожению жизни на Земле. 6.4. Демографические проблемы Демография – наука, изучающая динамику роста народонаселения. Несмотря на ухудшение состояния окружающей среды и сокращение количества плодородных земель, в настоящее время наблюдается быстрый рост населения планеты. В начале нашей эры (ок. 2000 лет назад) на Земле проживало около 200 млн человек, в середине XVII в. – около 500 млн, в середине XX в. – уже 2,5 млрд, а в его конце – около 6 млрд человек. За 100 последних лет численность человечества возросла почти в 4 раза – с 1,65 до 6,06 млрд человек. Подобного демографического взрыва в истории человечества еще не было. Его причиной является улучшение условий жизни, успехи медицины в профилактике инфекционных заболеваний. На протяжении тысячелетий численность населения Земли не превышала 1 млрд человек. Правда, в последний период численность начинает несколько стабилизироваться, но все же остается очень высокой. Продолжает расти численность африканских и азиатских народов. Увеличивается диспропорция в обеспечении ресурсами богатых и развивающихся стран. В 1960 г. это соотношение составляло 30:1, а в 1995 – уже 80:1. Анализ тенденции изменения численности населения проводят при помощи специальных «возрастных пирамид». На оси абсцисс откла- дывают численность, на оси ординат − возрастные группы (промежутки в пять лет). Численности каждой группы соответствует горизонтальный столбик (рис. 21). Для человека величина каждого возрастного интервала принимается 5 лет. 70-75 65-69 60-65 55-59 50-54 45-49 40-44 35-39 30-34 25-29 20-24 15-19 10-14 5-9 0-4 Мужчины Женщины а) Развивающаяся популяция Мужчины Женщины б) Зрелая популяция Рис. 21. Возрастные пирамиды для развивающейся (а) и зрелой (б) популяций Возрастные пирамиды развивающихся стран резко сужаются к вершине из-за высокой смертности населения. Пирамиды развитых (зрелые популяции) сужаются более равномерно, причиной этого является качественное медицинское обслуживание и высокая выживаемость. Популяция человека обладает теми же свойствами, что и популяции других живых организмов. Ее рост ограничен количеством доступных ресурсов (емкостью биосферы). Рост численности должен носить периодический характер, взрывное увеличение численности – очень опасный процесс. По прогнозам демографов, если не принять срочные меры к уменьшению рождаемости, то к середине века численность населения Земли достигнет критической отметки – 12–15 млрд человек. Это, скорее всего, приведет к полному истощению доступных природных ресурсов и гибели всей популяции. В настоящий период принимаются определенные меры по уменьшению рождаемости, особенно актуальные для развивающихся стран, где наблюдается критическая плотность населения. К таким мерам относятся законы, регулирующие количество детей, возраст вступления в брак и т.д. Но принимаемых шагов явно недостаточно. Прирост населения в этих странах снизился всего на десятые доли процента. В природе рост численности популяций регулируется естественным путем (инфекционные заболевания, конкуренция, хищники). Выска- зываются предположения, что природа попытается отрегулировать численность населения путем появления новых инфекционных заболеваний. Согласно другой, более оптимистичной теории, развитие цивилизации подойдет к тому моменту, когда начнет действовать социологический механизм постепенного снижения численности населения, как это наблюдается в настоящий момент в развитых странах. Это позволило бы бесконфликтно сократить население до 1–1,5 млрд человек за достаточно небольшой срок в 75–100 лет. 6.5. Глобальные проблемы энергетики Кроме перечисленных проблем, связанных с резким ухудшением качества среды, перед человечеством остро стоит проблема энергетики. Основная причина энергетического кризиса – истощение традиционных источников энергии (нефти, угля, газа), а также недостаточное распространение альтернативной энергетики. Ресурсы ископаемых видов топлива в настоящее время крайне ограниченны. По оценке специалистов, доступные запасы нефти при существующих объемах потребления должны иссякнуть примерно через 30–40 лет, запасы природного газа – через 50 лет. Причем освоение новых месторождений обходится все дороже. С запасом угля дело обстоит немного лучше – их должно хватить на несколько сотен лет. Но развитие угольной энергетики влечет за собой увеличение загрязненности окружающей среды. Работающие на угле