1. экология как наука - Томский политехнический университет

Министерство образования Российской Федерации
Томский политехнический университет
М.Э. Гусельников, В.Н. Стройнова
БИОЭКОЛОГИЯ
Учебное пособие
Томск 2002
УДК 574
ББК 28.088
М 14
Гусельников М.Э.., Стройнова В.Н. Биоэкология: Учебное пособие. –
Томск: Изд. ТПУ, 2002. – 104 с.
В учебном пособии рассмотрены терминология дисциплины,
устройство и принципы функционирования биосферы, экология организма,
популяций и экологических систем. Кроме того, в пособии освещено
взаимодействие человека и человечества с окружающей средой, рассмотрены
вопросы природопользования, загрязнений атмосферы, гидросферы,
литосферы, последствии и пути снижения данных загрязнений.
Работа подготовлена на кафедре экологии и безопасности
жизнедеятельности для студентов специальности 330200 «Инженерная
защита окружающей среды» Института дистанционного образования ТПУ.
Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета
Томского политехнического университета.
Рецензенты
С.Н. Кирпотин - декан биолого - почвенного факультета Томского
государственного университета, кандидат биологических
наук;
В.П. Перевозкин- доцент
кафедры
экологии и биологии Томского
государственного педагогического университета, кандидат
биологических наук.
Темплан 2002
© Томский политехнический университет, 2002
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие современного общества связано с возрастающим
использованием природных ресурсов. По выражению академика В.И.
Вернадского [3], «человек становится крупнейшей геологической силой,
меняющей облик нашей планеты». При этом создаются структуры,
являющиеся симбиозом природных и технических комплексов,
распространение которых во многом определяет состояние природных
комплексов, процессы распределения вещества и энергии, баланс между
природообразующими сферами: атмосферой, гидросферой и литосферой.
При некомпетентном синтезе подобных структур возникают процессы,
приводящие к кризисным явлениям в биосфере и разрушению системы
жизнеобеспечения Земли, в том числе и населяющего ее человечества. В
связи с этим изучение изложенных в данном учебном пособии законов
функционирования биосферы является актуальной задачей.
Предлагаемое учебное пособие представляет собой курс лекций и
контрольных вопросов по дисциплине «Биоэкология» для студентов,
обучающихся в Институте дистанционного образования ТПУ. Учебное
пособие подготовлено в соответствии с требованиями, предъявляемыми
ГОСом по направлению 330200 «Инженерная защита окружающей среды».
Пособие содержит 17 лекций, в которых изложены вопросы устройства
и принципов функционирования биосферы, экологии организма, популяций
и экологических систем, а также тестовые задания. Кроме того, в пособии
рассмотрено взаимодействие человека и человечества с окружающей их
средой, обсуждены вопросы природопользования, загрязнений атмосферы,
гидросферы, литосферы, последствий и путей снижения данных загрязнений.
Авторы пособия с желанием воспримут замечания и предложения,
направленные на совершенствование данной работы.
3
1. ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА
Предмет изучения экологии
Экология – это наука, изучающая взаимосвязи между организмами и
окружающей их средой, а также условия существования этих организмов.
Как наука экология зародилась во второй половине XIX в., после научных
трудов естествоиспытателей, биологов, зоологов: Дарвина, Геккеля,
Гумбольдта, Рулье. Экология относится к естественным наукам, использует
достижения и методы познания физики, химии, математики. Например,
развитие живых систем подчиняется законам термодинамики открытых
систем, круговорот веществ
описывается законами химии, законы
наследственности, миграция животных, динамика популяций описаны с
помощью теории вероятностей. Кроме того, экология включает элементы
геологии и геофизики (эволюция Земли), биологии (законы развития живых
организмов), генетики (законы наследственности живых организмов),
физиологии и социологии человека.
Со времени своего рождения эта наука претерпела существенные
изменения и продолжает бурно развиваться в наши дни. В настоящее время
предмет экологии как науки составляют следующие компоненты:
1. Живые системы и их взаимодействие со средой обитания.
2. Природа в целом и взаимодействие ее с обществом.
3. Особый общенаучный подход к исследованию проблем
взаимодействия организмов, биосистем и среды (экологический подход).
4. Научные и практические проблемы взаимоотношений человека и
природы (экологические проблемы).
Структура экологии. Системность жизни
Структуру современной экологии иллюстрирует рис.1.1. Современную
экологию представляют четыре больших раздела: биоэкология, геоэкология,
прикладная экология, социальная экология. В нашем курсе будет кратко
изучаться каждый из этих разделов. Учеными установлено, что жизнь на
Земле имеет системное строение. То есть жизнь существует в форме
самоподдерживающихся и саморегулирующихся систем. Поскольку жизнь на
Земле имеет системное строение, для экологии характерно исследование
своих объектов как СИСТЕМ. Причем живые системы являются
незамкнутыми (открытыми) и подчиняются законам термодинамики
открытых систем. СИСТЕМА - это множество одинаковых элементов,
взаимодействующих друг с другом и образующих целостное единство.
Выделяют материальные и абстрактные системы. Материальные системы
разделяются на неорганические (физика, химия, геология) и органические
живые (биологические, социальные, экосистемы, популяции, организмы).
4
ЭКОЛОГИЯ
БИОЭКОЛОГИЯ
ГЕОЭКОЛОГИЯ
ПРИКЛАДНАЯ
ЭКОЛОГИЯ
СОЦИАЛЬНАЯ
ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ
ОРГАНИЗМА
ЭКОЛОГИЯ
СУШИ
ИНЖЕНЕРНАЯ
ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ
ПОПУЛЯЦИИ
ЭКОЛОГИЯ
МОРЯ
ПРИРОДО ПОЛЬЗОВАНИЕ
ЭКОЛОГИЯ
ГОРОДА
(УРБОЭКОЛОГИЯ)
ЭКОЛОГИЯ
СООБЩЕСТВА
ЭКОЛОГИЯ
ВЫСОКОГОРИЙ
ГЛОБАЛЬНАЯ
ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ
СЕВЕРА
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ
ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ
ЛИЧНОСТИ
ЭКОЛОГИЯ
ЧЕЛОВЕЧЕСТВА
Рис. 1.1. Структура современной экологии
Абстрактные системы: логические, языковые, математические. Системы
характеризуются иерархией и упорядоченностью элементов. Количественные
меры порядка - информация I, энтропия S. Причем I пропорционально 1/S.
Сама система может быть частью более сложной системы (подсистема). Или
в нее могут входить как составные части другие системы (надсистема).
Пример систем в физике: система с распределенными параметрами, с
сосредоточенными параметрами, система взаимодействующих тел.
Общесистемные законы
Как мы будем изучать экологию? Живые системы отличаются
размером, способами взаимодействия с окружающей средой, способами
внутренних связей. В общем случае системы различаются степенью
организации. Биосфера Земли имеет более высокую организацию, чем
популяция. Существует определенная иерархия систем - подчиненность
сверху вниз. В наших лекциях мы будем продвигаться сверху вниз - от
биосферы до организма, от высокого уровня организации систем к низкому.
Все системы области распространения жизни на Земле – БИОСФЕРЫ представлены на рис. 1.2. Они подчиняются законам физики, химии,
генетики, экологии. Все живые незамкнутые системы подчиняются теории
систем и законам термодинамики открытых систем.
5
IV уровень
БИОСФЕРА
ЭКОСИСТЕМА
ЭКОСИСТЕМА
ЭКОСИСТЕМА
ПОПУЛЯЦИЯ
ПОПУЛЯЦИЯ
ПОПУЛЯЦИЯ
III уровень
II уровень
.
I уровень
ОРГАНИЗМЫ
ОРГАНИЗМЫ
ОРГАНИЗМЫ
Рис. 1.2. Иерархия и биосферные функции живых систем
I уровень: обмен веществ и энергии по трофическим цепям;
II уровень: стабильное воспроизводство вида и его участие в круговороте;
III уровень: устойчивый круговорот вещества и энергии, поддерживается
многими видами растений и животных;
IV уровень: глобальные биогеохимические циклы.
Основные из них: закон подобия части и целого, закон необходимого
разнообразия, закон минимума диссипации энергии.
ЗАКОН ПОДОБИЯ ЧАСТИ И ЦЕЛОГО: часть является миниатюрной
копией целого, поэтому все части одного уровня иерархии систем похожи.
Например, модель атома Резерфорда похожа на солнечную систему, или
сложный многоклеточный организм похож на одноклеточный, поскольку
генетически каждая клетка содержит информацию об организме.
6
ЗАКОН НЕОБХОДИМОГО РАЗНООБРАЗИЯ. Никакая система не
может состоять из абсолютно идентичных элементов. Например, атомы в
кристаллической решетке различаются положениями в решетке; электроны
на одной орбите - направлениями спина (принцип Паули).
ПРАВИЛО КОНСТРУКТИВНОЙ ЭМЕРДЖЕНТНОСТИ: надежная
система может быть сложена из ненадежных элементов или подсистем,
неспособных к самостоятельному существованию. Например, муравейник
или пчелиный рой.
ТЕОРЕМА СОХРАНЕНИЯ УПОРЯДОЧЕННОСТИ: в открытых
системах (каковыми являются все живые системы) энтропия не возрастает, а
падает до определенной постоянной величины S0 > 0 либо остается
постоянной. Следовательно, информация I возрастает до определенной
величины I0 > 0 или остается постоянной. То есть система стремится
сохранить упорядоченность, используя приток энергии из окружающей
среды.
ЗАКОН МИНИМУМА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ или ЭКОНОМИИ
ЭНЕРГИИ: если процесс может развиваться в нескольких направлениях,
допускаемых законами термодинамики, то процесс пойдет в направлении
минимального рассеяния энергии (или минимального роста энтропии).
Эти всеобъемлющие законы справедливы для любых систем, как
живых, так и неживых.
При изучении экологии используются следующие основные термины
и определения:
БИОСФЕРА - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю
совокупность живых организмов и ту часть вещества, которая находится с
ними во взаимодействии. Учение о биосфере разработал в 1926 г. академик
Вернадский. Он понимал под биосферой область существования живого
вещества.
ЭКОСИСТЕМА - совокупность совместно обитающих различных
видов организмов и условий их существования, находящихся в тесной
непрерывной взаимосвязи друг с другом. Экосистема существует достаточно
изолированно от остальной части биосферы. Она включает в себя ландшафт,
водоемы, растения и животных. По размерам экосистемы могут быть
разными - от дерева до Земли. Биосфера Земли называется глобальной
экосистемой.
7
ПОПУЛЯЦИЯ - совокупность особей одного вида, находящихся во
взаимодействии между собой, имеющая совместно произведенное потомство
и населяющая одну территорию. Популяция функционирует в одной
экосистеме и является частью сообщества. Могут быть растительные и
животные популяции.
СООБЩЕСТВО - совокупность взаимодействующих между собой
популяций, живущих в одних климатических условиях внутри одной
экосистемы. Например, насекомые и суслики в степи служат пищей птицам и
волкам.
ВИД – совокупность особей (живых организмов), способных иметь
совместное, способное к репродуктивным функциям, потомство.
ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ – состоит из органического вещества,
отличается обменом веществ с окружающей средой и способностью к
воспроизведению себе подобных.
Методы экологии как науки
При изучении экологии используются следующие методы:
1. Описательный, когда наука описывает внешние связи и поведение
объекта. Реализовался начиная с античных времен в ботанике, географии,
зоологии.
2. Функциональный или метод “черного ящика”. Позволяет
предсказать поведение выделенного объекта на основе наблюдения и анализа
входных и выходных данных черного ящика. При этом отсутствует анализ
внутренней структуры черного ящика.
3. Аналитический подход. Изучается внутренняя структура объекта,
состоящего из более простых элементов.
4. Системный (экологический) подход является основным методом
познания современной экологии как науки.
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД - это метод научного познания, в основе
которого лежит представление об изучаемых объектах как системах.
Исследователь должен изучать типы связей внутри системы, взаимодействие
систем с другими системами, строить общую теоретическую картину связей.
Системный подход применяется не только в экологии, но и в кибернетике,
технике, управлении, экономике. Пример системного подхода в экологии
приведен на рис. 1.3. Экосистема мысленно расчленяется на объект и
окружающую среду, при этом изучаются взаимодействия между ними обмен веществом, энергией и информацией, их составные элементы,
поведение и изменение системы со временем - динамика.
8
ОБМЕН ЭНЕРГИЕЙ
ОБМЕН
ИНФОР-
ОБМЕН
ЖИВАЯ
СИСТЕМА
МАЦИЕЙ
ВЕЩЕСТВОМ
ОКРУЖАЮЩАЯ
СРЕДА
ВРЕМЯ
Рис. 1.3. Системный подход, как метод познания экологии.
Эксперименты в экологии до сих пор имели отрицательные
последствия для биосферы Земли. Например, вырубка лесов с целью
приобретения пахотных земель привела к опустыниванию почв. Тысячи лет
назад на месте Сахары была буйная растительность.
В наши дни особо важным компонентом предмета экологии как науки
становится окружающая среда, а именно
экологические проблемы
взаимодействия человека и окружающей среды. Экологические проблемы
включают загрязнение окружающей среды, истощение пищевых и
энергетических ресурсов биосферы, нарушение устойчивости и снижение
разнообразия видов (Красная книга). Решением экологических проблем
должны заниматься как отдельные люди, так и крупные организации.
9
Таким образом, современная экология как наука включает в себя не
только методы изучения других естественных наук, но и формирует в
сознании нынешнего поколения ответственность перед будущими
поколениями за состояние окружающей среды и здоровье людей. Последнее
связывает экологию с этикой, культурой, психологией.
Цели и задачи курса.
Курс лекций рассчитан на семестр и состоит из трех модулей:
1. Биоэкология - 9 лекций.
2. Влияние деятельности человека на биосферу - 5 лекций.
3. Методы инженерной защиты окружающей среды - 3 лекции.
Цель курса: изучение основных законов экологии как науки, усвоение
терминологии, изучение закономерностей поведения экосистем разного
ранга, осознание современных экологических проблем, знание методов
защиты окружающей среды.
Задачи курса:
1. Необходимость бережного отношения к природе.
2. Знать основные термины и законы экологии.
3. Знать методы инженерной защиты окружающей среды.
4. Владеть принципами здорового образа жизни.
ТЕСТ
1. Живые системы подчиняются одновременно:
1. Закону подобия части и целого, первому началу термодинамики.
2. Второму началу термодинамики, теореме сохранения упорядоченности.
3. Закону необходимого разнообразия, теореме сохранения
упорядоченности.
2. Выберите дисциплину, входящую в состав экологии:
1. Химия.
2. Генетика.
3. Геоэкология.
10
3. Какие явления составляют предмет экологии как науки:
1. Жизнедеятельность человека.
2. Развитие растений.
3. Взаимоотношения живых организмов с окружающей средой.
4. Популяцией можно назвать:
1. Животный мир озера.
2. Стаю волков.
3. Растительность и животный мир тайги.
5. Экосистемой можно назвать:
1. Реку вместе с населяющими ее рыбами, водорослями и микроорганизмами.
2. Стадо котиков на побережье Камчатки.
3. Сусликов в степи и питающихся ими ястребов.
6. Сообществом можно назвать:
1. Человеческую семью.
2. Биосферу Земли.
3. Львов и живущих поблизости антилоп.
7. Современная экология как наука использует в качестве метода
познания:
1. Аналитический метод.
2. Метод „черного ящика".
3. Системный подход.
8. Выберите задачу нашего курса лекций:
1. Изучать флору и фауну российских заповедников.
2. Знать методы инженерной защиты окружающей среды.
3. Спасти мировой океан от нефтяных загрязнений.
4. Уменьшить газовое загрязнение атмосферы.
9. Выберите задачу нашего курса лекций:
1. Спасти голубого кита от вымирания.
2. Бережно относиться к природе.
3. Изобрести фильтр для очистки сточных вод.
11
2. БИОСФЕРА ЗЕМЛИ И ЕЕ СОСТАВ
Биосфера. Ее границы, состав, обменные процессы
Учение о биосфере создано академиком В.И. Вернадским в двадцатом
веке. В настоящее время биосферой называют оболочку Земли, в которой
существуют живые организмы, растения, человечество в целом. В
соответствии с системным подходом (рис. 1.3) следует рассматривать
биосферу как систему и изучать ее связи с окружающей средой (космосом),
то есть процессы обмена энергией, веществом и информацией. Биосфера
представляет собой незамкнутую (открытую) систему. Кроме того,
существуют обменные процессы внутри биосферы. И, наконец, биосфера
является динамической системой, ее характеристики меняются во времени.
Установлено, что биосфера претерпевает эволюцию.
Известны следующие процессы обмена биосферы с окружающей
средой:
1. Обмен энергией с космосом. Возможны следующие источники
энергии для биосферы:
а) Солнце. Спектральный состав солнечного излучения очень широк от
радиоволн до жесткого рентгеновского излучения;
б) другие звезды нашей Галактики;
в) солнечный ветер - поток электронов и протонов высоких энергий от
солнечной короны;
г) межпланетное магнитное поле. На орбите Земли имеет малую
напряженность около 8*10-4 Э и соответственно малую энергию;
д) космические лучи - поток заряженных частиц высоких скоростей и
энергий. Значительно возрастает во время взрывов новых и сверхновых
космических объектов.
В свою очередь Земля теряет тепловую энергию и постепенно
остывает.
2. Обмен веществом. Возможные источники вещества для биосферы:
а) солнечный ветер - электроны и протоны высоких скоростей и энергий;
б) космические лучи - различные заряженные частицы;
в) межпланетная пыль, в том числе метеориты. Ежегодный прирост массы
Земли за счет космической пыли составляет примерно 10 млн. т.
Земля также теряет вещество, в основном атмосферу.
Составные части биосферы представлены на рис. 2.1. Это нижняя часть
атмосферы, гидросфера, литосфера (мощный поверхностный слой земли).
12
БИОСФЕРА
АТМОСФЕРА
ГИДРОСФЕРА
ЛИТОСФЕРА
Рис. 2.1. Структура биосферы.
Каковы границы биосферы? К биосфере относятся те участки, где есть
условия не только для выживания, но и для размножения живых существ, это
поле существования жизни и поле устойчивости жизни. Условия,
соответствующие полю устойчивости жизни, следующие:
1. Достаточные количества кислорода и углекислого газа. Количество
кислорода в объеме атмосферы равно 20.95 %. Однако живые существа
адаптированы к современному составу и давлению воздуха. Например,
парциальное давление кислорода на высоте уровня моря составляет 160 мм
рт. ст., на высоте 20 км оно уменьшается до 8.7 мм рт. ст. и его не хватает для
нормального дыхания живых существ. Поэтому на высоте 20 км жизнь
невозможна при том же процентном содержании кислорода в атмосфере.
Парциальное давление углекислого газа на больших высотах (свыше 6 км)
также уменьшается, поэтому растительность скудеет.
2. Достаточное количество жидкой воды. В целом на нашей планете
воды гораздо больше, чем земли, площадь мирового океана составляет 79 %
площади земного шара. В Антарктиде жизнь невозможна, в частности, из-за
отсутствия воды в жидком виде.
3. Благоприятная температура. Она должна быть не слишком высокой,
чтобы не свертывался белок (ниже +80 оС), и не слишком низкой.
Антарктида лишена жизни из-за температур ниже –60 оС.
4. Живому существу необходим прожиточный минимум минеральных
веществ. Недостаток их ощущается на больших площадях в океанах.
5. Соленость среды. Если концентрация солей примерно в 10 раз выше,
чем в морской воде, жизнь невозможна. Лишены жизни подземные воды с
концентрацией солей 270 г/л.
В соответствии с выполнением данных условий границы биосферы
простираются от высоты 12.5 км в атмосфере (максимальная высота полета
птиц) до глубины 10 км в литосфере. По другим литературным источникам
возможны расхождения в пределах нескольких километров.
С одной стороны, организмы и вещество биосферы индивидуальны.
Вспомните биологическое разнообразие видов на Земле, климатических зон,
природных ископаемых, составляющих атмосферы. Живое вещество биосферы
весьма разнообразно. В настоящее время насчитывают около 1,5 млн.
известных видов животных. За все время существования Земли их было
13
больше миллиарда. Но, с другой стороны, для биосферы выполняется
ЗАКОН ВЕРНАДСКОГО: все живое вещество Земли физико - химически
едино. Другими словами, это означает качественное единство жизни на
Земле, например: химические законы обмена веществ у мыши и человека
одни и те же, описываются одними и теми же химическими реакциями,
например: 2Н2О = 2Н2 + О2. Физические законы также универсальны и
оказывают одинаковое влияние на организмы. Например, все живые
организмы испытывают на себе действие силы тяжести и вес тела Р = mg.
Или: повышение температуры приводит к ускорению химических реакций
обмена веществ.
Круговорот веществ в биосфере
Внутри биосферы организмы связаны с окружающей средой
посредством энергетического обмена, обмена веществом и информационного
обмена. Многократный обмен веществом, энергией и информацией
называется КРУГООБОРОТОМ ВЕЩЕСТВА в биосфере. Кругооборот
веществ идет в направлении, определяемом ПРАВИЛОМ ОСНОВНОГО
ОБМЕНА: любая динамическая система использует приход вещества,
энергии и информации в основном для самоподдержания и саморазвития.
Этому правилу подчиняются и организмы, и популяции, и экосистемы, и
биосфера в целом.
Рассмотрим внутренние процессы обмена энергией и веществом в
биосфере. Баланс солнечной энергии показан в табл. 2.1. Примерно 1 %
энергии преобразуется в химическую форму с помощью фотосинтеза, около
70 % преобразуется в тепловую форму, осадки, ветер. Спектральный состав
солнечного излучения имеет большое значение для жизни на Земле. Полезны
видимое излучение, тепловое (инфракрасное), частично - радиоактивное.
Радиоактивное и ультрафиолетовое излучение в основном поглощается
озоном в верхних слоях атмосферы. Без озонового слоя не было бы жизни.
Большое значение имеют магнитное поле Земли и Солнца. Частицы,
проникающие на Землю из космоса через атмосферу, оказывают влияние на
жизнь. Ионы, элементарные частицы, γ-кванты и другие высокоэнергетичные
частицы поступают через границу атмосфера - космос. Их количество
увеличивается в периоды солнечной активности и взрывов звезд. Они в
основном поглощаются атмосферой, проходит только малая часть, иначе
жизнь на Земле прекратилась бы.
Живое вещество биосферы состоит из наиболее простых и наиболее
распространенных в космосе химических элементов: О, N, С, Н.
БИОМАССА М - это суммарная масса особей вида или всех живых
существ биосферы. М по отношению к объему (или площади) обитания
называется плотностью биомассы. Измеряется в кг/м3 или кг/м2. Биомасса
распределена неравномерно. На суше преобладают растения, в океанах животные (табл. 2.2).
14
Таблица 2.1.
Годовое распределение солнечной энергии в биосфере
Виды рассеивания
Доля, %
Отражение
Превращение в тепло
Испарение, осадки
Ветер, волны, течения
Фотосинтез
30
46
23
0,2
0,8
Таблица 2.2.
Распределение биомассы на суше и в мировом океане
Сухое вещество
Континенты
Океан
Зеленые
растения
Животные
и микроорганизмы
Итого
Зеленые
растения
Животные
и микроорганизмы
Итого
99,2
0,8
100
6,3
93,7
100
Классификация живого вещества в биосфере
Основные свойства живого вещества, отличающие его от неживого:
1. Существует в биосфере в виде отдельных организмов. Как атом
является единицей неживой материи, так организм - единица живой материи.
2. Организовано в различные живые системы: экосистемы, популяции,
сообщества.
3. Жизнь существует в форме смены поколений.
4. Наличие свободной энергии. Например, повышение энергии можно
наблюдать при скоплениях саранчи массой в десятки миллионов тонн.
5. Большее химическое разнообразие по сравнению с неживым
веществом.
6. Стремление заполнить все возможное пространство. Вернадский
называл это «давлением жизни». Оно существует из-за способности к
размножению.
В связи с огромным разнообразием возникает необходимость в
классификации.
Автотрофами называют все живые организмы, которые берут
нужные им вещества из окружающей их неживой материи. В основном
15
используют энергию Солнца. Они кормят биосферу и питаются сами.
Гетеротрофами называют организмы, питающиеся органическим
веществом, сгенерированным другими организмами. Человек относится к
гетеротрофам. Биомасса автотрофов больше, а их разнообразие меньше, чем
гетеротрофов.
Все
взаимодействия
осуществляются
посредством
кругооборота веществ. Существуют организмы со смешанным типом
питания, их называют миксотрофами. Разные
способы питания
осуществляются благодаря кругообороту веществ внутри биосферы.
ТЕСТ
1. Биосферу, в понимании земной экологии, имеют следующие планеты
солнечной системы:
1. Венера.
2. Марс.
3. Нептун.
4. Ни один из ответов не является правильным.
2. Каковы границы биосферы Земли?
1. От 40 км в высоту атмосферы до 11 км в глубину литосферы.
2. От 12.5 км в высоту атмосферы до 10 км в глубину литосферы.
3. От 10 км в высоту атмосферы до 10 км в глубину литосферы.
3. Какие из перечисленных законов выполняются для биосферы Земли
одновременно?
1. 1 и 2 законы термодинамики, закон Вернадского.
2. 1 закон термодинамики, закон экономии энергии.
3. Закон Вернадского, правило основного обмена.
4. Биомасса гетеротрофов преобладает над биомассой автотрофов:
1. В биосфере.
2. В литосфере.
3. В гидросфере.
4. В атмосфере.
5. Биомасса каких из живых существ преобладает в биосфере?
1. Автотрофов.
2. Гетеротрофов.
3. Миксотрофов.
6. Какой источник космической энергии наиболее важен для биосферы?
1. Излучение звезд.
2. Излучение Солнца.
3. Космические лучи.
4. Солнечный ветер.
16
3. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ
Биогенная миграция атомов
Количество вещества в биосфере конечно, однако биосфера существует
3 - 4 млрд. лет, то есть практически бесконечно. Как объяснить это
противоречие? Дело в том, что благодаря биогеохимическим циклам в
кругообороте веществ одни и те же биогенные атомы многократно участвуют
в жизни на Земле. Вещество в биосфере находится в состоянии непрерывного
обновления с помощью биогенной миграции атомов в биогеохимических
циклах отдельных химических элементов. Биогеохимические циклы - это
перемещение и превращение химических элементов в биосфере при участии
живого вещества. Биогенная миграция атомов - это перемещение атомов
вещества при участии живого вещества.
Биогенная миграция атомов подчиняется трем принципам Вернадского:
1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере
всегда стремится к максимальному проявлению.
2. Эволюция видов, приводящая к появлению устойчивых форм жизни,
всегда идет в направлении усиления биогенной миграции атомов.
3. Живое вещество биосферы находится в непрерывном химическом
обмене с космосом и создается и поддерживается энергией Солнца.
Нарушение любого из трех принципов Вернадского ведет к
неустойчивости и исчезновению жизни. Например, нарушение третьего
принципа - изоляция от Солнца - ведет к исчезновению жизни в глубинах
океана или под землей.
Кругооборот веществ поддерживается непрерывно благодаря
солнечной энергии, поступающей в биосферу Земли из космоса. Например,
весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2 тыс. лет,
углекислый газ - за 200 - 300 лет, а вся вода биосферы - за 2 млн. лет. Не
полная замкнутость биогеохимических циклов приводит к тому, что в
атмосфере накапливаются азот и кислород, а в земной коре - различные
химические элементы и соединения. Какое значение имеют в
биогеохимических циклах разные формы жизни? Клеточные формы жизни,
такие как бактерии, являются автотрофами в своем большинстве и
накапливают азот. Бактерии - гетеротрофы разлагают отмершие организмы и
возвращают химические элементы в окружающую среду. Клеточные
организмы, например растения, являются автотрофами и синтезируют с
помощью
фотосинтеза
органическое
вещество
(углеводы)
из
неорганического: 6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2. Многоклеточные животные
- гетеротрофы переносят органическое вещество в биосфере на большие
расстояния. Таким образом, различные живые организмы участвуют в
биогеохимических циклах кругооборота вещества в биосфере.
17
Основными биогеохимическими циклами являются циклы С, О, N, Н,
P, S и биогенных катионов. Важными являются круговороты воды,
углекислого газа, кислорода. Следует отметить особенности биогенной
миграции атомов, наиболее распространенных во Вселенной и важных для
жизнедеятельности живых организмов:
Углерод С: оборачивается посредством дыхания животных и
фотосинтеза растений в составе СО2 и углеводов. Цикл незамкнут,
разложение СО2 приводит к образованию С и оседанию атомов в океане или
почве. Оттуда после окисления до СО2 возвращается в атмосферу. Участие
человека нарушает естественный цикл, при сжигании топлив и увеличении
транспортного потока в мегаполисах образуется избыток окислов углерода в
атмосфере. Это приводит к появлению парникового эффекта и изменению
климата;
Кислород О: в биосфере существует в виде озона О3, молекулярного О2
и атомарного О кислорода. Цикл незамкнут, озон, молекулярный и
атомарный кислород накапливаются в основном в атмосфере. Вмешательство
человека (транспортная проблема и сжигание топлив) в естественный
природный цикл приводит к недостатку молекулярного кислорода в
атмосфере больших городов и нарушению озонового слоя (озоновые дыры);
Азот N: является основной составляющей атмосферы. Фиксируется
бактериями почвы, затем поступает в растения в виде нитратов и нитритов.
Преобразуется в аммоний при помощи фотосинтеза. Цикл незамкнут, азот
накапливается в почве и в атмосфере. Сельскохозяйственная деятельность
человека нарушает естественный цикл и приводит к перенасыщению почвы
азотом;
Водород Н: атом входит в состав воды и в свободном виде в природе
практически не встречается. Поскольку круговорот воды является
глобальным и происходит в основном без участия человека (осадки
(конденсация), ветер, испарение), биогеохимический круговорот не
нарушается;
Фосфор Р: особенность биогенной миграции фосфора состоит в том,
что он в атомарном состоянии накапливается главным образом в
морепродуктах. Накапливается также в почве (апатиты). Внесение
сельскохозяйственных удобрений нарушает естественный цикл и приводит к
избыточной концентрации фосфора в почве.
По отношению к круговороту веществ живые организмы
классифицируются следующим образом:
1. ПРОДУЦЕНТЫ - автотрофные организмы, преобразующие
неорганические соединения в органические посредством солнечной энергии.
К ним относятся в основном растения.
2. КОНСУМЕНТЫ - гетеротрофные организмы, питающиеся
продуцентами. Консументы первого порядка - растительноядные,
консументы второго и более порядков - плотоядные.
18
3. РЕДУЦЕНТЫ (ДЕСТРУКТОРЫ) - организмы, разлагающие
органические остатки до неорганического состояния. Редуценты
осуществляют обратную связь в круговороте веществ. Это бактерии, грибы,
микроорганизмы. Относятся либо к гетеротрофам, либо выделяются в
отдельный класс организмов, осуществляющих обратную связь между
органическим и неорганическим веществом.
Участие перечисленных организмов в круговороте веществ
осуществляется благодаря ТРОФИЧЕСКИМ, или пищевым, цепям - связям
между организмами, по которым передаются вещество и энергия.
Схематично механизм круговорота веществ в биосфере изображен на рис. 3.1.
Солнце
ПРОДУЦЕНТЫ
КОНСУМЕНТЫ
I ПОРЯДКА
МИНЕРАЛЬНЫЕ
ВЕЩЕСТВА
РЕДУЦЕНТЫ
КОНСУМЕНТЫ
I I ПОРЯДКА
Рис. 3.1. Круговорот веществ в биосфере.
Функции живого вещества в биосфере
Из анализа биогенной миграции атомов и трофических цепей вытекают
биосферные функции живого вещества Земли:
1. Энергетическая. Аккумулирование, получение из пищи, передача по
трофическим цепям.
2. Концентрационная - накопление в ходе жизнедеятельности веществ,
используемых для построения тела и удаляемых из организма.
19
3. Деструктивная. Минерализация (или разложение) неживого
органического вещества.
4. Средообразующая - преобразование физико-химических параметров
среды.
5. Транспортная - перенос вещества.
Эволюция биосферы
Исторически сложились три группы гипотез происхождения жизни на
Земле:
1. Теории, в основе которых лежат религии.
2. Жизнь на Землю была занесена из Космоса.
3. Эволюционная теория.
Рассмотрим подробно третью гипотезу. Эволюция - это необратимый
процесс исторического изменения жизни. Теория эволюции разработана
Ч. Дарвиным в ХIХ в. и основана на четырех принципах:
1. Избыточное потомство. Все биологические виды способны давать
большее потомство, чем это необходимо для простого воспроизводства
родителей. Например, одна пара мышей способна давать по 6 мышат 6 раз в
год (36 мышат). Более того, через 6 недель после рождения мышата способны
давать потомство. Почему же Земля не наводнена мышами? Потому что не
все потомство выживает и численность популяции имеет тенденцию к
стабилизации.
2. Борьба за выживание. Среда воздействует на отдельные особи,
стабилизируя численность популяции. Окружающая среда - это не только
пища и условия для размножения, но и хищники и конкуренция. Поэтому в
любой популяции не все особи выживают и дают потомство.
3. Некоторые существенные различия. Поскольку все отдельные особи
индивидуальны, одни имеют больше шансов на выживание, другие - меньше.
Например, мыши различны по окраске, одни светлее, другие темнее. Темные
мыши легче выживают, поскольку неразличимы ночью и их меньше съедают
совы.
4. Вопрос наследственности. Следует заметить, что при наследовании
осуществляется обмен информацией между системами (например
организмами детей и родителей). Наследственная информация передается от
родителей к детям. Некоторые различия между особями одного вида наследственные, например цвет шкурки у мышей. Поскольку темные мыши
лучше выживают, в следующем поколении будет больше темных мышей, чем
в предыдущем.
Через много поколений число хорошо адаптировавшихся особей в
популяции возрастет. Дарвин назвал этот процесс естественным отбором.
Таким образом, воспроизводство живого вещества происходит не простым
20
штампованием, а путем эволюции - постепенных изменений в строении и
функциях.
ЗАКОН ЭКОЛОГО-СИСТЕМНОЙ направленности эволюции: любые
эволюционные изменения направляются внешними факторами окружающей
среды и внутренними системными особенностями. То есть эволюция не
является случайным процессом, а определяется внешними и внутренними
причинами. Внутренними факторами могут быть мутации - скачкообразные
генетические изменения, тогда скорость эволюции значительно
увеличивается. Внешним фактором служит влияние системы более сложной
организации. Например, для биосферы- это космос, для любой экосистемы биосфера Земли, для популяции - сообщества, экосистема и биосфера.
Таким образом, биосфера является открытой системой высшей степени
организации и порядка. Биосфера Земли связана обменными процессами с
космосом. Внутри биосферы осуществляется обмен веществом, энергией и
информацией - круговорот веществ. Биосфера является динамической
системой и подвержена процессу эволюции.
ТЕСТ
1. Можно ли считать небиогенным круговорот следующих веществ в
биосфере?
1. О2
2. СО2
3. Н2О
2. Являются ли автотрофные организмы:
1. Консументами 1 порядка.
2. Продуцентами.
3. Консументами 3 порядка.
3. Являются ли гетеротрофные организмы:
1. Продуцентами.
2. Редуцентами.
4. Какой вид обмена осуществляется с помощью трофических цепей?
1. Обмен энергией и информацией.
2. Обмен веществом и информацией.
3. Обмен энергией и веществом.
5. Являются ли биогеохимические циклы СО2, Н2О, О2, N2:
1. Незамкнутыми.
2. Замкнутыми.
6. Как вы оцените последствия вмешательства
биогеохимические циклы СО2, О2, N2 в биосфере?
1. Положительно.
2. Отрицательно.
3. Нейтрально.
21
человека
в
4. ЭКОСИСТЕМЫ И ИХ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ
Экосистема, ее состав и тип
Термин „экосистема" ввел английский ботаник Артур Джордж Тенсли,
который утверждал, что экосистема является основной природной единицей
на земной поверхности, для нее характерен биотический круговорот веществ
с участием консументов, продуцентов и редуцентов. Различные типы
местообитаний внутри экосистемы называются БИОТОПАМИ. Биотоп - это
неорганическая, неживая среда с определенными физико-химическими
условиями, например, температурой, влажностью, круговоротом веществ.
Биотоп может быть преобразован с помощью жизнедеятельности видов,
населяющих его. Живые существа, населяющие биотоп, образуют природное
сообщество - БИОЦЕНОЗ. Биотоп и биоценоз составляют экосистему
(рис.4.1).
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ
СИСТЕМА
БИОТОП
БИОЦЕНОЗ
Рис. 4.1. Структура экологической системы.
Любая экосистема, как и биосфера Земли, имеет системное строение,
определенную степень упорядоченности и иерархию. Экосистема является
незамкнутой системой (в общем случае), поскольку осуществляет обмен
веществом, энергией и информацией с биосферой.
ЗАКОН МАКСИМИЗАЦИИ энергии и информации гласит, что
наибольшими шансами на самосохранение обладает экосистема,
22
максимально способствующая эффективному использованию энергии и
информации. Следует заметить, что обмен веществом не играет заметной
роли для устойчивости экосистемы. Открытые системы, каковыми являются
реальные экосистемы и биосфера, подчиняются законам термодинамики
открытых систем.
Все экологические системы упорядочены, то есть стремятся сохранить
свойства системности (подчиняются теореме сохранения упорядоченности).
Таково индивидуальное развитие организма, популяции и экосистемы,
биогенный круговорот веществ, эволюция биосферы. Упорядоченность
систем может теряться или нарушаться в связи с техногенными
воздействиями на биосферу. В то же время действует ЗАКОН ХИЛЬМИ РАСТВОРЕНИЯ СИСТЕМЫ В ЧУЖОЙ СРЕДЕ: индивидуальная система,
работающая в чужой среде с уровнем организации более низким, чем у
системы, постепенно теряет структуру и растворяется в чужой среде.
Различают три типа природных экосистем (рис. 4.2). Первый тип –
наземные или биомы. Их классифицируют по типу растительности: тундра,
тайга, широколиственные леса, степи, пустыни, саванны. Второй тип пресноводные экосистемы. Их классифицируют по физическим свойствам
воды: стоячие воды (озера, пруды, водохранилища); текущие воды (реки,
ручьи); заболоченные угодья (болота, болотистые леса). Третий тип морские экосистемы: открытый океан, эстуарии - прибрежные воды (бухты,
лиманы, устья рек), глубоководные зоны мирового океана с высокой
биомассой живых организмов.
Структура экосистем
Для примера рассмотрим биом широколиственного леса. Биоценоз
такого биома имеет видовую, пространственную и трофическую (пищевую)
структуру. Распределение видов в биоценозе не случайно, определяется
потребностью в солнечной энергии (у растений). Ярусность сообщества леса
определяется потребностью в солнечной энергии. На верхнем ярусе
расположены высокие деревья (березы), которым требуется много энергии.
Ярусом ниже расположены молодые особи деревьев верхнего яруса и
деревья других видов (осины, рябины). Третий ярус - кустарники, четвертый
- травы, пятый - мох. Корневая система растений образует ярусы вглубь.
Наиболее влаголюбивые растения (травы) имеют более глубокие корни.
Подобная ярусность наблюдается в пресноводной экосистеме, а также в
морской. Основная жизнь сосредоточена всегда в верхних слоях, где
наибольшее количество солнечного света. В верхних слоях озера обитают
утки, ондатры, лягушки, рыбы. В средних слоях - рыбы, планктон. В нижних
слоях - микроорганизмы - редуценты.
23
ТИПЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
пруды
Глубоководные зоны
Стоячие воды
Болота
пустыня
лес
степь
озера
Бухты, лиманы, устья рек
реки
ручьи
саванна
МОРСКИЕ
Открытый океан
Текущие воды
ПРЕСНОВОДНЫЕ
тайга
тундра
НАЗЕМНЫЕ
(БИОМЫ)
Водохранилища
Рис. 4.2. Типы природных экологических
систем.
Трофические цепи
Трофическая структура биоценоза определяется трофическими
(пищевыми) цепями. Это устойчивые связи из продуцентов, консументов и
редуцентов (рис. 3.1). В трофических цепях происходит перенос энергии
пищи от автотрофов (растений) к редуцентам через ряд организмов путем
поедания ими друг друга. Организмы, получающие энергию от Солнца через
одинаковое число ступенек, образуют один трофический уровень. Солнечная
энергия, преобразованная в химическую, используется и запасается
организмами. Таким образом, на одном трофическом уровне находятся
организмы, питающиеся одним и тем же типом пищи.
Рассмотрим пищевую цепь водоема. Водоросли образуют
фитопланктон, рачки - зоопланктон. Экскременты и трупы животных
поедаются редуцентами, которые превращают их в минеральные вещества,
которые снова используются автотрофами. Таким образом, круговорот
24
замыкается. Животные одного типа (например консументы первого порядка зоопланктон) находятся на одном трофическом уровне. В зоопланктон озера
входят дафнии, циклопы и другие рачки.
Экологические пирамиды, ниши
В соответствии с трофическими уровнями можно строить
экологические пирамиды. Различают пирамиды численности, биомассы и
энергии. Любая из трех пирамид расположена основанием книзу, площадь
уровня пропорциональна величине численности, биомассе или энергии.
Внизу находятся продуценты, выше - консументы и редуценты.
Согласно ЗАКОНУ ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИЙ (закон 10 %), с одного
уровня на другой передается только 10% энергии, точнее, 5 - 19 % , от
поступившей на этот уровень. Остальная энергия рассевается, превращаясь в
тепловую форму. В то же время примерно в таких же количествах
происходит накопление токсинов и радиоактивных веществ (это важно для
понимания экологической проблемы).
ПРАВИЛО НАКОПЛЕНИЯ: чем выше трофический уровень, тем
больше накапливается вредное вещество - по 10 % при переходе снизу вверх.