теплоэлектростанции дают 10–25 кг выбросов на каждый кВт∙ч. Развитие угольной энергетики невозможно без строительства современных очистных сооружений. Еще один выход – переработка угля в синтетические продукты (синтетические жидкие топлива, полукокс, газ), при сгорании которых выделяется значительно меньше токсичных веществ. При создавшемся дефиците частично удовлетворить потребности в энергии могут атомные электростанции. Но их основными недостатками являются образование радиоактивных отходов, а также катастрофические последствия аварий. Перспектива дальнейшего использования атомной энергетики – в повышении безопасности АЭС. В Японии, например, уровень безопасности АЭС настолько высок, что одна из крупнейших в мире АЭС Фукусима построена в сейсмоопасной зоне, в которой возможны землетрясения до 10 баллов. Наша страна еще 30–50 лет будет вынуждена использовать атомную энергетику, чтобы не превратиться в слаборазвитую. Энергетический кризис можно преодолеть путем создания энергосберегающих технологий, а также внедрения альтернативных источников энергии. Основными видами альтернативной энергетики являются следующие: – Гелиоэнергетика основана на использовании энергии Солнца. На Землю падает огромное количество солнечной энергии, в 15 тыс. раз превышающее ежегодное мировое потребление энергии. Но солнечная энергия имеет низкое качество (эксергию), ее сложно запасать и передавать на большие расстояния. Для концентрации солнечной энергии необходимы дорогостоящие приборы, содержащие множество зеркал, металла, кремний, занимающие огромную площадь. Основными установками гелиоэнергетики являются гелиоэлектростанции, солнечные батареи и элементы для производства электроэнергии, солнечные коллекторы для теплоснабжения зданий. Гелиоэнергетика рентабельна в районах с большим количеством солнечных дней в году. Крупные гелиоэлектростанции есть в Калифорнии, Испании, Израиле, Италии, Японии. Некоторые из них обеспечивают электроэнергией десятки тысяч домов. В сравнительно небольших масштабах солнечная энергия применяется в бытовых водонагревателях, некоторых приборах. – Ветровая энергетика. Ветер заключает в себе механическую энергию, которая может быть использована на ветроэлектростанциях для выработки электроэнергии. Такие станции являются рентабельными в районах с постоянными ветрами. В настоящее время большое количество ветровых установок работает в США, Дании, Голландии, Германии. Но этот вид энергии порождает некоторые проблемы: создает ультразвуковое излучение, телевизионные помехи, обуславливает массовую гибель птиц. – Гидроэнергетика основана на использовании механической энергии движущейся воды. Она играет большую роль в энергетике многих стран. Но строительство гидроэлектростанций требует затопления миллионов гектаров ценных сельскохозяйственных земель, разрушения большого количества экосистем. Кроме этого, во многих развитых странах осталось мало возможностей для строительства ГЭС. В связи с этим большой интерес вызывает строительство приливных электростанций, использующих энергию приливов и отливов, океанских течений. Приливные электростанции (ПЭС) уже появились в западных странах. У России имеются большие ресурсы для развития ПЭС в северных морях. – Геотермальная энергия может быть использована в областях современного вулканизма, где горячие подземные воды поднимаются к поверхности и выходят в виде термальных источников. Для этого строятся следующие установки: геотермальные электростанции, геотермальные установки (использующие энергию подземных вод), тепловые насосы. Такие станции работают и оправдывают себя в США, Японии, Италии, в Мексике и на Филлипинах. – Биоэнергетика основана на использовании биологического сырья: биогаза, образующегося при разложении растительных и животных отходов без доступа воздуха, мусоросжигающих установок и т.д. Образующийся газ может быть использован для обеспечения энергией жилых домов. Использование альтернативной энергетики в настоящий момент достаточно ограниченно и не всегда рентабельно. Но наиболее дальновидные страны постепенно перестраивают свою энергетику, вкладывая значительные средства в развитие альтернативных источников. 7. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ Если качество природной среды не соответствует нормативным требованиям, необходимо проводить специальные мероприятия по защите окружающей среды. Для этого необходима информация о фактическом состоянии природных объектов. Для эффективного управления качеством окружающей природной среды организована система экологического мониторинга. Мониторинг состояния окружающей среды – система непрерывных наблюдений за состоянием среды и прогнозирование изменений этого состояния. Объектами мониторинга могут быть природные, антропогенные и природно-антропогенные экосистемы. Биосфера Земли постоянно меняется. Естественные изменения изучаются геофизическими службами: гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, гравиметрической, магнитометрической и т.п. Чтобы на фоне естественных изменений выявить антропогенные процесс-сы, необходимы постоянные наблюдения. Различают следующие основные уровни мониторинга. Глобальный мониторинг – на уровне всей планеты. При этом ведется наблюдение за всей биосферой в целом, решаются задачи планетарного порядка. Глобальный мониторинг осуществляется на базе международного сотрудничества, его базой является современная вычислительная и космическая техника. По вопросам мониторинга биосферы с 1974 г. проводятся межправительственные совещания. За каждой страной закреплены определенные объекты мониторинга. Национальный мониторинг – в пределах отдельных государств (например, мониторинг Российской Федерации). Региональный мониторинг – на уровне отдельных регионов (например, мониторинг Омской области). Локальный мониторинг – на уровне населенных пунктов. Импактный мониторинг – точечный мониторинг источников загрязнения и опасных зон. В зависимости от целей и объектов мониторинг можно разделить на санитарно-гигиенический, экологический и климатический. Санитарно-гигиенический мониторинг представляет собой контроль над загрязнением окружающей среды и сопоставление ее качества с ПДК. Основными показателями в санитарно-гигиеническом мониторинге являются: – комплексные оценки санитарного состояния природных объектов (выраженные в баллах, процентах или других единицах); – индексы загрязнения (ИЗ); общий принцип расчета индексов загрязнения следующий: вначале определяется степень отклонения каждого загрязнителя от его ПДК, затем полученные величины объединяются в суммарный показатель. По полученным результатам делается вывод о санитарногигиеническом состоянии объекта. Экологический мониторинг имеет целью оценку и прогноз антропогенных изменений в экосистемах и ответной реакции на них живых организмов. При этом основное внимание уделяется изучению всей экосистемы, а не только отдельных популяций живых организмов. В качестве критериев в экологическом мониторинге используются следующие: – сбалансированность процессов образования продукции и деструкции; – величина первичной продуктивности; – скорость круговорота веществ. Основной целью экологического мониторинга является определение отклика экосистем на антропогенные нарушения. Для этого используют различные индексы, основанные на теории информации. Примером может служить индекс видового разнообразия Шеннона (Н): sN N H i log 2 i ; i 1 N N где N – общее число особей; s – число видов; Ni – число особей i-го вида. Этот индекс отражает тот факт, что при любом негативном воздействии разнообразие видов в биоценозе уменьшается, а численность устойчивых видов возрастает. Так, на незагрязненных участках индекс Шеннона может быть равен 2,0 – 5,0, в то время как на аналогичных загрязненных участках он составляет 0,1 – 1,9. Кроме снижения численности, реакцией экосистемы на загрязнение может быть снижение ее устойчивости, что также определяется специальными индексами и функциями. Особенностью экологического мониторинга является то, что малозаметные при изучении одного организма эффекты приобретают большое значение при рассмотрении всей экосистемы в целом. Климатический мониторинг – служба контроля и прогноза колебаний климатической системы. Структуру системы мониторинга можно представить с помощью четырех основных блоков: «наблюдение за состоянием окружающей среды», «оценка фактического состояния среды», «прогноз будущего состояния среды», «оценка прогнозируемого состояния среды». Процесс мониторинга лежит в основе управления качеством окружающей среды (рис. 22). Система мониторинга окружающей среды Наблюдение за состоянием окружающей среды Управление качеством окружающей среды Оценка фактического состояния среды Регулирование качества среды Прогноз будущего состояния среды Оценка прогнозируемого состояния среды Прямая связь Обратная связь Рис. 22. Структура системы мониторинга Основные способы наблюдения за состоянием окружающей среды: 1. Контрольно-замерные станции – специально оборудованные лаборатории, которые бывают передвижными и стационарными. В России с конца 60-х гг. действует общегосударственная станция наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды. Наблюдения ведутся на трех уровнях: – локальном (локальные контрольно-замерные станции и вычислительные центры обработки информации); – региональном (обработка всей поступающей от локальных станций информации на региональном уровне); – государственном – главный центр обработки данных. 2. Автоматизированные системы слежения за качеством окружающей среды – электронные, полностью автоматизированные системы наблюдения, позволяющие оперативно отслеживать изменения состояния среды в автоматическом режиме. Автоматические системы фиксируют залповые, аварийные выбросы в различное время суток, не прерывая свою работу в праздничные и выходные дни. 3. Биологическая индикация – перспективный метод наблюдения за состоянием среды. Она основана на реакции различных организмов на загрязнение окружающей среды. Биологическая индикация лежит в основе биомониторинга – наблюдение за качеством окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых организмов. Например, биомониторинг водной среды, применяемый Росгидрометом, оценивает состояние планктона, безпозвоночных и других мелких организмов. Качество воздуха оценивается при помощи лишайников, деревьев и кустарников, их состояния, биомассы и окраски. В некоторых случаях биоиндикация становится незаменимым источником информации. Так, например, при быстром разложении пестицидов трудно иначе оценить их исходные концентрации в почве. Биоиндикаторы выбирают с учетом следующих особенностей: – быстрота реакции; – надежность (ошибка менее 20 %); – простота наблюдения; – мониторинговые возможности (постоянное присутствие в среде). Чаще всего применяют следующие растения-индикаторы (так называемые тест-организмы): – одноклеточные зеленые водоросли; – простейшие (например, инфузория-туфелька); – членистоногие (рачки-дафния); – мхи и лишайники; – цветковые. При биоиндикации сравнивают состояние тест-организмов с контрольными экземплярами. Например, при загрязнении почвы солью на листьях липы появляются черные пятна. Загрязнение атмосферы сернистым газом обуславливает пятна на листьях подорожника. 4. Индикаторы неживой природы (снег, торф)также позволяют судить о состоянии окружающей среды. Например, исследование снега проводится вблизи предприятия в конце зимы, полученные результаты затем пересчитывают на единицу времени и экстраполируют на год. 5. Методы дистанционного наблюдения (космические системы, спутники, и т. п.) широко применяют для оценки глобальных изменений биосферы. Особенно эффективны системы трехуровнего наблюдения с помощью спутниковых систем, самолетов и наземных служб. На основе наблюдаемого состояния среды строится прогноз об ее будущем состоянии. Задачи экологического прогнозирования состоят в разработке прогнозирующих моделей и оценке достоверности прогнозов. При составлении экологических прогнозов используются разнообразные методы исследования: сравнительный, метод аналогий, экстраполярный и т.п. Методы прогнозирования будущего состояния экосистем можно разделить на качественные и количественные. Качественные – основываются на логическом анализе объектов, используя установленные закономерности. Количественные – заключаются в математическом анализе построенных моделей сложных систем. Чаще всего разрабатываются модели промышленных объектов и территорий с разной глубиной их проработки. Моделирование обычно осуществляется на двух уровнях: – первый уровень обеспечивает моделирование технологических процессов отдельных производств с учетом их локального воздействия на окружающую среду; – второй уровень представляет собой эквивалентное моделирование на основе общих показателей работы групп промышленных объектов целого административного региона с целью оперативного прогнозирования экологической обстановки. Модели могут быть детерминированными (давать точный прогноз состояния системы) и вероятностными (предсказывать события с некоторой долей вероятности). При моделировании строят поля загрязнения (по данным прямых измерений или в результате решения ряда уравнений, описывающих рассеяние примесей). На основе этого оценивается экологическая ситуация в регионе. Выводы, сделанные на основе моделей, могут носить объяснительный характер (т.