Правило накопления формирует экологическую проблему. Экологические
пирамиды всех трех видов отражают количественные соотношения разных
по способу питания организмов, поскольку информативным критерием
является площадь трофического уровня, масштабированная на величину
численности, биомассы или энергии. Заметим, что с ростом трофического
уровня убывает параметр пирамиды - численность, биомасса или энергия.
Различные виды занимают разные экологические ниши. Экологическая
ниша - это совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно
существование вида в природе. Например, дятел занимает экологическую
нишу с пищей насекомые-древоточцы, умеренная освещенность, умеренная
влажность. Черный дрозд занимает другую экологическую нишу в том же
лесу на том же дереве: пища - черви и улитки на земле, отсюда - слабая
освещенность и большая влажность. У дятлов и дроздов разные
экологические ниши и одинаковое местообитание - биотоп. Два этих вида
птиц находятся на одном трофическом уровне и должны испытывать
конкуренцию.
Конкуренция
Как можно заметить, близкие виды испытывают конкуренцию из-за
пищи, света и влаги (у растений). Конкуренция тем больше, чем ближе виды
между собой. Очень близкие виды растений вытесняются. Например, в
смешанном лесу выживают березы и сосны, а осины и черемуха вытесняются
на одном трофическом уровне.
25
ПРИНЦИП КОНКУРЕНТНОГО ИСКЛЮЧЕНИЯ ГАУЗЕ: два вида с
близкими экологическими требованиями не могут длительное время
занимать одну экологическую нишу и входить в одну экосистему.
ПРИНЦИП СОСУЩЕСТВОВАНИЯ (ПАРАДОКС ХАТЧИНСОНА):
два вида в порядке исключения могут сосуществовать в одной экологической
нише, и они способны эволюционировать в близком направлении. Это
относится в основном к пресноводным и морским организмам. Вспомните
разнообразие озерных или морских рыб. Могут встречаться близкие виды
рыб в одной и той же экологической нише. Пустующая экологическая ниша
всегда заполняется естественным путем.
ТЕСТ
1. Какие компоненты составляют экосистему?
1. Атмосфера, популяция.
2. Литосфера, биом, биотоп.
3. Биотоп, биоценоз.
4. Биом, биоценоз, гидросфера.
2. Какие законы выполняются в реальной экосистеме одновременно?
1. 1 закон термодинамики, 2 закон термодинамики.
2. 1 закон термодинамики, теорема сохранения упорядоченности.
3. Теорема сохранения упорядоченности, закон максимизации энергии
и информации.
3. К какому типу экосистем относится Севастопольская бухта Черного моря?
1. Биом.
2. Морские экосистемы.
3. Пресноводные экосистемы.
26
4. К какому типу экосистем относится Обское море?
1. Биом.
2. Морские экосистемы.
3. Пресноводные экосистемы.
5. Какая характеристика пирамиды энергий или биомасс является
наиболее информативной?
1. Площадь прямоугольника какого-либо уровня.
2. Высота пирамиды.
3. Площадь пирамиды.
6. Какой компонент можно считать экологической нишей?
1. Река.
2. Свет, температура, влажность, солености, кислотность одновременно.
3. Городская квартира.
7. Сколько экологических ниш может быть в одном озере?
1. Три или больше.
2. Ни одной.
3. Две.
8. Сколько экологических ниш может быть в одном сосновом лесу?
1. Одна.
2. Несколько.
9. Какая группа организмов находится на одном трофическом уровне в
сосновом лесу?
1. Сосна, трава, мох.
2. Белки, птицы.
3.Сосна, мох, белки.
10. Какая группа животных находится на одном трофическом уровне в озере?
1. Щука, лягушка.
2. Карась, пескарь, елец.
3. Лягушка, водоросли.
27
5. ЗАКОНЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭКОСИСТЕМ
Отношения в экосистеме
Какие отношения между организмами могут существовать внутри
экосистемы?
1. Конкуренция, когда два вида
или два представителя одного вида
используют одни и те же ресурсы.
Основой являются пространственные
или
трофические
отношения.
Численность популяций в условиях
конкуренции подчиняется принципу
конкурентного исключения Гаузе.
Ярким примером является конкуренция в человеческом обществе из-за
социальных условий: зарплаты, квартиры и т.д. Два самца могут
конкурировать из-за самки, территории и т.д.
2. Отношения хищник - жертва. Они снижают
напряженность конкуренции и
способствуют
видовому разнообразию биоценоза. Основаны на
прямых трофических связях. Отношения хищник жертва (в том числе травоядные животные растения) очень распространены в биоценозах.
Хищничество - способ питания живых организмов,
при котором они ловят, умерщвляют и поедают
другие живые организмы. Хищничество встречается
среди всех видов животных, среди некоторых видов
грибов и насекомоядных растений. В трофической
цепи хищники - консументы 1 и 2 порядка, жертвы - продуценты и
консументы 1 порядка. В системе хищник - жертва партнеры взаимно
приспособлены друг к другу. Только в этом случае при питании хищников
жертвами численность жертв поддерживается на определенном уровне.
Эволюция хищников и их жертв происходит совместно, при этом хищники
совершенствуют способы нападения, а жертвы - способы защиты. Со
стороны хищников можно наблюдать миграции вслед за жертвами, со
стороны жертв - другие способы приспособления. Установлено, что
неприспособленные жертвы гибнут в среднем в два раза чаще, чем
приспособленные. Соответственно численность хищников строго следует за
численностью жертв. Математики А. Лотка и В. Вольтерра независимо друг
от друга предложили систему уравнений для описания отношений в системе
хищник - жертва. Это система дифференциальных уравнений,
предсказывающая колебания численности обоих компонентов системы и
28
описывающая устойчивые колебания, затухающие колебания, колебания с
возрастающей амплитудой (автоколебания).
3.
Отношения
паразит
хозяин
характеризуются тем, что одна сторона использует
другую в качестве среды обитания или источника
пищи. Паразитизм широко распространен в природе,
особенно у растений (паразиты - лианы) и высших
животных (паразиты - клещи).
4. Основой симбиоза - взаимовыгодного партнерства - служат
трофические и пространственные отношения, например
питание одного организма за счет другого
неиспользованными остатками пищи, продуктами
пищеварения или тканями организма. Пример: тигр шакал, человек - мухи. Симбиоз наблюдается у
бобовых растений и азотфиксирующих бактерий.
Бактерии снабжают растения нитратами, которые
вырабатывают из воздуха, а сами получают от растения
углеводы. Высшие животные переваривают пищу
благодаря микроорганизмам в кишечнике (кишечная флора). Морские
животные часто используют чужие норы и раковины.
Интересны отношения между растениями и животными в пределах
одного биоценоза. С помощью животных происходит расселение растений по
территории обитания животных (транспортировка семян), опыление
растений.
Самоочищение экосистемы
В процессе своего функционирования экологическая система
производит отходы, так как любое живое существо рождается, живет,
умирает, и все живые существа внутри экосистемы выделяют в нее продукты
своей жизнедеятельности. Однако, с другой стороны, экосистема является
единственным примером безотходного производства потому, что экосистема
утилизирует свои отходы на основе трофических связей. Процесс утилизации
отходов называется САМООЧИЩЕНИЕМ экосистемы.
Для примера проследим процесс самоочищения экосистемы водоема.
Каждый водный организм вносит определенный вклад в самоочищение
водоема, в результате чего формируется вода, пригодная как для питья, так и
для жизни обитателей. Мелкие ракообразные (например дафнии) составляют
основную массу зоопланктона. Они легко отфильтровывают отдельные
бактериальные клетки, размер которых не превышает 1.5 - 2 мкм, и питаются
ими. Таких ракообразных называют тонкими фильтраторами. Функцию
фильтрации у них выполняют жабры. Другие ракообразные и моллюски
29
употребляют в пищу крупные бактерии и бактериальные агрегаты, поэтому
их называют грубыми фильтраторами.
Большое влияние на самоочищение водоема оказывает температура
воды. Поскольку вода при температуре t = 4 оС обладает максимальной
плотностью, холодные слои воды опускаются вниз. В это время слои воды с
температурой t, отличающейся от 4 оС поднимаются вверх. Таким образом
происходит перемешивание водных слоев, что способствует самоочищению
водоемов. Самоочищение подвергается опасности в результате техногенного
загрязнения. Обитатели водоема справляются с самоочищением до
определенного предела. Если загрязнение превышает этот предел, то
начинается разрушение биоценоза. Предел зависит от устойчивости живых
существ к загрязнению.
Одним из основных экологических законов является действующий в
экологических системах ЗАКОН ВНУТРЕННЕГО ДИНАМИЧЕСКОГО
РАВНОВЕСИЯ: вещество, энергия, информация и динамические
характеристики экосистемы взаимосвязаны настолько, что любое изменение
одной из них приводит к изменениям в соседних таким, что степень порядка
и общая сумма остаются неизменными. Этот закон имеет следующие
следствия:
1. Любое изменение среды (вещества, энергии, информации,
динамических характеристик) приводит к развитию природных цепных
реакций, ведущих к нейтрализации изменений или к необратимому
образованию новых природных систем.
2. Взаимодействие вещества, информации и энергии внутри
экосистемы нелинейно, то есть слабое изменение одного может вызвать
сильные изменения в других характеристиках.
3. Производимые в крупных экосистемах внешние воздействия
необратимы, то есть они влияют на биосферу в целом и вызывают
эволюционные скачки.
4. Любое преобразование природы вызывает в окружающей биосфере
ответные реакции, направленные на сохранение равновесия экосистемы.
Существенных изменений можно достигнуть с помощью значительного
вложения энергии, поток энергии ограничен термодинамической
устойчивостью системы.
Внутри экологических систем также действует ПРИНЦИП
Ле ШАТЕЛЬЕ - БРАУНА: при внешнем воздействии, выводящем систему из
состояния устойчивого равновесия, само равновесие смещается в сторону,
ослабляя внешнее воздействие. При очень больших воздействиях (сильное
загрязнение) этот принцип нарушается. Отсюда следует однозначный вывод:
самоочищение экосистем не безгранично, сильное загрязнение приводит к их
разрушению и нарушению биосферы в целом. Вырубка лесов, кислотные
дожди (самоочищение атмосферы), водохранилища, рекреационные нагрузки
(отдых людей), радиация, выбросы в атмосферу и водоемы разрушают
30
экосистемы и приводят к изменению ландшафта, почв, состава атмосферы, то
есть к нарушению биосферы в целом.
Динамика экосистем
Очевидно, что экосистема является подвижной, динамической. За
многие миллионы лет изменялась также биосфера Земли: климат, состав
атмосферы, рельеф гор и мировой океан. Многие сообщества, например
ящеры, вымерли и заменены другими. Говорят, что экосистема подвержена
СУКЦЕССИИ - последовательной необратимой смене биоценозов,
возникающих преемственно на одной территории. Сукцессии бывают
первичными - возникают по естественным причинам, и вторичными возникают по причине техногенных воздействий.
Проследим первичную сукцессию на примере биома. Пусть имеется
участок суши, не заселенный живыми существами. Первыми появляются
лишайники, разрушающие твердую поверхность и способствующие
появлению почвы. Следующими будут мхи, способные удерживать влагу в
почве. Принесенные ветром семена трав и кустарников укореняются и
размножаются. Корни измельчают почву, что сохраняет в ней минеральные
вещества. Почва становится более плодородной. Биомасса растений
увеличивается, появляются животные - консументы 1 порядка, затем
консументы 2 порядка. Остатками вымерших продуцентов и консументов
питаются редуценты.
Таким образом, имеем сначала неустойчивые - серийные, затем
устойчивые - стабильные сообщества. Стадии развития сообществ до
состояния устойчивого равновесия занимают десятки и сотни лет, то есть
сукцессия относится к эволюционным процессам. Конечная стадия
называется климаксовой. Трофические связи со временем усложняются,
появляются новые виды растений и животных, достигается видовое
разнообразие, появляются новые экологические ниши, которые тут же
заполняются.
Итак, экосистема в результате сукцессии проходит последовательно
следующие стадии развития: серийную (неравновесную) – стабильную климаксовую (равновесную). При этом увеличивается поток энергии,
расходуемый на поддержание экосистемы.
Первичную сукцессию регулируют следующими законами:
1. Закон последовательности фаз развития: каждая фаза готовит среду
для возникновения последующей фазы. В рассмотренном примере после
фазы мхов не может возникнуть фаза консументов 2 рода, так как они сразу
вымрут от отсутствия пищи.
2. Закон сукцессионного замедления: процессы, идущие в равновесных
экосистемах, имеют тенденцию к снижению темпов.
31
3. Закон стабилизации видового состава климакса: разнообразие
стремится к максимуму на ранних и средних стадиях сукцессии, затем
снижается в климаксе.
4. Биогеохимический круговорот веществ в ходе сукцессии становится
все более замкнутым. Этот закон сильно нарушается техногенным
воздействием на растительность.
5. Чем больше нарушена среда обитания (биотоп), тем на более ранних
стадиях заканчивается сукцессия. Это также следствие техногенного
воздействия.
6. Закон эволюционно-экологической необратимости: экосистема,
потерявшая часть своих элементов или сменившаяся другой в ходе
сукцессии, не может вернуться на предыдущую фазу сукцессии. Невозможно
начать сукцессию снова, поскольку имеется новая экосистема.
Таким образом, основной функцией экосистемы является поддержание
устойчивого круговорота веществ. Внутри экосистемы осуществляется обмен
информацией, веществом и энергией. Экосистема является динамической
открытой системой, подчиняется системным законам и связана обменными
процессами с биосферой Земли.
ТЕСТ
1. Какой тип отношений реализуется между лисами и зайцами?
1. Конкуренция.
2. Симбиоз.
3. Паразитизм.
4. Хищничество.
2. Какой тип отношений реализуется между двумя тиграми одного
возраста, пола, комплекции?
1. Симбиоз.
2. Конкуренция.
3. Хищничество.
4. Паразитизм.
3. Какой тип отношений реализуется между тиграми и шакалами?
1. Симбиоз.
2. Конкуренция.
3. Хищничество.
4. Паразитизм.
32
4. Какой тип отношений реализуется между клещами и млекопитающими?
1. Симбиоз.
2. Конкуренция.
3. Хищничество.
4. Паразитизм.
5. Самоочищение любой экосистемы:
1. Безгранично, не зависит от внешних воздействий.
2. Строго ограничено, не зависит от внешних воздействий.
3. Строго ограничено, зависит от внешних воздействий.
6. Вода озера Байкал пригодна для питья без очистки благодаря:
1. Отсутствию загрязнений.
2. Самоочищению экосистемы.
3. Осаждению на дно вредных веществ.
7. Принцип Ле - Шателье-Брауна выполняется в экосистемах:
1. Всегда, при любых условиях.
2. При условии, что загрязнение невелико.
3. При условии, что загрязнение велико.
8. Нарушение принципа Ле - Шателье-Брауна в одной экосистеме:
1. Влияет на данную экосистему и биосферу в целом.
2. Влияет только на данную экосистему.
3. Влияет только на биосферу.
9. Сукцессия экосистем:
1. Обратима.
2. Необратима.
10. Экосистема является:
1. Равновесной на начальной стадии сукцессии.
2. Неравновесной на конечной стадии сукцессии.
3. Неравновесной на начальной стадии сукцессии.
33
6. ПОПУЛЯЦИЯ И ЕЕ СТРУКТУРА
Популяция и ее законы
Что такое популяция и чем она отличается от биологического вида?
Вид - это группа особей, обладающих общими признаками. Эти признаки
следующие:
1. Строение тела, физиология и способы взаимоотношений со средой.
2. Способность к скрещиванию и образованию плодовитого потомства.
3. Особи одного вида населяют определенную территорию – АРЕАЛ.
4. Особи одного вида отличаются от других групп особей практически
полным отсутствием гибридных форм. То есть один вид не скрещивается с
другим в пределах одного отряда.
Однако особи одного вида распределены в пределах ареала
неравномерно. Существуют участки с высокой численностью особей вида,
средней численностью в соседней местности, с низкой численностью. Эти
центры плотности населения вида являются популяциями. Главная функция
популяции в том, что только популяция может воспроизводить новые
поколения вида в условиях конкретной экосистемы. В то же время особи
близких видов не могут скрещиваться между собой. Популяция, являясь
частью сообщества, функционирует как его часть. Экологические
взаимоотношения в сообществе и экосистеме определяются не видом, а
популяцией. Таким образом, популяция представляет собой открытую
систему, осуществляющую обмен энергией, веществом и информацией с
окружающей средой (экосистемой). Внутри популяции также существуют
потоки энергии, информации и вещества. Основными количественными
характеристиками популяций являются численность и плотность.
Численность - это число отдельных особей в популяции, плотность - число
особей на единицу занимаемой ими площади или объема.
Особи одной популяции отличаются от особей близкой популяции,
например, внешними признаками, в соответствии с биотопом, в котором
обитают. Например, белки штата Вашингтон серые круглый год, а наши
сибирские белки рыжевато-бурые летом, серовато-бурые зимой.
Таким образом, популяция представляет собой незамкнутую систему,
взаимодействующую с внешней средой. Вспомните законы термодинамики и
энтропии, которые мы рассматривали при изучении экосистем. Системные
законы справедливы и для популяции. Рассмотрим также некоторые
экологические законы, действующие внутри популяции и определяющие ее
динамику (развитие).
1. ПРИНЦИП МИНИМАЛЬНОГО И МАКСИМАЛЬНОГО РАЗМЕРА
ПОПУЛЯЦИИ: размер популяции не может быть меньше минимума,
который необходим для ее стабильности во внешних условиях и
воспроизводства. Размер популяции не может быть больше максимума, что
34
определяется пищевыми ресурсами и их доступностью, а также условиями
размножения. Числа минимума и максимума различны для разных
популяций. Внутри популяции колебания численности наблюдаются между
этими двумя числами.
2. ПРАВИЛО КОЛЕБАНИЙ ЧИСЛЕННОСТИ: никакая популяция не
может находиться в состоянии абсолютной уравновешенности числа особей.
Обязательно возникают периодические осцилляции, обусловленные
внешними (приток энергии, пищевые ресурсы) или внутренними факторами.
3. ПРИНЦИП НИКОЛСОНА: популяции есть стабильные системы,
способные противостоять факторам внешней среды и контролировать их
изменением плотности популяции.
4. ПРИНЦИП ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ: границы, размер и
характер места обитания популяции обусловлены их биологическими
особенностями. Наоборот, биологические особенности популяции являются
индикатором места обитания.
Структура популяций
Понятие популяции применимо как к животным, так и к растениям.
Любые популяции имеют определенную пространственную, возрастную,
половую и генетическую структуры.
1. Пространственная структура популяции определяет эффективное
использование ресурсов среды (пища) и снижает конкуренцию внутри
популяции. Тип использования территории может быть двояким и
определяется образом жизни. При оседлом образе жизни используется одна и
та же территория в течение жизни нескольких поколений, при кочевом
образе жизни используются различные территории внутри ареала вида.
Пространственная структура популяции поддерживается агрессивными
методами поведения, чужаки изгоняются с территории данной популяции.
Интересна пространственная структура популяций растений (рис. 6.1),
она имеет вертикальную (ярусность леса) и горизонтальную составляющие.
вертикальная составляющая
горизонтальная составляющая
Рис. 6.1. Пространственная структура популяций растений
35
2. В популяциях животных или растений имеются различные
возрастные группы особей. В популяциях высших животных, например
человека, возраст молодости, зрелости, старости составляет примерно 1/3 от
продолжительности жизни. Такое соотношение между возрастными
группами
обеспечивает
устойчивое
воспроизводство
популяции.
Доминирование возрастной группы определяет возраст популяции. Возраст
популяции зависит от рождаемости, смертности и выживаемости.
Рождаемость К - это число рождений в единицу времени, смертность Р число смертей в единицу времени. Выживаемость Р / К - средняя для
популяции вероятность сохранения особей каждого поколения за
определенный промежуток времени. В молодых популяциях рождаемость
превышает смертность, в старых - наоборот. Кривая выживания
характеризует популяцию, она строго индивидуальна. На рис. 6.2
представлена кривая выживания для различных организмов.
1000
Число доживших особей
I
100
II
10
1
III
0,1
В о з р а с т
Рис. 6.2. Различные типы кривых выживания:
I – для высших млекопитающих и человека;
II – для хищников, крупных
грызунов, птиц; III – для насекомых, растений и простейших
Кривая типа I наблюдается у высших животных и человека, K > P. В
этом случае особи живут долго и умирают от старости. Кривая типа II
характерна для хищников, крупных грызунов, птиц, когда К=Р. При этом
наблюдается равновесие между рождаемостью и смертностью, до старости
доживают лишь отдельные особи. Кривая типа III наблюдается у насекомых,
рыб, простейших. К < Р, большинство особей погибает в детстве, до старости
не доживает никто. Кривая выживаемости связана с генетической структурой
популяции. У высших животных существуют семьи, где заботятся о
потомстве, вследствие чего почти все дети выживают и кривая выпуклая.
36
Экспериментальные данные о численности, рождаемости и выживаемости
позволяют предсказать численность и плотность популяции в определенный
момент времени (через 5 лет, например).
3. Половая структура популяции может отсутствовать, как, например, у
однодомных растений или простейших, размножающихся почкованием. У
млекопитающих, птиц и рыб число самок приблизительно равно числу
самцов в данный момент времени. Такое соотношение обеспечивает
стабильное воспроизводство популяции.
4. Генетическая структура популяции определяется генофондом вида и
предусматривает деление на группы внутри популяции. Обмен генетической
информацией происходит между родителями и детьми. Семья - простейшая
постоянная группировка особей, которая после окончания сезона
размножения может распадаться, а может состоять из родителей и потомков
в течение нескольких поколений. Примером семей могут служить кланы у
гиеновых собак, прайды у львов, пары лебедей. Китообразные, копытные,
приматы живут, как правило, стадами. Стадо представляет собой группу
животных внутри популяции, которые сохраняют близость друг к другу,
одинаково себя ведут. Стая - это временная подвижная группировка особей,
объединенная территорией и общей охотой. Группы типа стаи или стада
имеют иерархическую структуру, молодняк обучается более старшими
особями (обмен информацией между поколениями).
ТЕСТ
1. Чем популяция отличается от биологического вида?
1. Численность популяции больше.
2. Численность популяции меньше.
3. Популяция содержит несколько видов.
2. Чем популяция отличается от биологического вида?
1. Популяция определяет экологические связи в экосистеме.
2. Место обитания популяции не ограничено одним континентом.
37
3. Численность популяции:
1. Величина постоянная, от времени не зависит.
2. Величина осциллирующая, зависит от времени.
3. Иногда равна нулю.
4. Не зависит от внешних условий.
4. Плотность популяции:
1. То же самое, что численность популяции.
2. Величина постоянная.
3. Величина переменная, зависит от внешних условий.
5. Каждая популяция представляет собой:
1. Хаотическую, бесструктурную группу особей.
2. Упорядоченную, структурированную группу особей.
3. Упорядоченную, бесструктурную группу особей.
6. Кривая выживаемости у человека:
1. Прямая.
2. Вогнутая.
3. Выпуклая.
7. Возрастная структура устойчивой популяции людей следующая:
1. Юность – 20 %, зрелость – 50 %, старость – 30 %.
2. Юность – 33 %, зрелость – 33 %, старость – 33 %.
3. Юность – 20 %, зрелость – 60 %, старость – 20 %.
8. Половая структура устойчивой популяции людей следующая:
1. Мужчин и женщин поровну.
2. Мужчин больше, чем женщин.
3. Мужчин меньше, чем женщин.
38
7. СВОЙСТВА ПОПУЛЯЦИЙ
Динамика популяций
Популяция представляет собой динамичную, изменяющуюся со
временем систему. Меняться могут плотность, рождаемость, выживаемость,
численность популяции. Рассмотрим подробно динамику численности
популяций. Численность популяции в заданной среде описывается линейным
дифференциальным уравнением первого порядка:
dX
 K  X (N  X )  p  X ,
dt
где К - постоянный коэффициент рождаемости, p - постоянный коэффициент
смертности, N - способность среды поддерживать популяцию (максимально
возможная численность популяции). Решение этого уравнения представляет
собой функцию
X  (N 
p
p
) /{1  C  exp[ t  K ( N  )]}.
K
K
Постоянная интегрирования С определяется из начальных условий:
при t = 0 численность популяции равна Х0. Рассмотрим два предельных
случая:
1. При t → 0
exp → 1,
Х → Х0.
2. При t → ∞
exp → 0,
Х → (N - р/К).
Численность, N
На графике рис. 7.1 это логистическая кривая.
K
0
Рис. 7.1. Логистическая кривая.
Время, t
В соответствии с принципом минимального и максимального размера
популяции численность не может превышать строго определенной величины
(N - р/К) и не может быть меньше величины Х0. Популяция перестает расти,
39
когда ресурс среды (пища) оказывается исчерпанным. Вспомните принцип
конкурентного вытеснения Гаузе. Если решить систему из двух уравнений
dX 1
 K1  X 1 [ N1 ( X 1 , X 2 )  X 1 ]  p1  X 1 ,
dt
dX 2
 K 2  X 2 [ N 2 ( X 1 , X 2 )  X 2 ]  p2  X 2 ,
dt
получим две логистические кривые.
Из
анализа
устойчивости
решения
приведенной
системы
дифференциальных уравнений следует возможность появление новых видов
и вытеснения старых видов (Х1) новыми (Х2), если N2 - p2 / K2 > N1 - P1 / K1 . В
процессе вытеснения численность Х1 популяции 1 падает, в то время как
численность Х2 популяции 2 растет. На рис.7.2 показано последовательное
заполнение экологической ниши новыми видами.
Х
Х3
Х2
Х1
Рис. 7.2. Последовательное заполнение экологической ниши
новыми видами (принцип конкурентного исключения Гаузе).
t
Таким образом, различные популяции имеют разную динамику
численности. Различают три типа динамики численности (рис. 7.3):
I. Стабильная динамика. Характеризуется малой амплитудой колебаний
и большим (около 20 лет) периодом. Наблюдается у крупных животных с
малой плодовитостью и большой продолжительностью жизни (слоны, киты,
приматы, человек).
II. Лабильная динамика. Характеризуется периодом 5-11 лет и большей
амплитудой. Наблюдается у крупных птиц, рыб, хищников, грызунов.
40
Численность популяции
III
II
I
Годы
Рис. 7.3. Различные типы динамики численности популяции.
III. Эфемерная динамика. Характеризуется неустойчивостью
численности (амплитуда колебаний велика) и малым (4 - 5 лет) периодом
колебаний. Наблюдается у мелких грызунов и насекомых.
Иерархия, поведение
Рассмотрим иерархию стада павианов на опасном участке саванны.
Внутри стада идут самцы-иерархи, самки с детенышами и детеныши
несамостоятельные. Это самое безопасное место в стаде, одновременно
удобное для управления и обозрения. Впереди стада идут самцы второго
ранга, это наиболее опасное место. При встрече с хищником самцы второго
ранга выстраиваются полумесяцем, стремясь задержать и окружить
противника. В это время остальное стадо убегает. Позади и с боков стада
идут самцы третьего ранга, охраняя его. Таким образом, выстраивается
пехота в предбоевом порядке. Специально выработанная система сигналов
позволяет животным найти брачные пары, защитить свою территорию,
обеспечить выживание потомства. При территориальных стычках самцы
принимают угрожающие позы, издают звуки, метят территорию, но при
первых признаках испуга отступают и складывают оружие. То есть самцы
внутри стада не уничтожают друг друга, а борются насмерть только с
чужаками или хищниками.
41
Структура популяции, иерархия внутри популяции строго
поддерживаются с помощью поведения. Поведение определяется основными
принципами биологической морали:
1. Не бить лежачего.
2. Не трогать детенышей.
3. Не покушаться на чужую территорию, чужое гнездо, чужую самку.
4. Не нападать неожиданно или сзади.
5. Не отнимать и не воровать пищу.
Таким образом, популяция имеет структуру, изменяющуюся со
временем. Меняется также численность популяции, но в определенных
пределах. Большое значение имеет характеристика плотности популяции.
Если она превышена и не соответствует внешним условиям, то рождаемость
падает, а смертность увеличивается. Например, резкое увеличение плотности
популяции саранчи или леммингов вызывает их миграцию, и, дойдя до моря,
они гибнут. При этом восстанавливается численность и плотность,
популяция остается устойчивой. В случае большой скученности наблюдается
также частичная гибель от эпидемий и конкурентной борьбы. То есть
популяция сама поддерживает свою численность и плотность.
Характеристикой устойчивой популяции является кривая выживания.
Внутри популяции осуществляется обмен энергией и веществом (через пищу
- молоко у млекопитающих), информацией либо о внешней среде от
родителей к детенышам, либо генетической при рождении. Популяция, как
любая система, подчиняется системным законам.
Отношения между популяциями
Разные популяции могут взаимодействовать между собой. Вспомните
об отношениях в экосистеме: принцип конкурентного исключения Гаузе,
парадокс Хатчинсона. Таким образом взаимодействуют популяции одного
вида, а также особи внутри одной популяции. Могут быть отношения типа
"хищник-жертва", "паразит-хозяин", симбиоз. С помощью этих отношений
взаимодействуют популяции разных видов. Все эти отношения регулируют
численность различных популяций. Уравнения Лотки - Вольтерры,
описывающие численность популяций хищников и их жертв, имеют вид
dx/dt = by;
dy/dt = - bx,
где b - постоянный коэффициент, определяющий степень поддержки со
стороны окружающей среды, x(t) - численность популяции жертв, y(t) численность популяции хищников. В фазовом пространстве x, y решение
имеет форму концентрических окружностей. То есть численность
взаимодействующих популяций постоянна, популяции устойчивы.
Если перевести уравнения Лотки - Вольтерры в систему координат,
связанную со временем (путем дифференцирования обоих уравнений),
получим:
42
d2х / dt2 = - b2 х,
d2y / dt2 = - b2 y.
Решением системы уравнений является функция х(t) = exp (-bt) в
соответствии с выбранными начальными условиями х = sin(bt), y = cos(bt).
хищник
жертва
хищник
численность
жертва
годы
численность
а) теоретическая зависимость численности популяций
хищников и их жертв
заяц
900
800
рысь
700
600
500
400
300
1885 1886 1887 1888 1889 1890 1891 1892 1893
б) экспериментальная зависимость численности
популяций хищников и жертв
Рис. 7.4. Временные зависимости численности
популяций хищников и их жертв.
То есть численность популяции хищников отстает по фазе на π / 2 от
численности жертв. Зависимости x(t), y(t) показаны на рис.7.4: верхняя (а) –
теоретическая и нижняя (б) - реальная.
43
Следует заметить, что на экспериментальной кривой численность
жертв превышает численность хищников. Это находится в полном
соответствии с законами экологии (вспомните распределение биомассы по
трофическим уровням).
Вольтерра сформулировал три следующих закона взаимодействия
популяций хищника и жертвы:
1. Процесс уничтожения жертвы хищником приводит к периодическим
колебаниям численности популяций обоих видов; эти колебания зависят
только от скорости роста популяций хищника и жертвы и от исходного
соотношения их численностей.
2. Средняя численность популяции для каждого вида постоянна
независимо от начального уровня при условии, что скорости увеличения
численностей и эффективность хищничества постоянны.
3. При нарушении популяций хищника и жертвы в силу внешних
причин (например, уменьшение численности рыб в ходе промысла) средняя
численность популяции жертвы растет, а популяции хищника падает.
Уравнения Лотки - Вольтерры и законы Вольтерры действуют внутри
сообществ, когда взаимодействуют популяции разных видов. Их можно
назвать законами сообществ.
ТЕСТ
1. Динамика численности популяции людей:
1. Эфемерная.
2. Лабильная.
3. Стабильная.
2. Динамика численности популяции насекомых:
1. Эфемерная.
2. Лабильная.
3. Стабильная.
3. Уравнение первого порядка для определения численности популяции
имеет вид:
1. dх/dt = Кх(N-х) - Pх .
2. dх/dt = Кх(N-х) – Kх.
44
3. dх/dt = Кх(N-х) – Nх.
4. Принцип конкурентного исключения Гаузе выполняется при условии
(вид 2 вытесняет вид 1):
1. N2 - P2 / К2 > N1 - P1 / К1 .
2. N2 - P2 / К2 < N1 - P1 / К1 .
3. N2 - P2 / К2 = N1 - P1 / К1.
5. Связана ли логистическая кривая для популяции с принципом
минимального и максимального размера популяции?
1. Да.
2. Нет.
6. Уравнения Лотки - Вольтерры описывают:
1. Совместное изменение численности популяций симбионтов.
2. Совместное изменение численности популяций паразитов и хозяев.
3. Совместное изменение численности популяций хищников и жертв.
7. Численность популяций хищников и их жертв не совпадает во
времени:
1. Жертвы опережают хищников.
2. Хищники опережают жертв.
3. Меняются одновременно.
8.
45
Какие характеристики
1.Численность популяции.
2. Плотность популяции.
устойчивой
популяции
постоянны?
8. ОРГАНИЗМ И УСЛОВИЯ ЕГО СУЩЕСТВОВАНИЯ
Организм в популяции
Живым организмом называют белковое тело, осуществляющее обмен
веществ с окружающей средой и способное к самовоспроизведению.
Организм - это живая система, являющаяся единицей биогенного
круговорота веществ. Жизнедеятельностью организма управляют системные
законы. С организма начинается круговорот веществ в природе, обмен
информацией и энергией.
Основными признаками организма являются: высокоупорядоченное
строение, получение энергии из окружающей среды, использование энергии
на поддержание и увеличение своей упорядоченности, активная реакция на
окружающую среду, индивидуальное развитие, размножение. Организм
испытывает внутренний круговорот веществ, испытывает динамику изменение характеристик со временем. Организм неразрывно связан со
средой обитания, наблюдается взаимное влияние.
Экологические факторы
Экологи говорят, что на организм действуют ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
ФАКТОРЫ:
1. АБИОТИЧЕСКИЕ, отражающие влияние неживой природы. К ним
относятся свет, температура, влажность, ветер, состав воздуха, давление,
течения, долгота дня, состав почвы, соленость воды.
2. БИОТИЧЕСКИЕ, которые представляют влияние других организмов
(животных и растений) на выбранный. К ним относятся конкуренция
(выживает сильнейший), взаимодействие между популяциями (хищничество,
паразитизм, симбиоз), отношения между полами.
3. АНТРОПОГЕННЫЕ, представляющие влияние человеческой
деятельности на природные организмы. К ним относятся техногенные:
электромагнитные поля, радиация, загрязнение, подтопление, осушение,
беспокойство.
Всегда действует правило соответствия организма той среде, в которой
он живет. Рассмотрим влияние абиотических факторов на организм. Любой
организм может существовать в определенном интервале температур,
солености, влажности, составе атмосферы. Речные рыбы не живут в морях,
луговые травы не расту в высокогорье, белые медведи не водятся в Африке.
Для отдельного организма существует свой диапазон изменения
абиотического фактора, благоприятный для него, - диапазон выносливости
или ТОЛЕРАНТНОСТИ. При этом рост и развитие организма подчиняется
не тому фактору, которого много, а тому, которого мало (правило Либиха).
Диапазон толерантности организма к лимитирующему фактору узок, к нему
46
наблюдается максимальная чувствительность. Действует принцип
ограничивающего
фактора
при
минимальном
значении
любого
экологического фактора и при его максимальном значении.
Закон Либиха – Шелфорда
численность
ЗАКОН ЛИБИХА-ШЕЛФОРДА формулируется следующим образом:
лимитирующим фактором развития организма может быть как минимум, так
и максимум экологического фактора: диапазон между ними определяет
величину толерантности организма. Для каждого отдельного организма
существует свой набор экологических факторов. Для растений это свет,
температура, влажность, состав почвы. Для животных - свет, температура,
пища. Экологическая кривая зависимости комфорта растений от
температуры воздуха представлена на рис.8.1.
t
Предел
устойчивости
Стресс
Оптимальные
условия
Стресс
Предел
устойчивости
Условия среды
Рис. 8.1. Экологическая кривая.
Анализ данного рисунка показывает, что имеется одна зона оптимума,
где организм чувствует себя лучше всего и численность популяции
наибольшая; две - пессимума, где организм чувствует себя хуже, но еще
способен существовать. По оси ординат на рис. 8.1 указана численность
живых организмов, а по оси абсцисс - температура.
47
Диапазон толерантности растений к температуре
определяется
разницей между самой высокой и самой низкой температурой, при которой
растения еще могут существовать.
Следствия закона Либиха-Шелфорда:
1. Организмы могут иметь широкие границы устойчивости в
отношении одного фактора и узкие - в отношении другого
2. Организмы с широкими границами толерантности ко всем факторам
обычно широко распространены
3. Период размножения является критическим: в этот период многие
факторы становятся лимитирующими. Пример: взрослый кипарис может
расти и на сухом нагорье, и в болотистой почве. Но размножается только там,
где почва влажная, но незаливаемая.
На организмы действует принцип РАВНОЗНАЧНОСТИ: все
экологические факторы, необходимые для жизни организма, играют
одинаковую роль. Толерантность организмов зависит от их возраста и пола.
Обычно более толерантны особи среднего возраста мужского пола.
ПРАВИЛО ГЕОДЕКЯНА: женский организм более чуток к
экологическим факторам, границы его толерантности уже, чем у мужского.
Один и тот же экологический фактор по-разному влияет на различные
функции организма: оптимум для одних есть пессимум для других (ЗАКОН
СЕЛЕКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРА). Например, соленость пищи не
важна для дыхания, зато имеет большое значение для пищеварения у людей.
ПРАВИЛО ФАЗОВЫХ РЕАКЦИЙ: малые концентрации токсинов
действуют на организм в направлении усиления функций, а более высокие
концентрации угнетают и приводят к смерти. Например, плодовитость
млекопитающих (особенно мышей и крыс) повышалась на величину от 15 до
100 % при облучении от 0.1 до 1.5 Грей, а длительность жизни
увеличивалась; вредное же действие наблюдалось при 1-2 Грей. 1 Гр = 1Дж /
1кг - единица дозы излучения.
ПРАВИЛО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ОПТИМУМА: экологические
факторы обитания вида оптимальны в центре ареала. То есть в центре ареала
наблюдается наибольшая численность популяции. Здесь под экологическими
факторами следует понимать биотические плюс абиотические. Биотическим
фактором может быть конкуренция, хищники. При этом ареал должен быть
сплошным, не прерывистым и не изменчивым, как в случае мигрирующих
организмов. Последний закон связывает экологические факторы между
собой и действует на уровне популяции, а не отдельного организма.
48
Действие абиотических факторов на организмы
Рассмотрим подробнее действие абиотических факторов.
1. СВЕТ. Диапазон длин волн солнечного излучения широк:
инфракрасное излучение ИК (экологический фактор - температура), видимое
излучение (свет), ультрафиолетовое ионизирующее УФ (экологический
фактор - радиация). Состав лучистой энергии: ИК – 45 %, видимый свет –
45 %, УФ – 10 %. Солнечная энергия определяет фотосинтез растений,
который является главным процессом биогенного круговорота веществ в
биосфере. Для фотосинтеза необходимо излучение диапазона длин волн от
380 до 740 нм. Интенсивность фотосинтеза определяет продуктивность
экосистемы. Кроме того, поступление солнечной энергии зависит от сезона
года и времени суток, определяя биологический ритм жизни живых существ.
Реакция живых существ на соотношение светлого и темного периода суток
называется фотопериодизмом. В умеренных и полярных широтах
распространены длиннодневные растения, в субтропиках - короткодневные.
Фотопериодизм у растений определяет цветение, образование плодов и
клубней, у животных - плодовитость, линьку, спячку. Примеры влияния
сезонности и долготы дня на жизнь животных: у животных в
неблагоприятный период наблюдается диапауза - снижение скорости обмена
веществ (спячка). Сильное замедление обмена веществ, при котором
отсутствуют видимые признаки жизни, называется анабиозом. Свет
определяет внешний обмен энергией организма с окружающей средой и
внутренний обмен веществ организма.
2. ТЕМПЕРАТУРА. Влияет на выживаемость, толерантность,
плодовитость, количество потребляемой пищи. Большинство животных
могут существовать только в интервале температур от 0 до 50 оС (диапазон
толерантности
к
температуре),
однако
встречаются
бактерии,
о
о
выдерживающие температуры –200 С и +200 С. Температура влияет на
обмен энергией (теплообмен) организма с окружающей средой и является
катализатором внутреннего обмена веществ (синтез и расщепление
высокомолекулярных соединений).
3. ВЛАЖНОСТЬ. Влажность атмосферы (содержание паров воды в
атмосфере) важна для растений, поскольку они поглощают воду
поверхностями листьев и стеблей. Этот фактор является лимитирующим для
растений. Для животных это важный экологический фактор.
4. ВОДА. Это важный экологический фактор для организмов водных
экосистем. В пресноводных экосистемах играет роль прозрачность, газовый
состав, плотность, течение, показатель кислотности рН. В морских
экосистемах определяющим фактором является еще и соленость.
Содержание кислорода в воде является лимитирующим фактором для рыб.
Этот фактор определяет обмен веществом с окружающей средой (водный
обмен) и влияет на внутренний обмен веществ.
49
5. РАДИАЦИЯ. Вспомните закон накопления токсинов и радиации в
пирамиде энергий. Этому закону подчиняется любой организм, в том числе
человеческий, при воздействии радиации. Поглощенная доза накапливается в
костном мозге, вызывая необратимые болезненные изменения организма.
Чем организованнее организм, тем больше накопление в пирамиде, то есть
человек страдает больше всех. В экосистемах ионизирующие излучения
воспринимаются и задерживаются растениями. Действует правило фазовых
реакций.