е. объяснять ситуации в прошлом) и прогнозировать ситуации в будущем. На основе новых данных и сведений модели модифицируются; весь процесс повторяется циклически по тому же контуру. Таким образом, любая модель носит временный характер. Нет единственно правильной модели. Анализ прогнозируемого состояния экосистем позволяет выбирать приоритетные природоохранные мероприятия. Раздел 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА «ТЕРМИНО-ПОНЯТИЙНЫЙ АППАРАТ» Ответы на вопросы являются названиями терминов. Номера вопросов соответствуют номерам в раздаточном материале специальных кроссвордах (прил. 3). Слово, вставляемое в кроссворд, может быть существительным или прилагательным в именительном падеже, в единственном или во множественном числе. Если термин является словосочетанием, в кроссворд вставляется одно из слов. Контрольные вопросы 1.Наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. 2.Безразмерная устойчивая система компонентов живой и неживой природы, связанных потоками вещества, энергии и информации. 3.Неживая составляющая экосистемы. 4.Область распространения живого вещества на Земле и само живое вещество. 5.Газовая оболочка Земли. 6.Водная оболочка Земли. 7.Твердая оболочка Земли или земная кора. 8.Совокупность живых организмов, присутствующих в данной экосистеме. 9.Зона в атмосфере, защищающая все живое вещество Земли от ультрафиолетового излучения. 10.Совокупность популяций, входящих в биогеоценоз. 11.Относительно однородное жизненное пространство, занятое одним биоценозом. 12.Экосистема на определенном участке земной поверхности. 13.Крупная экосистема, включающая множество биогеоценозов. 14.Совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, внутри которого происходит обмен генетической информацией. 15.Место обитания популяции. 16.Совокупность генов, характеризующих данный вид организмов. 17.Изменение наследственных свойств организма при нарушении процесса передачи генетической информации. 18.Способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменившихся условиях среды. 19.Вид устойчивости экосистемы, характеризующийся ее способностью сопротивляться нарушениям, оставаясь неизменной. 20.Вид устойчивости экосистемы, характеризующийся ее способностью быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функции. 21.Последовательная необратимая смена биоценозов под действием природных и антропогенных факторов. 22.Способность экосистемы противостоять внешним воздействиям и сохранять свою структуру и функциональные особенности. 23.Процесс преобразования бактериями химической энергии реакций окисления в энергию синтеза органических веществ. 24.Процесс превращения солнечной энергии в химическую путем синтеза органических соединений из неорганических веществ. 25.Организмы, неспособные создавать собственное органическое вещество из неорганических компонентов. 26.Организмы, которые в зависимости от условий среды способны и синтезировать органическое вещество, и потреблять вещество, созданное другими видами. 27.Организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических. 28.Перенос энергии пищи через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими. 29.Организмы в цепи питания, питающиеся готовым органическим веществом, но не доводящие его разложения до простых минеральных соединений. 30.Организмы в цепи питания, перерабатывающие отходы жизнедеятельности других организмов в простые минеральные компоненты. 31.Организмы в цепи питания, способные продуцировать органическое вещество из неорганического. 32.Общее количество органического вещества, производимого популяцией или сообществом за единицу времени на единицу площади. 33.Графическое изображение структуры трофической цепи, показывающее соотношение между ее компонентами. 34.Любые условия среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы. 35.Совокупность свойств неживой природы. 36.Совокупность воздействий жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других и на среду обитания. 37.Факторы, представленные различными характеристиками почв. 38.Совокупность природных условий, присущих данной территории. 39.Условия среды, характеризующие ее химический состав. 40.Факторы, связанные с рельефом местности, высотой над уровнем моря. 41.