6. КИСЛОРОД. Для сухопутных организмов имеет значение
содержание кислорода в воздухе, для водных - в воде. Является
лимитирующим фактором для всех организмов. Определяет обмен
веществом (газообмен) с окружающей средой в воздухе, почве, водоемах.
Важен для обмена веществ в организме, так как кислород входит в
восстановительно-окислительные реакции, служащие источником энергии
для организма.
Как влияет организм на окружающую среду? Любой организм
изменяет среду своего обитания. Растения обогащают воздух кислородом,
используют углекислый газ, образуют опад, являющийся пищей для
бактерий, снижают освещенность, задерживают осадки, ослабляют
радиацию. Их корневая система изменяет состав почвы, разрыхляет ее.
Землероющие животные (ондатры, землеройки, кроты) и черви также
изменяют состав почвы. Многие водоросли, бактерии
и моллюски
накапливают элементы периодической системы (кремний, йод, стронций,
цинк, марганец), образуя за миллионы лет осадочные породы и полезные
ископаемые.
ТЕСТ
1. К абиотическим факторам относятся:
1. Конкуренция.
2. Радиация.
3. Кислотность среды.
2. К биотическим факторам относятся:
1. Хищничество.
2. Температура.
3. Электромагнитные поля.
3. К антропогенным факторам относятся:
1. Паразитизм.
2. Загрязнение атмосферы.
3. Соленость воды.
4. Закон Либиха-Шелфорда на графике выглядит как:
50
1. Экспонента.
2. Колоколообразная кривая.
3. Гармоническая функция.
5. Лучше других выживают и широко распространены организмы:
1. С широким диапазоном толерантности к свету.
2. С узким диапазоном толерантности к температуре.
3. С широким диапазоном толерантности к влажности.
4. С широким диапазоном толерантности ко всем экологическим
факторам.
6. На изменение толерантности организма влияют:
1. Внешние условия.
2. Внутренние особенности организма.
3. Не зависит и не меняется.
7. Лимитирующим фактором для растений является:
1. Температура.
2. Свет.
3. Влажность.
4. Конкуренция.
8. Лимитирующим фактором для животных является:
1. Свет.
2. Влажность.
3. Содержание О2 в атмосфере.
4. Хищники.
9. Лимитирующим фактором для рыб является:
1. Содержание О2 в воде.
2. Температура воды.
3. Плотность воды.
10. Лимитирующим фактором для человека является:
1. Температура.
2. Уровень радиации.
3. Пища.
4. Свет.
51
9. АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМОВ
Адаптация и жизненные формы
Разнообразие животного и растительного мира планеты необозримо
велико. Ученые различают миллионы жизненных форм животных одного
вида, обитающих в разных экологических условиях. Процесс
приспособления организма к экологическим факторам называется
АДАПТАЦИЕЙ, а в процессе ее возникают разные жизненные формы.
Адаптация представляет собой динамику данного организма. У организмов в
ходе адаптации возникают и развиваются свойства, позволяющие им выжить
и размножаться, сохраняя численность популяции. К адаптации можно
отнести приспособительную окраску, мимикрию - подражание животных и
растений различным формам живой и неживой природы, коллективное и
индивидуальное поведение.
Законы адаптации к абиотическим факторам
Рассмотрим несколько экологических законов, описывающих
адаптацию организмов к различным абиотическим факторам.
Адаптация к температуре:
ПРАВИЛО БЕРГМАНА-ГЕССЕ: у теплокровных животных одного
вида размеры тела и масса сердца тем больше, чем в более холодной среде
они обитают. Эта закономерность связана с усилением термодинамического
обмена и кровоснабжения в умеренных и холодных широтах.
ЗАКОН ПОКРОВОВ ТЕЛА: густота покровов тела у птиц и
млекопитающих достигает максимума в холодных и засушливых широтах.
Густой мех помогает сохранить тепло и влагу.
ПРАВИЛО АЛЛЕНА: выступающие части тела (конечности, хвост,
уши) увеличиваются в размерах при продвижении с севера на юг у одного и
того же вида животных. Это помогает термодинамическому обмену с
окружающей средой.
Адаптация к плотности среды:
ПРАВИЛО ЖОРДАНА: в водоемах с повышенной соленостью и более
низкими температурами в хвостовой части тела возрастает число позвонков.
Это связано с приспособлением к движению в более плотной воде. Можно
усмотреть закономерность удлинения тела у роющих животных и червей.
Этот связано с движением в более плотной среде.
52
Адаптация к свету:
ПРАВИЛО ГЛОГЕРА: виды животных северных и влажных
географических зон имеют окраску более темную, чем обитатели южных
сухих зон. Это связано с тем, что темная окраска способствует аккумуляции
тепла и имеет низкий коэффициент отражения света.
Более общий закон на уровне сообщества: ПРАВИЛО УОЛЛЕСА:
видовое разнообразие повышается по мере продвижения с севера на юг.
Разнообразие видов связано с общим потоком энергии и биогенным
круговоротом веществ, что соответствует закону максимизации энергии и
информации.
Сказанное объясняет ПРАВИЛО ОСТРОВНОГО ИЗМЕЛЬЧАНИЯ:
популяции видов животных, обитающих на островах, состоят из более
мелких особей, чем материковые популяции. Это связано с тем, что
генетическая информация вида передается не полностью, а лишь частично
нескольким первым представителям вида, попавшим на остров. Из-за этого
происходит измельчание.
Адаптация к биотическим факторам
Наблюдается также адаптация к биотическим факторам. Примером
может служить отношение между популяциями хищника и жертвы. У
хищников развиваются способы нападения и умерщвления (например, зубы у
львов и крокодилов). У жертвы развиваются способы бегства и защиты
(например, ноги у антилоп или мимикрия у сусликов).
В ходе адаптации выработались вторичные половые признаки:
поведение самца и самки различно и направлено на привлечение особи
противоположного пола. Отношение родителей к детенышам является
адаптацией и специфично.
Интересны адаптации к биотическим факторам у растений. Сорняки
подавляют жизнедеятельность полезных растений (злаков, овощей). Сосны и
ели выделяют фитонциды, которые угнетают травянистую растительность
под кроной.
Влияние антропогенных факторов на живой организм
Воздействие антропогенных факторов на окружающую среду
отличается от воздействия абиотических факторов тем, что оно резко меняет
среду обитания и его последствия трудно предсказать. В случае
антропогенного воздействия природные адаптации часто не спасают живые
существа. Ядовитые загрязняющие вещества становятся лимитирующим
фактором жизни на планете.
Изменение теплового режима среды обитания является наиболее
распространенным явлением антропогенного происхождения. Сброс
53
нагретых сточных вод в водоемы сказывается на жизни обитателей водных
экосистем. Повышение температуры в озерах, прудах, реках может иметь как
отрицательные, так и положительные последствия. Умеренное повышение
температуры приводит к повышению продуктивности водоема. Однако
повышение температуры до 30 оС оказывает отрицательное воздействие на
жизнь водоема:
1. Усиливается восприимчивость к ядовитым веществам, грибковым и
другим заболеваниям.
2. Нарушается индивидуальное развитие организмов, так как
повышаются критические температуры для стенотермных (с требованием к
малым колебаниям температуры) стадий развития.
3. Вымирает обычная для водоема флора и усиливается развитие синезеленых водорослей
4. Снижается растворимость и содержание в воде кислорода, что
нарушает дыхание животных.
Массовое развитие некоторых водных растений, наблюдаемое при
повышенных температурах, сопровождается поглощением свободной
углекислоты и смещением карбонатно-кальциевого равновесия. Накопление
в подогретой воде органических веществ и их разложение приводит к
минерализации воды и уменьшению растворенного кислорода.
Ядохимикаты,
нефтепродукты,
тяжелые
металлы,
отходы
промышленного производства действуют отрицательно на живые организмы.
Многие из этих веществ искусственно созданы человеком, и экосистемы в
ходе эволюции не подготовлены к встрече с ними. Действие химического
загрязнения разнообразно и зависит от чувствительности организма: оно
способно выводить из строя ферментные системы, нарушать функции
дыхания, пищеварения, подавлять условно-рефлекторную деятельность.
Химическое загрязнение может оказывать косвенное влияние.
Например, многие бактерии способны улавливать местонахождение
взвешенных в воде органических частиц и двигаться в том направлении за
пищей. В присутствии нефти они теряют подвижность и гибнут от голода.
Дафнии (рачки) служат прекрасным кормом для рыб. Они могут жить в
слабых растворах солей некоторых тяжелых металлов, но в третьем
поколении становятся бесплодными. Численность дафний уменьшается, и
рыбы гибнут от голода. Вообще дафния - один из самых уязвимых водных
организмов. Процеживая через себя воду, рачки концентрируют находящиеся
в ней вещества и первыми гибнут от загрязнения. Подобные
высокочувствительные организмы играют роль слабых звеньев в
трофических цепях. С них начинается разрушение трофических связей.
Таким образом, экосистема не справляется с функцией самоочищения и
разрушается в условиях высокого загрязнения.
Загрязняется также атмосфера как среда жизни. Рассмотрим
совместное действие загрязняющих веществ, взаимно усиливающих эффект
54
воздействия. В результате общий эффект загрязнения становится больше,
чем простая сумма воздействий. В присутствии солнечного света такие
компоненты выхлопных газов, как оксиды азота и углеводороды, вступают в
реакцию и образуют более ядовитые вещества:
оксиды азота +углеводороды +УФ лучи → пероксиацетилнитрат + озон.
Озон усиливает дыхание листьев, вызывая расход запасных
питательных веществ, что приводит к гибели растения. Пероксиацетилнитрат
неблагоприятно влияет на фотосинтез, и растение гибнет от того, что
уменьшается образование питательных веществ.
ТЕСТ
1. Открытыми системами являются одновременно:
1. Биотоп, популяция.
2. Биоценоз, экосистема, экологическая пирамида.
3. Биосфера Земли, популяция, экосистема.
4. Экологическая ниша, организм.
2. Живой системой высшей степени порядка является:
1. Биосфера Земли.
2. Экосистема.
3. Организм.
3. Высшей надсистемой по отношению к перечисленным является:
1. Экосистема.
2. Популяция.
3. Сообщество.
4. Низшей подсистемой по отношению к перечисленным является:
1. Биосфера Земли.
2. Организм.
3. Популяция.
5. Выберите правильную запись реакции фотосинтеза:
1. 6СО2 + 10Н2О = С6Н10О6 + 6О2 + 5Н2О
2. 5СО2 + 12Н2О = С5Н12О6 + 5О2 + 6Н2О
3. 6СО2 + 12Н2О = С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О
6. Выберите правильную запись реакции разложения озона:
1. О3 = О2 + О
2. 2О3 = 3О2 + 3О
3. О5 = О2 +3О
7. Выберите правильную запись реакции синтеза углекислого газа в атмосфере:
1. О2 + 2С2 = СО2
55
2. 2О2 + С2 = 2СО2
3. О2 + 3С2 = СО2
8. Выберите правильную запись реакции синтеза угольной кислоты в
атмосфере:
1. СО2 + Н2О = Н2СО3
2. 2СО2 + Н2О = 2Н2СО3
3. 3СО2 + Н2О = 3Н2СО3
9. Выберите правильную запись реакции синтеза серной кислоты в
атмосфере:
1. 2SО2 + 2Н2О + О2 = 2Н2SО4
2. SО2 + Н2О = Н2SО4
3. SО2 + 2Н2О = Н2SО4 + 3Н2
4. SО2 + Н2О = Н2SО3
10. Выберите вещества, входящие в биогенный круговорот азота в биосфере:
1. Нитраты, аммиак.
2. Углекислый газ, нитраты.
3. Вода, аммиак.
11. Выберите вещества, входящие в биогенный круговорот водорода в атмосфере:
1. Углеводы.
2. Вода.
3. Аммиак.
4. Все ответы правильны.
12. Выберите недостающее звено в трофической цепи листовая
подстилка -... - черный дрозд - ястреб:
1. Кустарник.
2. Воробьи.
3. Черви, улитки.
13. Выберите недостающее звено в трофической цепи планктон - елец,
карась - ... - рыбак:
1. Щука.
2. Лягушка.
3. Уж.
14. Выберите процессы самоочищения в разных экосистемах:
1. Кислотные дожди, парниковый эффект.
2. Разрушение озонового слоя, эпидемия.
3. Кислотные дожди, эпидемия.
56
10. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ
Человек в биосфере планеты
Мы рассмотрели несколько систем (биосфера, экосистема, популяция,
организм - окружающая среда) и место организма в различных системах.
Человек также является живой подсистемой и имеет определенное место в
этих системах. Человек представляет собой более сложную систему, чем
любой другой организм, и рассматривается в экологии трояко:
1. Как организм.
2. Как социальное существо.
3. Как интеллектуальное существо.
В соответствии с этим потребности человека более сложны и
подразделяются на следующие виды:
1. Материальные (естественные)
2. Социальные.
3. Интеллектуальные.
Заметим, что социально-интеллектуальные потребности у животных
отсутствуют. Итак, согласно системному (экологическому) подходу,
объектом изучения является человек или человеческая популяция
(человечество в целом). Окружающая человека среда также усложняется по
сравнению с окружающей средой для других организмов и разделяется на
следующие части:
1. Природная среда (как в случае остальной природы). Происходит
обмен энергией, веществом и информацией.
2. Квазиприродная среда. Характеризуется модификацией природной
среды и отсутствием самоподдержания, но входит в биогеохимические
циклы. К квазиприродной среде относят пахотные земли, грунтовые дороги,
зеленые насаждения (парки и бульвары), домашних животных. Поддержание
квазиприродной среды требует энергетических затрат со стороны
человечества.
3. Артеприродная среда. Создана искусственно, не имеет аналогов в
природе и не входит в естественные биогеохимические циклы. К
артеприродной среде относят асфальтовые и бетонные дороги, здания,
транспорт, технологическое оборудование, синтетические вещи. Требует для
своего поддержания энергетических и вещественных затрат со стороны
человечества.
4. Социальная среда. Характеризуется культурно - психологическим
климатом, построенным в основном на информационном обмене. Этот
климат включает в себя экономическую обеспеченность, гражданские
свободы, степень уверенности в завтрашнем дне, моральные нормы общения.
Таким образом, объект изучения усложняются по сравнению с другими
организмами, усложняется также окружающая среда и обменные процессы.
57
Кроме того, человек и человечество подвержены эволюции и не являются
статическими системами. В то же время это открытые системы.
Адаптация как показатель развития
Линия человека отделилась от линии обезьян не ранее 15 и не позднее
6 млн. лет назад. Современный человек появился не позднее 40тыс. лет
назад. За это время люди приобрели адаптации, отличающие их от других
видов организмов:
1. Научились изготавливать простейшие орудия, чтобы обеспечить себя
животной пищей (поскольку человек является гетеротрофным организмом).
2. Освободили передние конечности от передвижения и образовали
руки.
3. Приобрели прямохождение.
4. Ночную активность сменили на дневную.
5. Образовали высокоорганизованные общества.
6. Приобрели речь.
7. Развили высокий интеллект.
Перечисленные адаптации человека были вызваны резкими
изменениями в состоянии окружающей среды: ледниковым периодом,
иссушением климата, сменой растительности и животного мира. В
результате естественного отбора по экологическим факторам (абиотическим
и биотическим) происходили адаптации человека.
Здоровье как мера взаимодействия с окружающей средой
Таким образом, человек - это биологический вид, который наиболее
полно использует природную среду в своей жизнедеятельности. При этом
человек не только улучшает условия жизни, но и самого себя как природное
и социальное существо. Для современного человека понятие „окружающая
среда" состоит из природных, культурных, социально-психологических,
производственных факторов.
Мерой реакции человека на окружающую среду является его здоровье.
Современная наука рассматривает здоровье человека в двух формах:
общественно
популяционной
и
индивидуальной.
Рассмотрим
индивидуальное здоровье.
Всемирная организация здравоохранения определяет ЗДОРОВЬЕ как
состояние полного телесного, душевного и социального благополучия.
(Обратите внимание на третий фактор и скажите, здоровы ли жители России
в наши дни?).
На здоровье влияют:
1. Наследственность.
2. Состояние окружающей среды.
58
3. Образ жизни.
4. Состояние здравоохранения (медицины).
Чтобы быть здоровым, современный человек адаптировался и
адаптируется к условиям внешней среды. Адаптации привели к
возникновению биологического вида Homo sapiens, отличного от своих
собратьев - австралопитеков и питекантропов и, тем более, отличного от
других млекопитающих.
Рассмотрим, каковы последствия основных адаптаций для здоровья
человека.
Одна из основных адаптаций человека - его относительно крупные
размеры. Увеличение размеров тела имеет ряд последствий для организма:
уменьшение относительных энергетических затрат, возможность расширения
источников пищи, индивидуального участка и подвижности.
Человек адаптирован также к определенной величине силы тяжести
Земли. Это привело к возникновению антигравитационной мускулатуры,
способной преодолевать силу тяжести и передвигаться в гравитационном
поле.
Хождение человека на двух ногах привело к уменьшению потока
энергии, получаемой от солнца. Человек получает 2/3 солнечной энергии,
которая достается четвероногому животному.
Теплорегуляция у человека совершенна. Человек способен
поддерживать постоянную высокую температуру тела за счет внутренней
теплопродукции и ее регуляции. Регуляция температуры тела у человека
зависит от потоотделения. Перечислим виды адаптаций человека к высокой
температуре окружающей среды:
1. Морфологический способ - увеличение относительной поверхности
тела.
2. Физиологический способ - повышение легочной вентиляции и
потоотделения.
3. Биохимический способ - повышение вязкости крови.
4. Поведенческий способ - снижение двигательной активности и
перемещение в тень.
По способу питания человек является гетеротрофным организмом,
поэтому сильно зависит от природной среды.
Человек обладает значительным периодом индивидуального развития,
что приводит к замедлению темпов размножения и усилению общественных
отношений по сравнению с животными. Все эти адаптации отличают
человека от других млекопитающих.
Однако не все адаптации человека к окружающей среде совершенны.
Прямохождение, кроме положительных, имеет и отрицательные последствия,
а именно: снижается устойчивость тела, внутренние органы становятся
незащищенными, вышележащие органы давят на нижележащие, ухудшая их
функции.
59
Параметры и состав тела среднего современного человека указаны в
табл.10.1. От состава тела, например объема жира, зависит индивидуальное
здоровье человека.
Параметры и состав тела современного среднего человека
Таблица 10.1.
Современный стандартный человек: рост 170 см; поверхность тела 1,8 м3;
масса 70кг; продолжительность жизни 70 лет.
Вещество
Масса, кг % к массе
Орган
Масса, г % к массе
тела
тела
Мускулатура
30 000
43
Вода
40-46
57-66
Скелет
10 000
14,3
Белок
10
14
Жировая
Жир
7
10
ткань
10 000
14,3
Углеводы
0,7
1
Кожа и подЗола
3,5
5
кожная
клетчатка
6 100
8,7
Кровь
5 400
7,7
Химический
Масса, г % к массе
Желудочноэлемент
тела
кишечный
тракт
2 000
2,9
Печень
1 700
2,4
Кислород (О)
45 500 65
Мозг
1 500
2,1
Углерод (С)
12 600 18
Легкие
1 000
1,4
Водород (Н)
7 000 10
Сердце
300
0,42
Азот (N)
2 100 3
Почки
250
0,35
Кальций (Са)
1 050 1,5
Селезенка
150
0,2
Сера (S)
175 0,25
Мочевой
Натрий (Na)
105 0,15
пузырь
150
0,2
Хлор (Cl)
105 0,15
Поджелудочная
Магний (Mg)
35 0,05
железа
70
0,1
Железо(Fe)
3 0,004
Яички (2)
40
0,06
Марганец (Mn)
0,2 0,0003
Яичник
5-6
0,008
Медь (Cu)
0,1 0,00014
Спинной мозг
30
0,04
Йод (J)
0,03 0,00004 Глаза (2)
30
0,04
Щитовидная
железа
20
0,03
Остальное
1 220
1,7
Важнейшим фактором здоровья является наследственность. Передача
признаков от родителей к потомству связана с особенностями строения и
деления клетки. В ядре каждой клетки имеются хромосомы, состоящие из
спиралей молекул ДНК, отдельные участки которых являются генами и несут
наследственную информацию. Каждая телесная клетка человека содержит 46
хромосом, каждая половая клетка - 23 хромосомы. То есть имеется 22 пары
60
нормальных хромосом и 1 пара половых. Когда сперматозоид и яйцеклетка
сливаются, в сумме получается 46. В зависимости от того, как материнские и
отцовские гены взаимодействуют, ребенок больше похож на того или
другого родителя. Различают три группы наследственных заболеваний.
1. Болезни, связанные с изменением нормального числа или строения
хромосом. Последствием является неправильное формирование внутренних
или внешних органов. Сейчас известно более 750 хромосомных аномалий.
Например, причиной болезни Дауна (врожденное слабоумие) является
наличие лишней 23 нормальной хромосомы.
2. Болезни, связанные с повреждением одного гена. Причем мутантный
ген может быть очень устойчивым. Например, дальтонизмом (невозможность
отличить красный цвет от зеленого) страдают 45 % мужчин и 1 % женщин.
Для проявления заболевания у женщин необходимо 2 аномальных гена, а у
мужчин - 1.
3. Многофакторные болезни. Ведут к болезням с наследственным
предрасположением: инфаркт миокарда, алкоголизм, психические
расстройства.
Болезнь
развивается
только
при
взаимодействии
наследственного задатка с фактором окружающей среды. Поэтому каждый
человек должен знать свою родословную и наследственные задатки, чтобы
избежать наследственных болезней 3 группы.
Методы предупреждения наследственных болезней
1. Профилактика, то есть контроль за состоянием окружающей среды,
исключение мутагенов и снижение норм загрязнений. Поиск антимутагенов.
Это витамины А и Е, зеленые культуры.
2. Планирование семьи. Отказ от близкородственных браков,
установление возраста деторождения от 20 до 35 лет, медико-генетическое
консультирование населения.
3. Дородовая диагностика. В результате нее можно прервать
беременность.
ТЕСТ
1. Выберите адаптации, отличающие человека от других организмов:
1. Совершенная теплорегуляция.
2. Легкие.
3. Сердце.
4. Развитая речь.
2. Выберите адаптации, отличающие человека от других организмов:
61
1. Желудочно-кишечный тракт.
2. Высокий интеллект.
3. Музыкальный слух.
3. Выберите адаптации, отличающие человека от других организмов:
1. Развитая мускулатура.
2. Печень.
3. Коллективизм (высокоорганизованное общество).
4. Человек состоит из воды:
1. На 60 %.
2. На 25 .%
3. На 75 %.
5. Человек состоит из белка:
1. На 30 %.
2. На 5 %.
3. На 14 %.
6. Человек состоит из жиров:
1. На 25 %.
2. На 10 %.
3. На 33 %.
7. Человек состоит из углеводов:
1. На 10 %.
2. На 16 %.
3. На 1 %.
8. Выберите биогенные атомы, наиболее
Вселенной и в телах живых организмов:
1. О, Р, С, Н.
2. S, С, Н, О.
3. О, С, Н, N.
62
распространенные
во
11. ВЛИЯНИЕ БИОСФЕРЫ НА ЧЕЛОВЕКА
Влияние природной среды на индивидуальное здоровье
Организм человека приспособлен к определенной интенсивности и
длительности воздействия природных факторов, которые в норме создают
комфортную среду для здоровья человека. Природными факторами могут
быть суточные колебания температуры, влажности, освещенности,
напряженность электромагнитного поля, природный ландшафт, звуковой
фон, радиационный фон. То есть человеческий организм, как и любой
другой, подчиняется законам влияния экологических факторов, например
закону Либиха-Шелфорда. Избыток или недостаток факторов приводит к
развитию болезненных состояний, что подтверждает характер адаптаций
человека.
Человек зависит от солнечной энергии и освещенности. Вращение
Земли вокруг Солнца (период 365 дней), вращение Земли вокруг оси (период
24 часа), вращение Луны вокруг Земли (28 суток) создали определенные
биоритмы жизни людей. Видимый свет ориентирует человека в
пространстве, влияет на состояние центральной нервной системы,
воздействует на фотохимические процессы в организме, обмен веществ.
Ультрафиолетовые лучи воздействуют на кожу (загар), способствуют
выработке в организме витамина Д. Недостаток солнечной радиации
способствует развитию ряда заболеваний, например, туберкулеза, рахита у
детей. Избыток солнечного света снижает иммунитет организма, повышает
риск развития злокачественных опухолей. Тепло, влажность, свет влияют на
состояние атмосферы и на организм человека через погодные факторы:
ветер, атмосферное давление, электрические явления.
Комфортными для организма являются относительная влажность 40-60 %
и температура воздуха 18-20 оС. Чистый воздух содержит достаточное
количество кислорода и способствует высокой работоспособности. Резкие
изменения погоды опасны для людей с сердечно-сосудистыми
заболеваниями, для здоровых людей служат тренингом.
Жизнь человека ритмична в соответствии с колебаниями состояния
окружающей
среды.
Наблюдаются
околосуточные
(циркадные),
околонедельные, околомесячные, окологодовые ритмы. В соответствии с
этими ритмами повышается или понижается температура тела, меняется
количество адреналина в крови, работоспособность (циркадные ритмы).( Чем
"жаворонки" отличаются от "сов"?)
Наследственность, пол, состояние здоровья определяют адаптации
организма к абиотической среде. Имеется зона оптимума экологических
факторов и лимитирующий фактор - радиация, например.
Различные экосистемы биосферы населены множеством живых
существ, которые прямо или косвенно влияют на здоровье человека.
63
Возбудители болезней также существуют в экосистеме вне связи с людьми
или домашними животными, паразитируя в организме диких хозяев.
Возбудители природно-очаговых заболеваний передаются преимущественно
через насекомых и клещей. Примерами природно-очаговых заболеваний
могут служить малярия, чума, туляремия, клещевой и комариный энцефалит,
клещевой сыпной тиф. Люди и домашние животные могут заражаться
природно-очаговыми болезнями, попадая на территорию природного очага,
где обитают переносчики и возбудители. Болезни, передающиеся через
переносчиков, называются трансмиссивными.
Существуют такие природно-очаговые болезни, которые передаются
контактным путем без переносчиков. К ним относятся бешенство (при
укусе), безжелтушный лептоспироз (через воду), диерсениоз (через пищу),
чума, орнитоз (воздушно-капельным путем).
Существуют эндемические неинфекционные заболевания, связанные с
особенностями химического состава почвы, воды, воздуха в данной
местности. Передаются по трофическим цепям в процессе обмена веществ с
окружающей средой. К ним относится зоб, обусловленный недостатком йода;
флюороз, вызванный избытком фтора; кариес зубов, вызванный недостатком
фтора; анемии, связанные с недостатком железа.
Профилактическими мероприятиями болезней являются: уничтожение
мест скопления грызунов и переносчиков инфекций, оздоровление
ландшафта.
Экстремальные условия. Стресс и адаптация
Подавляющее большинство людей живет в определенном диапазоне
экологических факторов. Адаптации наблюдаются в определенном диапазоне
изменения температуры, влажности, освещенности, давления, радиации.
Если поставить человека в экстремальные условия, к которым не имеется
готовых адаптаций, то человек адаптируется к ним в течение какого-то
времени. Например, экстремальными являются условия жизни на высотах
от 3300 до 5500 м. над уровнем моря (горный Тибет, давление от 500 до
370 мм. рт. ст.); влажные тропические леса (Африка, ср. температура
+28 оС и относительная влажность 70 %); невесомость. Однако местными
жителями приобретены адаптации к этим условиям: большой объем легких у
жителей гор, малый размер поверхности тела у пигмеев, космонавты.
Каким образом происходит адаптация к экстремальным условиям?
Стресс - это неспецифическая реакция организма на сильное внешнее
воздействие. После того как организм испытал стресс, возникают две
связанные между собой цепи реакций. Первая цепь: резко увеличивается
функция системы, на которую падает основная нагрузка в процессе
адаптации. Например, при адаптации к высоте или физической нагрузке в
сердце растут сосуды, снабжающие мышцу сердца кислородом. Вторая цепь
64
(была открыта канадским биологом Гансом Селье): в кровь выбрасывается
гормон надпочечников - адреналин, который мобилизует ресурсы э
организма и передает их целенаправленно на решение задачи. После
установления адаптации стресс-реакция исчезает. Таким образом происходят
адаптации к социальным, физическим, химическим факторам среды.
Адаптации, достигнутые к одним факторам среды, повышают
толерантность
к
другим.
Вредными
для
организма
являются
продолжительные, интенсивные, многократные стрессы. Такие стрессы
вызывают заболевания: язвенную болезнь, гипертонию, атеросклероз,
болезни сердца, диабет, психические, кожные заболевания, злокачественные
опухоли.
Загрязнение окружающей среды разрушает привычную биосферу и
ухудшает здоровье людей. Опасной для здоровья является радиация: дозы
свыше 100 Гр приводят к смерти, свыше 5 Гр - к тяжелой лучевой болезни, от
2 до 5 Гр - к легкой лучевой болезни. До 2 Гр - естественный радиоактивный
фон.
Здоровый образ жизни
Чтобы сохранить здоровье, нужно вести здоровый образ жизни. Образ
жизни - это способ удовлетворения потребностей в рамках природных и
социальных ограничений. Следует заметить, что на фоне неудовлетворенных
потребностей развиваются неврозы. В последние два десятилетия
заболеваемость неврозами у людей возросла в 24 раза в среднем по земному
шару. Понятие образа жизни охватывает труд, культуру, общение, питание и
другое.
Здоровый образ жизни поддерживается в первую очередь в семье.
Семья компенсирует дефицит близкого общения человека, создает ему
комфортный моральный климат. В семье нужно планировать рождаемость,
здоровье.
Возможность реализовать себя человек получает в труде. Культурные
потребности удовлетворяются благодаря посещению концертов, театров,
кино, музеев и т.д.
Питание должно быть умеренным по количеству и калорийности, но
разнообразным и полноценным по составу. Здоровая диета предполагает
ограничение жиров и соли, увеличение доли фруктов, овощей, изделий из
муки грубого помола.
Нужно больше двигаться, возможно, специально заниматься в
спортзале. Недопустимо употребление табака, алкоголя, наркотиков.
Излишества ведут к разрушению здоровья.
65
ТЕСТ
1. С точки зрения экологии, человек это:
1. Живой организм.
2. Социальное существо.
3. Духовное (интеллектуальное) существо.
4. Организм, социальное и духовное существо одновременно.
2. Назовите составляющие окружающей природной среды:
1. Природной и артеприродной среды.
2. Природной, квазиприродной, артеприродной и социальной среды.
3. Природной и социальной среды.
3. Основной обмен информацией происходит между человечеством и:
1. Артеприродной средой.
2. Природной средой.
3. Социальной средой.
4. Основной обмен энергией и веществом происходит между человечеством и:
1. Социальной средой.
2. Природной средой.
3. Природной, квазиприродной, артеприродной средой.
5. К какой группе факторов относится влажность атмосферы?
1. Биотические.
2. Антропогенные.
3. Абиотические.
6. К какой группе факторов относится энцефалитный клещ?
1. Биотические.
2. Антропогенные.
3. Абиотические.
7. К какой группе факторов относится выброс окислов азота в атмосферу?
1. Биотические.
2. Антропогенные.
3. Абиотические.
8. К какой группе факторов относится шум:
1. Антропогенные.
2. Абиотические.
3. Биотические.
9. От каких факторов зависят циркадные ритмы организмов?
1. Вращение Земли вокруг Солнца.
2. Вращение Луны вокруг Земли.
3. Вращение Земли вокруг своей оси.
66
12. ВВЕДЕНИЕ В СОЦИАЛЬНУЮ ЭКОЛОГИЮ
Роль техники в освоении природы. Исторические этапы
взаимодействия общества и природы
Мы рассмотрели человека как организм в его взаимодействии с
природой. Теперь будем рассматривать человечество как популяцию,
влияние человечества на окружающую среду. В настоящее время
интенсивный научно-технический прогресс привел к истощению ресурсов
окружающей среды, к экологической катастрофе. Социальная экология
занимается вопросами устойчивого экологического развития человечества,
определяет пути выхода из экологического кризиса.
Последствия научно-технического прогресса привели к нарушению
ПРИНЦИПА ЛЕШАТЕЛЬЕ - БРАУНА: любое внешнее воздействие,
выводящее систему из равновесия, вызывает в системе процессы,
стремящиеся ослабить внешнее воздействие. Миллионы лет подряд этот
принцип выполнялся, и природа самовосстанавливалась, сегодня же
наблюдается разрушение природных систем от любого антропогенного
толчка.
Рассмотрим исторические этапы взаимодействия природы и общества,
роль техники в освоении природы.
Во взаимодействии природы и общества можно выделить 4 периода:
ПЕРВЫЙ - биогенный период - охватывает первобытнообщинный
уклад жизни. Во время биогенного периода человек был растворен в
природе, основу его жизнедеятельности составляли собирательство и охота.
Установлено, что в первобытнообщинную эпоху человек изменил
растительный покров и уничтожил несколько видов травоядных животных:
мамонта, гигантского оленя, шерстистого носорога. Роль техники сводилась
к изготовлению и применению орудий охоты (копье, лук) и способам
получения огня. Развитие техники положило начало развитию науки и
вообще становлению цивилизации. Продолжительность биогенного периода
не менее 2 млн. лет.
ВТОРОЙ - аграрный период (с VIII века до н. э. до ХII века н. э.) соответствует рабовладельческому и феодальному обществам. С развитием
земледелия и скотоводства воздействие на биосферу усилилось вследствие
уменьшения зеленого покрова из-за вырубки лесов. В результате неразумной
вырубки лесов, распашки лугов и выпаса скота целые территории
превратились в песчаные пустыни и скалистые горы. С аграрного периода
фактически начинается техногенная эпоха в истории человечества. Развитие
земледелия, скотоводства, мореходства потребовало развития техники,
технологии и наук: географии, математики, химии, физики. Вместе с тем
усилилось техногенное давление на биосферу.
67
ТРЕТИЙ - индустриальный период (с ХVII до середины ХХ в.) является кульминацией техногенной эпохи. По мере развития
промышленности воздействие общества на биосферу увеличилось
количественно
и
изменилось
качественно.
Бурно
развиваются
горнодобывающие отрасли промышленности и металлургия, многократно
увеличивается выработка энергии за счет сжигания горючих ресурсов.
Меняется химическое воздействие на биосферу вследствие синтеза новых
веществ, рассеяния загрязнений на огромные территории и химизации
сельского хозяйства. На первых порах экосистемы в основном справлялись с
этими воздействиями, и принцип ЛеШателье-Брауна выполнялся. Но по мере
роста масштабов и темпов производственной деятельности возможности
самовосстановления экосистем оказались исчерпанными. Стали заметны
изменения физических, химических, биологических показателей биосферы. К
середине ХХ в. воздействие на биосферу приобретает глобальный характер.
Возникает ситуация, когда принцип Ле-Шателье-Брауна перестал
выполняться, равновесие нарушено, и дальнейшее развитие производства
становится невозможным из-за истощения окружающей среды.
Во время ЧЕТВЕРТОГО - информационно-экологического периода
(начиная с середины ХХ века) - происходит осознание ограниченности
ресурсов планеты. Вместе с тем высокий уровень развития науки и техники
позволяет развивать технику и технологию производства на альтернативной,
безвредной для биосферы, основе. В целом от исхода четвертого периода
зависит будущее человечества.
Социоэкосистемы. Социальная экология.
Ноосфера как произведение человечества
Вся история взаимодействия природы и человечества является
становлением локальных, региональных и глобальной социоэкосистем.
Рассмотрим этот процесс подробнее.
На поверхности нашей планеты происходит взаимодействие геосферы
(геосистем), биосферы (экосистем) и общества (социальные системы).
Геосфера представляет собой ряд концентрических оболочек, из которых
состоит Земля. В направлении от космоса к центру Земли выделяются:
магнитосфера, атмосфера, гидросфера, литосфера, мантия и ядро.
Геосистемы связаны между собой потоками вещества и энергии, биогенной
миграцией атомов и другими процессами.
Биосфера включает в себя атмосферу, гидросферу и литосферу.
Общество - это исторически развивающаяся форма жизнедеятельности
людей, в результате которой создается обособляющаяся от природы особая
реальность (техника, наука, производство и т.д.). Общество - это
человеческая популяция с его историей и перспективой.
68
Для поддержания жизнедеятельности общества необходимы:
1. Коммуникация между членами общества, то есть развитие языков и
средств передачи информации.
2. Производство товаров и обеспечение бытовых услуг.
3. Распределение товаров и услуг.
4. Защита членов общества от стихийных бедствий.
5. Обеспечение воспроизводства населения.
6. Воспитание и образование новых поколений.
Любое материальное производство возможно только в процессе обмена
веществом, энергией и информацией с окружающей средой. То есть в
процессе взаимодействия гео -, эко - и социосистем сформировались
локальные, региональные и глобальная социоэкосистемы. Общество внутри
социоэкосистемы взаимодействует с природой, изменяя ее, и наоборот,
природа влияет на общество. Социоэкосистемы входят в следующую
цепочку систем по повышению иерархии: человек - общество социоэкосистема – ноосфера (рис. 12.1).
НООСФЕРА
СОЦИОЭКОСИСТЕМА
НАЦИЯ
ЧЕЛОВЕК
Рис. 12.1. Структура социоэкосистемы.
Чем ноосфера отличается от биосферы?
Во-первых, ноосфера есть продукт преобразования биосферы
посредством человеческой деятельности.
Во-вторых, размерами: ноосфера как продукт человеческого
преобразования биосферы включает в себя ближний космос (в пределах
69
солнечной системы от планеты Венера до планеты Нептун) и недра Земли
глубже литосферы (до глубины 115 км).
Развитие социоэкосистем подчиняется следующим законам и правилам
- законам социальной экологии:
Законы Коммонера:
1. Все связано со всем внутри социоэкосистемы. То есть действия
человека должны быть продуманными, чтобы не нарушать экосистему в целом.
2. Все должно куда-то деваться. В наши дни существует проблема отходов
материального производства, накопление отходов, чего не должно быть.
3. Природа знает лучше. Без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее улучшения.
4. Ничто не дается даром. Все, что было извлечено из биосферы
человеческим трудом, обязано быть возмещено.
Правило социально – экологического равновесия:
Общество развивается до тех пор и постольку, поскольку сохраняет
равновесие между своим давлением на среду и восстановлением среды.
Закон социально-экологической необратимости:
Процесс развития человечества как целого не может идти от более
поздних фаз к начальным.
Закон ноосферы Вернадского:
Учение о ноосфере развито академиком Вернадским: „Ноосфера есть
новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек
становится крупной геологической силой. Он может и должен перестраивать
своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным
образом по сравнению с тем, что было раньше. Человек не может уйти из
биосферы, он неразрывно с ней связан. Его существование есть ее функция,
которую он несет с собой всюду, неизбежно изменяя биосферу". Своей
деятельностью человек меняет состав атмосферы, гидросферы, литосферы.
Биосфера неизбежно превратится в ноосферу, где разум человека будет
играть основную роль в развитии социоэкосистемы. То есть биосферная
функция человечества заключается в поддержании и целенаправленном
развитии биосферы.
Рассмотрим, какое место занимает человек в биосфере нашей планеты.
Человечеству на протяжении всей его эволюции свойственно было активное
воздействие на природу, преобразование ее и использование для своих нужд.
Посредником при таком взаимодействии является техника. В процессе
активного преобразования биосфера изменена, часто нарушена.
70
В настоящее время идет процесс преобразования биосферы в ноосферу
посредством человеческой деятельности.
ТЕСТ
1. На какой период приходится интенсивное развитие техники ?
1. Биогенный период.
2. Индустриальный период.
3. Аграрный период.
2. На какой период приходится становление ноосферы?
1. Информационно-экологический период.
2. Аграрный период.
3. Биогенный период.
4. Индустриальный период.
3. Начиная с какого периода нарушение принципа Ле Шателье-Брауна?
1. Индустриального периода.
2. Информационно-экологического периода.
3. Аграрного периода.
4. Биогенного периода.
4. Социоэкосистема является:
1. Частью биосферы.
2. Частью экосистемы.
3. Подсистемой по отношению к ноосфере.
5. Ноосфера отличается от биосферы тем что:
1. Биосфера включает в себя ноосферу.
2. Ноосфера является надсистемой по отношению к биосфере Земли.
3. Ноосфера есть результат преобразования биосферы.
4. Одинаковы.
6. В чем заключается биосферная функция человека:
1. В разрушении биосферы.
2. В изменении биосферы.
3. В поддержании и целенаправленном развитии.
7. Если бы после всеразрушающей ядерной катастрофы жизнь на Земле
вновь появилась бы, то новое человечество через 20 веков:
1. Было бы таким же, как нынешнее.
2. Было бы как человечество в аграрном периоде.
3. Было бы совершенно другим или его не было бы вовсе.
71
13. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА И ЕЕ ПРОЯВЛЕНИЯ
Сущность экологической проблемы в наши дни
В социоэкосистмах непрерывно происходит обмен веществом,
энергией и информацией между ее социальными и природными
компонентами. Если этот обмен не нарушает биогенный круговорот веществ
и естественные энергетические потоки, то социоэкосистема находится в
состоянии динамического равновесия и устойчива. Если в результате
одностороннего развития социальных компонентов или природных
катаклизмов динамическое равновесие нарушается, то социоэкосистема
теряет свою устойчивость. Состояние неустойчивости выражается в
деградации социоэкосистем и социальных кризисах.
Экологическая проблема в наши дни - это отражение противоречий,
возникающих в системе связей общества и природной среды, на человеке,
его индивидуальном здоровье и социальных условиях.
Экологическая проблема включает три составляющих:
1. Усложнение или невозможность получения необходимых для
существования и развития общества веществ, энергии и информации из
природы.