Факторы, характеризующие влияние животных на другие живые организмы. 42.Факторы, характеризующие влияние растений на другие живые организмы. 43.Условия среды, характеризующие воздействие микроорганизмов на другие живые организмы. 44.Факторы, ограничивающие жизнедеятельность организма. 45.Факторы, которые характеризуют воздействие жизнедеятельности человека на другие живые организмы. 46.Величина выносливости организма к данному фактору. 47.Способность вида адаптироваться к отдельным факторам или их комплексу. 48.Наследственно закрепленные особенности живых организмов, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность при изменении уровня экологических факторов. 49.Совокупность территориальных и функциональных характеристик среды обитания, соответствующих требованиям данного организма или вида. 50.Часть биосферы, преобразованная человеком в техногенные объекты. 51.Относительно однородная территория, на которой наблюдается закономерное повторение тождественных участков. 52.Внесение в среду нехарактерных для нее компонентов, а также превышение естественного уровня этих компонентов в среде. 53.Процесс преобразования естественных ландшафтов в искусственные под влиянием городской застройки. 54.Введение в окружающую природную среду компонентов, вызывающих изменение ее химических свойств. 55.Внесение в окружающую природную среду компонентов, оказывающих лишь механическое воздействие без изменения ее физикохимических свойств. 56.Изменение физических параметров окружающей среды. 57.Появление необычно большого количества микроорганизмов в экосистеме. 58.Вещества, применяемые для уничтожения сорняков. 59.Синтетические поверхностно-активные вещества, употребляемые как моющие средства и эмульгаторы. 60.Вещества, используемые для уничтожения насекомых-вредителей. 61.Галогеносодержащие высоколетучие вещества, разрушающие озоновый слой Земли. 62.Вещества, используемые для борьбы с сорняками, вредителями, болезнями сельскохозяйственных растений. 63.Воздействие на состав и структуру популяций живых организмов. 64.Внесение в окружающую среду веществ, чуждых естественным биоценозам. 65.Изменение световых, шумовых, тепловых и другие параметров окружающей среды под влиянием антропогенного воздействия. 66.Видимые загрязнения воздуха, обусловленные присутствием в нем мельчайших частиц пыли, сажи, золы и т.д. 67.Повышение средней температуры атмосферы из-за увеличения содержания в ней углекислого газа и некоторых других веществ. 68.Средства существования людей, которые они не создают, а находят в природе. 69.Средства существования людей, количество которых по мере их изъятия неуклонно уменьшается. 70.Совокупность космических, климатических, воздушных и водных ресурсов. 71.Ресурсы, темп расхода которых соответствует темпу их восстановления. 72.Ресурсы, которые совершенно не восстанавливаются или восстанавливаются значительно медленнее, чем идет их использование человеком. 73.Воздействие человека на природу. 74.Система деятельности, призванная обеспечить экономное использование природных ресурсов и их воспроизводство с учетом перспективных интересов народного хозяйства и нанесения наименьшего вреда природе. 75.Непригодные для производства данной продукции компоненты сырья или возникающие в ходе технологических процессов вещество и энергия, не использующиеся в данном производстве. 76.Вид природопользования, при котором наносится значительный ущерб окружающей среде. 77.Антропогенная деятельность, способная вызвать экологическую катастрофу. 78.Совокупность данных о качественном и количественном состоянии природных ресурсов и их эколого-социально-экономическая оценка. 79.Противозаконное действие, основной составляющей которого является нанесение вреда природе. 80.Сфера разума высшая стадия развития биосферы. 81.Совокупность параметров окружающей среды, удовлетворяющая экологической нише человека. 82.Система наблюдений за изменениями состояния окружающей среды и прогнозирование развития этих изменений. 83.Предельный уровень качества среды, при выходе за который начинаются необратимые изменения в экосистемах. 84.Значение показателей качества среды, не подвергавшейся антропогенным воздействиям. 85.Параметры качества среды, определяемые санитарно-гигиеническими и экологическими нормативами. 86.Участок территории, в пределах которого временно запрещены отдельные формы хозяйственной деятельности. 87.