2. Загрязнение окружающей среды отходами производства,
дополнительной энергией и информацией. Все это чуждо природе и
вызывает нарушение принципа Ле Шателье-Брауна.
3. Ухудшение здоровья населения, обеднение растительного и
животного мира.
Проявления экологической проблемы
В наши дни особого внимания требуют следующие проявления
экологической проблемы:
1. Кислотные осадки. Атмосфера в процессе самоочищения повышает
кислотность водоемов и почв, что ведет к гибели животного и растительного
мира.
2. Разрушение почвы. Ежегодно в результате эрозии с сельскохозяйственных угодий уносится 26 млрд. т почвы.
3. Опустынивание земель. Площадь пустынь в результате неправильного землепользования ежегодно увеличивается на 6 млн. га.
4. Деградация озер. Тысячи озер в настоящее время биологически
мертвы, еще тысячи находятся в стадии умирания как, например, Аральское
море.
5. Дефицит чистой питьевой воды.
72
6. Исчезновение многих видов флоры и фауны в количестве несколько
тысяч в год. По прогнозу, в ближайшие 20 лет может исчезнуть 1/5 всех
видов растений и животных на Земле.
7. Ухудшение качества подземных вод.
8. Изменение климата. По прогнозу к 2050 г. на Земле может произойти
повышение среднегодовой температуры на 1,5 - 4,5 оС.
9. Повышение уровня воды в морях и океанах.
10. Разрушение озонового слоя атмосферы.
11. Усложнение получения энергии из традиционных природных
ресурсов вследствие их истощения.
Проблемы ресурсов и получения энергии. Виды ресурсов
Обострение экологической ситуации связано с ограниченностью
пространства Земли. Если раньше при истощении плодородных почв люди
имели возможность переселиться и обжить новые территории, то теперь
таких свободных земель почти не осталось.
Различают локальные, региональные и глобальные проявления
экологической проблемы. Причем все взаимосвязано на разных уровнях, и
если происходит нарушение на локальном уровне, то техногенное
воздействие не затухает на этом уровне, а распространяется до глобальных
масштабов. Существуют исходно глобальные нарушения, например,
истощение озонового слоя, повышение радиационного фона, которые
отражаются в каждой точке Земли.
Почему неизбежны противоречия между природой и обществом?
Материя в процессе обмена информацией, энергией и веществом
изменяется. При этом она никуда не исчезает, а переходит из одной формы в
другую. Отсюда следует, что прогресс общества идет за счет природы.
Человечество сжигает горючие вещества, получая энергию для техники и
удовлетворяя свои потребности, но при этом природа обедняется. Но
поскольку объем Земли конечен, то количество природных горючих веществ
уменьшается. Следовательно, прогресс общества может остановиться после
окончания запасов природных ресурсов. Это один из примеров взаимосвязи в
социоэкосистеме, а таких связей множество. Таким образом, экологическая
проблема неизбежно встает перед человечеством вследствие несотворимости
и неуничтожимости материи.
Понятие "природные ресурсы" включает в себя те вещества и силы
природы, которые могут быть реально использованы обществом. Все
природные ресурсы разделяются на практически неисчерпаемые и
исчерпаемые (рис. 13.1). На самом деле неисчерпаемых ресурсов не
существует, а есть исчерпаемые, которых хватает на очень долгий срок
(например, солнечная энергия). Последние делятся на возобновимые
73
(растительные и животный мир, земельные ресурсы, атмосфера) и
невозобновимые (полезные ископаемые).
По мере истощения горючих полезных ископаемых растут проблемы в
снабжении человечества энергией. В то же время потребление энергии
возрастает. Отсюда возникает научно-техническая задача: открыть
альтернативные источники энергии.
ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ
ПРАКТИЧЕСКИ
НЕИСЧЕРПАЕМЫЕ
ИСЧЕРПАЕМЫЕ
НЕВОЗОБНОВИМЫЕ
ВОЗОБНОВИМЫЕ
Рис. 13.1. Классификация природных ресурсов.
Источниками энергии будущего могут быть: кинетическая энергия
вращения Земли, геотермальные источники (энергия земных недр),
солнечная энергия, энергия деления ядер. Поскольку атомные
электростанции себя не оправдали с экологической точки зрения (проблемы
захоронения отходов и радиационное загрязнение), следует осваивать
возобновимые источники энергии: Солнце, земные недра, энергию вращения
Земли. Следует также уменьшать энергоемкость производства и увеличивать
эффективность потребления энергии.
Можно также осуществить
искусственный фотосинтез солнечной энергии, что с лихвой покроет
потребности человечества.
Проблема народонаселения
Увеличивающееся народонаселение планеты не оставляет свободного
запаса земельных ресурсов, в некоторых странах, таких как Япония, Китай,
он равен нулю. С ростом народонаселения связано исчезновение полезных
ископаемых, растущее загрязнение среды, то есть все аспекты экологической
проблемы.
74
Численность популяции людей в отличие от численности популяций
животных и растений неуклонно увеличивается по экспоненциальному
закону. По данным экспертов ООН, население Земли достигнет в начале ХХI
века 6 млрд., в середине ХХI века - 9 млрд., а в середине ХХII века - 11.6
млрд. человек.
Экспоненциальный рост населения Земли связан с демографической
революцией. Она представляет собой переход от традиционного типа
воспроизводства населения (равновесие между высокой рождаемостью и
высокой смертностью) к более прогрессивному, обусловленному
равновесием между низкой рождаемостью и низкой смертностью. Одной из
предпосылок этого явилось развитие медицины, что привело к снижению
смертности и увеличению средней продолжительности жизни. Если до
начала демографической революции средняя продолжительность жизни была
равна 35 годам, то сейчас во многих странах она приближается к 80. В
России для мужчин - 64, для женщин - 68 лет.
В наши дни сочетание низкой смертности с высокой рождаемостью в
странах Азии, Африки и Латинской Америки привело к демографическому
взрыву. Соответственно, возникает проблема снижения темпов роста
населения. До сих пор контрацепция и культурно-просветительная работа не
принесли ожидаемых результатов. В настоящее время намечается три
альтернативных пути снижения темпов демографического взрыва:
1. Установление в обязательном порядке предельного числа детей для
каждой семьи.
2. Такое развитие мировой экономики, которое позволило бы изменить
во всех странах отношение семей к количеству детей.
3. Помощь беднейшим странам для устранения нищеты и повышения
культуры.
Если исключить демографический взрыв, то демографическая
революция может принести положительные результаты. Это увеличение
средней продолжительности жизни и трудоспособного возраста людей,
ускорение созревания новых поколений, называемое акселерацией.
ТЕСТ
1. Укажите конкретные проявления экологической проблемы в наши дни:
1. Деградация наземных экосистем.
2. Загрязнение атмосферы.
3. Кислотные осадки.
2. Укажите конкретные проявления экологической проблемы в наши дни:
1. Исчезновение многих видов флоры и фауны.
2. Нарушение принципа Ле Шателье-Брауна.
3. Ухудшение здоровья населения.
75
3. Укажите конкретные проявления экологической проблемы в наши дни:
1. Нарушение информационного обмена человека с социальной средой.
2. Разрушение озонового слоя атмосферы.
3. Нарушение обмена веществом человека с окружающей средой.
4. Укажите конкретные проявления экологической проблемы в наши дни:
1. Нарушение энергетического обмена человека с окружающей средой.
2. Нарушение принципа Ле Шателье-Брауна.
3. Дефицит чистой питьевой воды.
5. Укажите возобновимые природные ресурсы:
1. Атмосфера.
2. Уголь.
3. Нефть.
6. Укажите возобновимые природные ресурсы:
1. Природный газ.
2. Драгоценные металлы.
3. Животные.
7. Укажите невозобновимые природные ресурсы:
1. Земельные угодья.
2. Растения.
3. Камни – самоцветы.
8. Укажите невозобновимые природные ресурсы:
1. Нефть.
2. Атмосфера.
3. Животные.
9. В чем сущность демографической революции в наши дни ?
1. В равновесии между высокой рождаемостью и высокой смертностью.
2. В равновесии между низкой рождаемостью и низкой смертностью.
3. В равновесии между высокой рождаемостью и низкой смертностью.
10. Выберите альтернативные источники энергии:
1. Энергия текущей воды.
2. Ядерная и атомная энергия.
3. Геотермальная энергия.
11. Выберите альтернативные источники энергии:
1. Солнечная энергия.
2. Тепловая энергия сгорания топлива.
3. Энергия деления ядер.
76
14. ПРОБЛЕМЫ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
Минеральные ресурсы
Рассмотрим подробнее минеральные ресурсы, относящиеся к
невозобновимым исчерпаемым. К минеральным ресурсам относятся редкие,
драгоценные и другие металлы, добываемые из недр и используемые в
технологических процессах. Металлы, добываемые из руд, - это железо,
алюминий, марганец, титан, магний. Редкие металлы - медь, свинец, цинк,
никель, молибден, хром, олово, вольфрам, бериллий, серебро. Драгоценные
металлы - платина, золото.
К минеральным ресурсам относятся также компоненты химического
сырья и удобрений (азот, фосфор, калий, сера), строительные материалы
(гранит, песчаник, мрамор, песок, гравий), вода.
Процесс добычи, переработки, транспортировки минеральных
ресурсов в отличие от биогеохимического цикла, имеющего природное
происхождение, называется ресурсным циклом или антропогенным
круговоротом веществ.
Антропогенный круговорот веществ незамкнут в большей степени, чем
биогенный круговорот. На каждом этапе ресурсного цикла возникают
отходы, поступающие в окружающую среду и загрязняющие ее.
Энергетика, ее виды и источники
Потребности населения в энергии возрастают, а невозобновимые
энергетические ресурсы уменьшаются. Структура видов и источников
электроэнергии современного общества приведена в таблице 14.1.
Структура электроэнергетических предприятий.
Тип электростанции
Доля в общем количестве
вырабатываемой
электроэнергии
Таблица 14.1.
Тепловая
электрическая
станция
Гидро
электро
станция
Атомная
электро
станция
74,5%
13,5%
12%
Рассмотрим подробнее виды ресурсов, используемых для получения
энергии. Это в первую очередь горючие ископаемые, из которых в наше
время в основном используется следующие:
1. Уголь. Этот вид горючих ископаемых образуется из остатков
растений. Уголь имеет высокую теплотворную способность, но
распространен неравномерно (43 % в России, 29 % - в Северной Америке,
77
14.5 % в Азии). Более того, его трудно и опасно добывать закрытым
способом. Добыча открытым способом разрушает поверхностный слой
почвы, что неэкологично. Кроме того, поскольку уголь содержит в
соединениях серу в количестве от 0,2 до 7 %, то в процессе его сгорания в
атмосферу выделяется диоксид серы. Это вызывает смоги и кислотные
дожди.
2. Торф. Это первая стадия образования угля. Характеризуется
высоким содержанием воды и низким содержанием углерода, поэтому имеет
низкую теплотворную способность и редко используется в качестве топлива.
3. Нефть и природный газ. Это органические осадки, превращенные
при высоких температурах и давлениях в жидкость и газ. Состоят в основном
из углеводородов. Нефть и газ в наше время используются настолько
широко, что встает вопрос о достаточности их запасов. По прогнозам,
мировые запасы нефти и газа иссякнут к 2015 г. Кроме того, ресурсы нефти и
газа распределены в земных недрах неравномерно.
4. Битуминозные пески, горючие сланцы. Они являются
разновидностями нефти (тяжелые фракции). Из них получают жидкие и
газообразные нефтяные фракции.
5. Солнечная энергия. Экологически чистая. В пределах временного
интервала жизни человечества может считаться неисчерпаемой.
6. Энергия рек, приливов, водопадов. Экологически чистый вид
энергетики. Распределена по поверхности земного шара неравномерно, имеет
локальный характер.
7. Атомная и ядерная энергия. Имеет глобальные экологические
последствия: радиационное загрязнение атмосферы и литосферы. Аварии
приводят к непоправимым последствиям и разрушают биосферу (например,
Чернобыльская авария 1986г.).
Как можно видеть, большинство видов и источников энергии
загрязняют биосферу в глобальном масштабе.
Загрязнение окружающей среды как глобальная проблема
Загрязнение - это привнесение в природную среду в больших
количествах или возникновение в ней новых, чуждых ей химических
элементов, биологических систем, а также физических воздействий.
Загрязнения разделяют на физические, биологические, химические - по
свойствам загрязнителей. Жизнь на Земле возможна в определенном
интервале изменения радиации, магнитного и шумового фона, гравитации,
температуры, химического состава среды (вспомните закон ЛибихаШелфорда и зону оптимума). Результаты антропогенного воздействия
выражаются в изменении границ этих интервалов, а в зоне пессимума жизнь
либо затруднена, либо невозможна.
78
Рассмотрим подробнее физические загрязнения. Причинами таких
загрязнений являются антропогенные факторы, вызывающие ионизирующую
радиацию, тепловое излучение, электромагнитные поля, звуковые волны
различной частоты.
Испытания атомных и термоядерных бомб, аварии на АЭС,
захоронение радиоактивных отходов приводят к возрастанию радиационного
фона биосферы.
Получение и преобразование энергии приводит к выделению тепла и
повышению температуры биосферы.
Электромагнитные поля, создаваемые антропогенными источниками
– линиями электропередач, радио- и телеприемниками, влияют на величину
естественного электромагнитного поля Земли и процессы в ионосфере и
магнитосфере.
Современное природопользование
Таким образом, мы выявили источники современного экологического
кризиса. На основании анализа принципа Ле Шателье-Брауна и других
законов ноосферы можно сказать, что грубое антропогенное вмешательство в
биосферу недопустимо и ведет к кризису. Необходимы другие пути развития
цивилизации. Эти утверждения иллюстрируются двумя законами
природопользования.
ПРИНЦИП ЕСТЕСТВЕННОСТИ: со временем эколого-экономическая
эффективность технического устройства, обеспечивающего жесткое
управление природой, снижается, а затраты на его поддержание возрастают.
ПРАВИЛО
МЯГКОГО
УПРАВЛЕНИЯ:
мягкое
управление
природными процессами, системное управление на основе экологических
законов более эффективно, чем грубые техногенные вмешательства.
(Вспомните закон Коммонера: „Природа знает лучше"). Отсюда следует
необходимость учета законов природы и развития биосферы в ходе
человеческой деятельности. Закон ноосферы Вернадского говорит именно об
этом – о мягком управлении и биосферной функции человека как
интеллектуального начала.
79
ТЕСТ
1. К минеральным ресурсам относятся:
1. Атмосфера.
2. Пресная вода.
3. Пахотные земли.
2. К минеральным ресурсам относятся:
1. Драгоценные металлы.
2. Растительный мир.
3. Солнечная энергия.
3. К минеральным ресурсам относятся:
1. Животные.
2. Атмосфера.
3. Рудные металлы.
4. Выберите правильную запись реакции окисления азота:
1. N2 + O2 = NO2
2. N2 + O2 = 2NO
3. N2 + О = 2NО
5. Выберите правильную запись реакции окисления серы:
1. S + О2 = SО2
2. S2 + О2 = SО2
3. 2S + О2 = 2SО
6. Выберите правильную запись реакции синтеза азотной кислоты:
1. 2NО2 + Н2О + О = 2НNО3
2. 2NО + 2Н2О + О2 = 2НNО3
3. 2NО2 + Н2О + О2 = 2НNО3
80
15. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Состав, структура и функции атмосферы
Атмосфера - наиболее легкая оболочка нашей планеты, граничащая с
космосом. Через атмосферу осуществляется обмен веществом и энергией с
космосом, в этом состоит ее биосферная функция. Земля получает
метеоритный материал и космическую пыль и теряет легкие газы - водород и
гелий. Атмосфера Земли пронизана солнечным излучением, которое
определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию
молекул газов и ионизацию атомов.
Химический состав атмосферы Земли указан в табл.15.1. Азотнокислородный состав атмосферы Земли отражает ее вторую биосферную
функцию - дыхание организмов. В этом состоит отличие атмосферы Земли от
атмосфер других планет.
Таблица 15.1.
Химический состав атмосферы Земли
Элемент
Объемная доля,%
Весовая доля, %
N2
O2
Ar
CO2
Ne
He
CH4
Kr
N2 O
H2
Xe
O3
78,8
20,95
0,93
0,03
1,8 • 10-3
5,2 • 10-4
2,2 • 10-4
10-4
10-4
5 • 10-5
8 • 10-6
10-6
75,51
23,15
1,28
0,046
1,25 • 10-3
0,72 • 10-4
1,2 • 10-4
2,9 • 10-4
1,5 • 10-4
0,3 • 10-5
3,6 • 10-5
3,6 • 10-5
Строение атмосферы отражено на рис.15.1. Наша планета окружена
несколькими концентрическими оболочками с разными давлениями,
температурами, химическим составом.
Тропосфера представляет собой зону вертикальной циркуляции
воздушных масс, что связано с интенсивностью солнечной радиации на
разных широтах. Поэтому толщина тропосферы в полярных странах 5-8 км, в
экваториальных - 16-18 км. С увеличением высоты понижаются температура
и давление.
81
hабс, км
900
700
ионосфера
500
300
мезопауза
200
мезосфера
160
120
90
стратопауза
70
стратосфера
50
озон
тропопауза
тропосфера
10
0
уровень моря
-10
-120 -60
0
60
120
180
240
300
360
Т, оС
Рис. 15.1. Структура атмосферы и зависимость температуры от высоты
Верхняя граница тропосферы называется тропопаузой, температура
здесь –55 оС. Через тропосферу происходит круговорот воды, что определяет
облачность и осадки. Выше, до высоты 55 км, находится стратосфера. В
стратосфере происходит турбулентное перемешивание воздуха, температура
у верхней границы повышается до 0 оС - стратопауза - озоновый слой.
Выше, до 85 км, находится мезосфера. Температура понижается до –90
о
С, в верхнем слое происходит ионизация атомов азота и кислорода. Выше
мезосферы, до 800 км, находится ионосфера. Характеризуется усилением
ионизации, что приводит совместно с магнитным полем к полярным
сияниям, и повышением температуры до 1500 оС (нагревание Солнцем).
82
В атмосфере можно выделить постоянные и переменные компоненты.
Постоянные перечислены в табл.15.1, переменные - это легко распадающиеся
и вступающие в химические реакции - озон, SО2, СО, Н2О.
Загрязнение атмосферы. Последствия для биосферы
Атмосферные загрязнители разделяются по агрегатному состоянию:
1. Твердые, в том числе пыли.
2. Жидкие, в том числе аэрозоли.
3. Газообразные, в том числе пары.
4. Смешанные.
А также они различаются по происхождению:
1. Естественные земного (вулканы, пожары, выветривание) и неземного
(метеориты, кометы) происхождения. Не угрожают состоянию атмосферы.
2. Антропогенные:
теплоэнергетические, атомной энергетики,
промышленные, транспортные. Угрожают состоянию атмосферы как
природной среды.
Наибольшее загрязнение атмосферы вызывают пыль, углеводороды,
окислы углерода, серы, азота. Меньше загрязняют пары тяжелых металлов
(ртуть, свинец), радиоактивные выбросы.
Загрязнение атмосферы имеет следующие глобальные последствия для
биосферы Земли:
1. ПАРНИКОВЫЙИ ЭФФЕКТ. Заключается в том, что воздух с
повышенным содержанием СО2 прозрачен для солнечного излучения в
видимом диапазоне и поглощает тепловое инфракрасное излучение Земли.
При этом солнечное излучение беспрепятственно нагревает поверхность
Земли, а инфракрасное излучение Земли поглощается в приземном слое и не
может уйти в космос. Глобальным последствием увеличения концентрации
СО2 в атмосфере будет потепление климата Земли, что приведет к массовому
таянию льдов, подъему уровня воды в океанах, затоплению обширных
территорий суши, исчезновению части животного и растительного мира.
2. РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ. Природа явления не выяснена.
Наиболее распространена теория разрушения озона (О3 ) выбрасываемыми в
атмосферу фтор- хлор- углеродами, которые используются в
компрессионных холодильных установках и для вытеснения жидкостей из
аэрозольных упаковок. Большинство развитых стран подписали конвенцию о
недопустимости выбросов фтор- хлор- углеродов в атмосферу.
Озоновый слой выполняет защитную функцию, поглощая
высокочастотное ультрафиолетовое излучение Солнца, смертельное для
живых организмов. Поскольку количество О3 убывает, слой утончается, и все
большая часть ультрафиолетовых лучей высокой частоты проходит к
поверхности Земли. По прогнозам, в ближайшие годы концентрация О 3 в
атмосфере снизится на 10 %.
83
3. КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ. Возникают в результате химических
реакций продуктов сгорания с атмосферной водой. Считают, что 2/3
кислотных осадков вызваны реакцией SО2+Н2О=Н2SО3, а 1/3 - реакцией
2NО2+Н2О+О=2НNО3. В первом случае атмосферные осадки содержат
серную кислоту, во втором - азотную. Окислы серы образуются в воздухе
при сжигании содержащих серу органических веществ, таких как уголь и
нефть. Окислы азота являются результатом химической реакции между
атмосферными азотом и кислородом при высоких температурах,
возникающих на границе пламени при сжигании в воздухе любых видов
топлив. Кислотные осадки разрушают хлорофилл в листьях растений,
снижают их урожайность, повышают кислотность почв, вызывают коррозию
металлов, отрицательно действуют на человека, растения и животных.