Биогеоценоз или совокупность биогеоценозов, не подвергавшихся антропогенным воздействиям. 88.Предельно допустимые уровни антропогенных воздействий, превышение которых создает опасность для природной среды и здоровья человека. 89.Максимальная концентрация вредного вещества, при которой еще не происходит нарушение деятельности человеческого организма. 90.Деятельность по установлению нормативов предельно допустимых воздействий человека на природу. 91.Нормативы содержания вредных веществ в окружающей среде, не нарушающие гомеостатические механизмы саморегуляции экосистем. 92.Нормативы, ограничивающие выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. 93.Нормативы, ограничивающие выбросы загрязняющих веществ в гидросферу. 94.Государственная система, являющаяся наиболее полным источником объективной информации об окружающей среде. Библиографический список Основной 1. Новиков Ю.В. Охрана окружающей среды, 1990. 2. Стадницкий Г.В. Экология / Г.В. Стадницкий, А.И. Родионов. М.: Высшая школа, 1988. 272 с. 3. Туренко Ф.П. Аспекты экологии: Учебное пособие для технических вузов / Ф.П. Туренко. Омск: Изд-во СибАДИ,1999. 64 с. Дополнительный 1. Вронский В.А. Прикладная экология: Учебное пособие. Ростов н/Д: Изд-во «Феникс», 1996. 512 с. 2. Вронский В.А. Экология: Cловарь-справочник / В.А. Вронский. Ростов н/Д: Изд-во "Феникс", 1999. 576 с. 3. Защита окружающей среды от техногенных воздействий: Учебное пособие / Под общ. ред. Г.Ф.Невской. М.: Изд-во МГУ, 1993. 216 с. 4. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Ростов н/Д: Изд-во «Феникс», 2000. 576 с. 5. Одум Ю. Экология: Пер. с англ. Т.12. М.: Мир, 1986. С. 328, 376. 6. Реймерс Н.Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Россия молодая, 1994. 367 с. 7. Рохлов В.С. Экология: Популярный словарь / В.С. Рохлов, В.Н. Беляев. М.: Издательский центр «Академия», 1997. 96 с. 8. Цветкова Л.И. Экология: Учебник для технических вузов / Л.И. Цветкова, М.И. Алексеев, Б.П. Усанов и др. М.: Изд-во АСВ; СПб.: Химиздат, 1999. 488 с. Приложение 1 Пример оформления титульного листа контрольной работы по экологии Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Контрольная работа по экологии на тему … Выполнил: ФИО студента, (№ зачетки) Проверил: ФИО преподавателя Омск, год Приложение 2 Вопросы к зачету по общей экологии 1. 2. 3. 4. 5. Понятие об экологии. Связь экологии с другими науками. Строение географической оболочки Земли. Биосфера. Эволюция биосферы. Биотехносфера. Учение Вернадского о ноосфере. Экосистема и биогеоценоз (различие в понятиях). Приложение 3 6. Схема строения биогеоценоза. Биом. 7. Описание процесса фотосинтеза. 8. Процесс дыхания. 9. Хемосинтез. 10. Общие цепи питания организмов (трофические цепи). 11. Передача энергии по трофической цепи. 12. Продуктивность экосистемы. 13. Экологические пирамиды. 14. Круговорот веществ в биосфере. Геологический круговорот. 15. Круговорот веществ в биосфере. Биотический (малый) круговорот. 16. Термодинамика процессов живой природы. Негэнтропия. 17. Гомеостаз и устойчивость экологических систем. Сукцессия. 18. Экологические факторы среды (общая классификация). 19. Абиотические факторы. 20. Биотические факторы. 21. Законы минимума и максимума. 22. Закон толерантности. 23. Экологическая валентность (пластичность). 24. Адаптации, жизненные формы. 25. Экологическая ниша организма. 26. Природные ресурсы и их классификация. 27. Принципы рационального природопользования. Безотходные технологии. 28. Загрязнение окружающей среды. Классификация загрязнений. 29. Экологический мониторинг. 30. Государственная экологическая экспертиза; лицензирование природопользования. Сертификация. 31. Ответственность за экологические правонарушения. Варианты кроссвордов для выполнения практической работы Учебное издание Федор Петрович Туренко Лилия Федоровна Тихомирова Елена Вячеславовна Алексеенко ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие *** Редактор Н.И.Косенкова *** *** Подписано к печати 10.10.2007 Формат 6090 1/16. Бумага писчая Оперативный способ печати Гарнитура Times New Roman Усл. п. л. 8,0 , уч.-изд. л. 8,0 Тираж 260 экз. Заказ № ___ Цена договорная Издательство СибАДИ 644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, 10 ________________________________________ Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ 644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, 10