4. СМОГ. Это локальное загрязнение, при котором газообразные
загрязнители не рассеиваются, а под действием солнечного излучения
образуют NО2 - газ коричневого цвета, О2 и О3. Эти продукты соединяются с
аэрозолями и пылью, вступают в реакции с другими загрязнителями, и
процесс идет непрерывно, захватывая новые загрязнители.
Методы защиты атмосферы
Допустимое содержание загрязнителей в воздухе определено
количественно и нормировано показателями ПДК - предельно допустимых
концентраций. Величины ПДК для различных загрязнителей разные.
Концентрации газообразных загрязнителей определяются с помощью
приборов - газоанализаторов.
Различают несколько видов ПДК:
1. ПДКРЗ (предельно допустимая концентрация вредного вещества в
воздухе рабочей зоны) - это такая концентрация вредных веществ в воздухе,
при которой ежедневная работа в течение 8 часов на протяжении всего
рабочего стажа не может вызывать у трудящихся отклонений в состоянии
здоровья. Устанавливается для промышленных зон.
2. ПДКСС (среднесуточная предельно допустимая концентрация
вредного вещества в атмосфере) – устанавливается для жилых зон и
биосферы в целом. В условиях концентраций загрязнителей воздуха не
превышающих ПДКСС, можно находиться неограниченно длительное время
без вреда для здоровья.
Современное производство часто связано с дроблением, измельчением,
транспортировкой сыпучих веществ. Это приводит к образованию пыли и
поступлению ее в атмосферу. Для очистки воздуха от пыли применяют
специальные аппараты.
84
1. Механические осадители пыли:
а)
для
загрязненный
воздух
очищенный
воздух
осадок
пыли
Рис. 15.2. Очистка воздуха от пыли циклоном.
использующие
центробежные
силы
отделения пыли от
воздуха,
называемые
циклонами и изображенные на рис. 15.2. В
данных
аппаратах
загрязненный
воздух
совершает
спиралеобразное
движение.
Частицы пыли центробежными
силами
отжимаются к стенкам
циклона
и
под
действием сил тяжести оседают на дно аппарата;
б) использующие силы инерции и силу тяжести, включающие лабиринты и
осадительные камеры. Пример осадительного лабиринта приведен на рис.
15.3.
загрязненный
воздух
очищенный
воздух
пыль
Рис. 15.3. Осадительный лабиринт.
2. Мокрые инерционные пылеуловители:
а) барботажные и пенные аппараты, в которых очищаемый воздух
пропускается через жидкость (как это изображено на рис. 15.4а).
Загрязненный воздух подается в жидкость через перфорированную трубку.
При снижении размера пузырьков воздуха степень очистки возрастает.
Разбиение воздушных пузырьков на более мелкие осуществляется
расположением на их пути мелкоячеистой сетки;
б) брызгальные скрубберы, в которых жидкость разбрызгивается в
очищаемом воздухе. Пример конструкции скруббера дан на рис. 15.4б;
в) пленочные с осаждением пыли гравитационными, центробежными и
инерционными силами при направлении загрязненного воздушного потока
на поверхность жидкости.
85
очищенный
воздух
загрязненный
воздух
пыль
запыленный
газ
жидкость
а
барботажный аппарат очистки
воздуха от пыли
б
очищенный
газ
брызгальный скруббер
Рис. 15.4. Мокрые способы очистки газов от пыли.
3.Фильтры
тканевые,
очищенволокнистые
и
т.д.,
загрязный
задерживающие пыль в
ненный
воздух
мелких порах применяевоздух
мого материала.
4.
Электрофильтры
(Рис.15.5), где за счет
высоковольтного разряда
осадительчастицы пыли приобреные
электроды
тают статический заряд и
осаждаются на электроде.
Проблема газовых
разрядные
выбросов вредных веэлектроды
ществ в атмосферу связана
Рис. 15.5. Схема электрического фильтра.
с химическими, энергетическими
и
другими
предприятиями, с автомобильным транспортом. Это проблема современных
больших городов, где воздух становится непригодным для дыхания людей
из-за наличия примесей NО, NО2, СО, СО2, SО, SО2, СН4 и других газов в
концентрациях, превышающих ПДК в десятки и сотни раз. Полицейские
города Токио работают в противогазах.
Применяемые методы очистки воздуха от вредных газов зависят от
концентрации примесей, степени очистки, цены, и т.д. Основные методы
следующие:
1. Абсорбция - поглощение загрязнителей жидким сорбентом.
Аппаратура, реализующая данный метод очистки, аналогична барботажным,
пенным аппаратам или брызгательным скрубберам, в которых в качестве
жидкости используется сорбент.
86
2. Адсорбция - поглощение загрязнителей твердыми пористыми
веществами. Наиболее распространенный сорбент - активированный уголь.
Метод обладает высокой степенью очистки, но достаточно дорог, поэтому
рекомендуется для очистки газов от малых концентраций примесей.
3. Конденсация - осуществляется переводом вредных газов и паров в
жидкую фазу путем охлаждения выбросов в теплообменном устройстве до
температуры ниже точки росы. Основным недостатком метода является
возможность очистки воздушных выбросов только от веществ с достаточно
низкой температурой кипения.
4. Дожигание углеводородов и других органических соединений до
более простых, в идеале - до состояния СО2 и Н2О. Метод достаточно
варварский, но из-за простоты технической реализации широко
распространен в России. Например, при добыче нефти в Томской области
из–за отсутствия газопроводов большую часть попутного природного газа
приходится сжигать.
5. Химические методы очистки, при которых в результате химических
реакций газообразные вещества превращаются в безвредные газы либо в
твердые или жидкие вещества, которые затем удаляются осаждением.
Наиболее просто методы реализуются при жидком или твердом состоянии
расходуемых на обезвреживание химических реактивов.
ТЕСТ
1. Выберите верхнюю границу тропосферы:
1. До 8 км.
2. До 18 км.
3. Оба ответа правильны.
2. Выберите верхнюю границу стратосферы:
1. До 55 км.
2. До 35 км.
3. До 45 км.
3. Выберите верхнюю границу мезосферы:
1. До 75 км.
2. До 85 км.
3. До 100 км.
4. Выберите верхнюю границу ионосферы:
1. До 500 км.
2. До 1000 км.
3. До 800 км.
5. Выберите правильную реакцию распада озона:
1. О3 + NО = О2 + NО2
2. О3 + СО = СО2
3. О3 + SО2 = 5SО
6. Выберите правильную реакцию распада озона:
1. О3 + Cl = О2 + СlО
2. О3 + 2Cl = О2 + СlО2
3. О3 + Cl = О2 + СlО3
87
16. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ
Строение и функции гидросферы
Гидросфера - это водяная оболочка Земли. В гидросфере Земли
осуществляется круговорот воды и некоторых микроэлементов (фосфор). В
этом состоит ее биосферная функция. Гидросфера очень подвижна,
перемещение воды происходит во всех направлениях. В табл.16-1 показано
распределение воды гидросферы в разных агрегатных состояниях.
Таблица 16.1.
Распределение воды в гидросфере Земли
Форма нахождения
Объем, 10 тыс. км3
Процент
Мировой океан
Подземные воды
Подземные воды активного обмена
Ледники
Озера
Почвенная влага
Пары атмосферы
Речные воды
1 370 000
60 000
94
4
4 000
24 000
280
80
14
1,2
0,3
1,7
0,02
0,01
0,001
0,0001
Всего
1 454 000
100
Площадь водной поверхности планеты 360.8·106 км2, средняя глубина
мирового океана 3.8 км.
Состав гидросферы
Химический состав различных вод разный. Растворенные вещества
определяют соленость - масса в граммах растворенного вещества в 1000 г
морской воды, измеряется в промилле (%•). Хлорность воды определяется
как содержание хлора в граммах на 1000 г морской воды. Соленость воды
определяется по формуле Кнудсена:
S = 0,03 + 1,805/С,
где S - соленость, С - хлорность.
Соленость океана определяется несколькими химическими элементами
- ионами. Это катионы Na+, Mg2+, Са2+, анионы Сl-, SО42-, НСО3-. На все
88
остальные химические элементы приходится 4.2 %, мы их не рассматриваем.
Соленость S океанической воды меняется в узких пределах от 34 до 36 %.
Относительный состав морских солей, соотношения ионов постоянны.
Это говорит о том, что наблюдается динамическое равновесие между
количеством растворенных веществ, поступающих с поверхности Земли в
океан, и их осаждением. Дольше всех в океанической воде задерживаются Nа
и Сl, весьма подвижные в биосфере.
Важным звеном в круговороте воды являются ледники. Они
формируются за счет твердых осадков, выпадающих в полярных странах и
высокогорье, и отличаются слабой минерализацией.
Континентальные воды - реки, озера, болота - образуются в
соответствии с климатом данной местности и по составу разнообразны.
Соотношения ионов в морской воде и континентальных водах постоянны и
обратны:
в морской воде:
Nа+ > Мg2+ > Са2+ ; Сl- > SО42- > НСО3-;
в материковых водах: Мg2+ < Nа+ < Са2+; Сl- < SО4 2- < НСО3-.
Причем состав континентальных вод находится в динамическом равновесии
с твердыми солями, осажденными на дне водоемов. Подземные воды
составляют 4 % гидросферы, их верхние слои - грунтовые воды - участвуют в
круговороте воды. Подземные воды различно минерализованы, отличаются
отсутствием кислорода. К подземным водам относятся и термальные воды гейзеры. Поскольку воды Земли минерализованы и при этом постоянно
мигрируют, гидросфера участвует в круговороте вещества в биосфере.
Заметим, что нижняя граница гидросферы имеет температуру +100 оС.
Если общий объем воды взять за 100 %, то запас пресной воды на
Земле 3 %, доступных запасов пресной воды - 0.5 %, используемой людьми
пресной воды - 0.03 %. Питьевая вода является исчерпаемым ресурсом.
Основными потребителями пресной воды являются: транспорт, сельское
хозяйство, промышленность, хозяйственно-бытовая деятельность людей.
Загрязнение гидросферы. Методы защиты
Основными источниками загрязнения гидросферы являются:
1. Атмосферные воды, несущие промышленные загрязнители, вымываемые из воздуха. Особенно опасны стоки с городских улиц, предприятий,
несущие нефтепродукты, фенолы, кислоты, мусор.
2. Городские сточные воды, включающие бытовые стоки.
3. Стоки промышленных предприятий.
4. Сельскохозяйственные стоки с ядохимикатами и удобрениями.
Большинство веществ, загрязняющих гидросферу, включается в круговорот
веществ и пищевые цепи, многие из них накапливаются в тканях человека и
животных согласно правилу десяти процентов. Считается, что загрязнение
атмосферы менее опасно, чем загрязнение гидросферы, по следующим причинам:
89
 процессы самоочищения в водных экосистемах протекают
медленнее, чем в воздушных;
 иcточники загрязнения гидросферы более разнообразны;
 естественные процессы в водной среде более чувствительны к
загрязнениям и имеют большее значение для жизни на Земле.
Загрязнения гидросферы нормируются с помощью следующих
величин:
1. Предельно допустимой концентрации химических веществ в воде
водоема ПДКВ (для каждого вещества своя). ПДКВ - не должна оказывать
прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей жизни
и ухудшать гигиенические условия водопользования.
2. Показателя кислотности рН, который определяется по формуле
рН = - lgСН+,
где СН+ - концентрация иона водорода в воде, выраженная в молях на литр.
Для кислых вод рН < 7, для нейтральных - рН = 7, для щелочных и соленых рН > 7.
3. Биохимической потребности в кислороде (БПК), или количеством
кислорода, необходимым для естественного окисления органических
загрязнителей воды за 5, 10, 15 или 20 суток. Характеризует концентрацию
биологически разлагаемых загрязнителей сточных вод.
4. Химической потребности в кислороде БПК, или пересчитанным на
кислород количеством бихромата калия, растворенного в серной кислоте,
необходимым для окисления органических загрязнителей воды.
Характеризует общее содержание в воде органических загрязнителей. Имеет
ту же размерность, что и БПК. Считают, что если БПК / ХПК > 0.5,
загрязнители вод могут быть удалены биологическими методами очистки.
5. Предельно допустимого сброса (ПДС) устанавливается
индивидуально для каждого источника, имеет размерность массы вредного
вещества, выбрасываемого за единицу времени.
Методы очистки сточных вод
Существует следующая классификация методов очистки сточных
вод:
1. Механические методы, для очистки вод от твердых частиц и
нефтепродуктов:
а) процеживание через решетку для очистки от крупного твердого
мусора (рис. 16.1,а);
б) отстаивание, применяемое для очистки от песка и нефтепродуктов
(рис. 16.1,б);
в) механическое разделение гидроциклонами, конструкция которых
аналогична представленной на рис. 15.2;
90
г) фильтрование.
транспортировка мусора в отвал
грязная вода
чистая вода
нефтепродукты
транспортер со
скребками
песок
решетка
б
а
Рис. 16.1. Механические методы очистки сточных вод:
а) процеживание через решетку для очистки от крупного мусора;
б) отстаивание вод от песка и нефтепродуктов.
2. Биологические методы применяют для очистки сточных вод от
органических примесей. Среди них наиболее распространены следующие:
а) естественные биологические пруды, представляющие собой каскад
прудов; с одной стороны в пруд впадает ручей из вышележащего водоема, а с
другой – вытекает в нижележащий пруд;
грязная
вода
очищенная
вода
грязная вода
очищенная вода
активная биологическая масса
а
б
Рис. 16.2. Биологические методы очистки сточных вод:
а) конструкция биологических фильтров;
б) устройство аэротенков.
91
б) биологические фильтры искусственные, в которых биологически
активный материал, питающийся загрязнителем, неподвижно закреплен на
твердой поверхности, а загрязненная вода обтекает его тонким слоем.
Конструкция биологического фильтра представлена на рис. 16.2,а;
в) аэротенки (рис. 16.2,б) аналогичные по принципу действия биологическим
прудам, но в которых во взвешенном состоянии находится биологически
активный материал.
3. Физико-химические методы для очистки от растворимых примесей
весьма разнообразны. Их количество определяется числом известных
физических явлений и химических реакций. Основные из них следующие:
а) химические методы - нейтрализация, экстракция, озонирование (для
удаления тяжелых металлов);
б) физические методы - сорбция (поглощение), электрокоагуляция
(электролиз для очистки от тяжелых металлов).
Современная наука уделяет много внимания разработке и созданию
новых очистных сооружений и методов очистки гидросферы.
ТЕСТ
1.В чем состоит биосферная функция гидросферы?
1. В поддержании круговорота воды (Н2О), и фосфора (Р).
2. В поддержании среды жизни рыб.
3. В формировании осадков.
2. Количество пресной воды на Земле по отношению к общему ее
количеству составляет:
1. 30 %.
2. 13 %.
3. 3 %.
3. Правильно следующее соотношения ионов в морской воде:
1. SО42-> Сl- > НСО3-.
2. НСО3-> SО42-.
3. Nа+ > Мg2+ > Са2+ .
4. Са2+ >Мg2+ .
4. Правильно следующее соотношение концентраций ионов в речной
воде:
92
1.
2.
3.
4.
Са2+ >Мg2+.
Nа+ > Мg2+ .
SО42- > НСО3-.
Сl- < SО4 2- .
5. Для очистки сточных вод от твердых нерастворимых примесей
целесообразно использование:
1. Биологических фильтров.
2. Экстракции.
3. Гидроциклонов.
4. Электрокоагуляции.
5.
6. Для очистки вод от органических соединений целесообразно
использование:
1. Биологических фильтров.
2. Экстракции.
3. Гидроциклонов.
4. Электрокоагуляции.
93
17. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЛИТОСФЕРЫ
Строение и функции литосферы
Установлено, что твердое тело Земли состоит из нескольких частей
(имеет оболочечное строение). Разрез земного шара приведен на рис.17.1.
кора
глубина, км
5-90
земная
масса, %
0,7 %
мантия
68,3 %
2885
внешнее ядро
5155
31 %
внутреннее ядро
6370
Fe-FeS-Ni
O-Si-Mg-Fe
O-Si-Al-Fe-Ca-Mg-Na-K
Рис. 17.1. Внутреннее строение Земли и наиболее распространенные
химические элементы.
Следует заметить, что поле устойчивости жизни, то есть нижняя
граница биосферы, находится в пределах коры и верхнего слоя мантии. В
области мантии находится пластичное вещество, способное двигаться как в
вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Это приводит к
различным деформациям земной коры - горообразованию, складчатости,
дрейфу континентов. Наукой доказано, что рельеф земной коры определяется
перемещением и взаимодействием литосферных плит - подвижных во всех
направлениях блоков пластичной мантии. Каждая литосферная плита имеет в
94
поперечнике тысячи километров. Толщина и состав земной коры в области
континентов и океанов различна. В континентальной области толщина коры
30 - 80 км, в океанической – 5 - 15 км.
Состав литосферы
Химический состав литосферы приведен в табл.17.1. Наиболее
распространенными являются окись кремния, алюминия, магния, титана,
железа, их содержание различно в разных областях.
Таблица 17.1
Химический состав земной коры
95
Компоненты
Континентальный
Тип коры
Субконтинентальный
SiO2
Ti O2
Al2 O3
Fe2 O3
FeO
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2 O
P2O5
CОРГ
C O2
S O3
SВАР
Cl
F
H2 O
Сумма
57,23
0,71
14,46
2,36
5,41
0,13
4,77
6,98
2,40
1,98
0,16
0,08
1,48
0,12
0,08
0,04
0,03
1,57
99,99
56,88
0,73
14,43
2,37
5,64
0,13
4,97
7,14
2,39
1,90
0,16
0,07
1,37
0,10
0,08
0,04
0,03
1,56
99,99
48,17
1,40
14,90
2,64
7,37
0,24
7,42
12,19
2,58
0,33
0,22
0,05
1,35
0,05
0,02
1,05
99,98
55,24
0,86
14,55
2,42
5,86
0,15
5,37
8,12
2,44
1,61
0,17
0,07
1,44
0,09
0,08
0,03
0,03
1,46
99,99
Объем 10 км3
6500
1540
2170
10210
Средняя мощность, км
43,6
23,7
7,3
20,0
Средняя плотность, г/см2
2,78
2,79
2,81
2,79
Масса 1024г
18,07
4,30
6,09
28,46
Океанический
Земная кора
в среднем
Кроме того, из-за движения литосферных плит океан и суша могут
меняться местами, что приводит к постепенному (в течение десятков
миллиардов лет) изменению состава. Распространенность атомов
представлена в табл.17.2. Из таблицы видно, что наиболее распространенным
в земной коре атомом является кислород (биогенный). Далее по убыванию
идут кремний, металлы. Другие биогенные атомы осаждаются
преимущественно в атмосфере (N), живом веществе (С) и гидросфере (Н).
Кислорода в коре в два раза больше по весу и в четыре с половиной по
объему, чем в атмосфере.
Таблица 17.2
Распространенность элементов в земной коре
Элемент
O
Si
Al
Fe
Ca
Mg
Na
K
Ионный
радиус, Å
1,34
0,34
0,47
0,69
1,08
0,80
1,24
1,68
Весовой
процент
46,6
27,3
8,4
6,2
3,63
2,8
2,8
1,8
Атомный
процент
62,6
21,2
6,5
1,9
1,9
1.8
2,6
1,4
Объемный
процент
93,8
0,9
0,5
0,4
1,0
0,3
1,3
1,8
Загрязнение и методы защиты
Литосфера занимает 29 % поверхности Земли. Наиболее ценен для
жизни на Земле верхний слой литосферы - почва, поскольку именно она
производит пищу - растения. Человеческая деятельность вызывает эрозию,
засоление, загрязнение почвы. Например, за последние 100 лет эрозия
опустошила 27 % земель активного сельского хозяйства.
Предельно допустимые концентрации вредных веществ (мг/кг) в почве
установлены для малого числа веществ в большинстве своем явно
искусственного происхождения. Кислотность почвы характеризуется
показателем кислотности рН.
Отличие загрязнения литосферы от загрязнений других областей
биосферы состоит в том, что слои и участки литосферы не перемешиваются.
Следовательно, загрязнение литосферы не распространяется, а имеет
локальный характер в отличие от загрязнения более подвижных оболочек
биосферы. Слои атмосферы и гидросферы перемешиваются из-за ветров и
течений, и загрязнения распространяются, приобретая глобальный характер.
Источниками загрязнения почвы являются:
1. Промышленные предприятия.
2. Сельское хозяйство.
3. Транспорт.
96
4. Жилые массивы.
5. Теплоэнергетика.
Рассмотрим более подробно некоторые виды антропогенных
воздействий. В процессе сельскохозяйственной деятельности людей почву
загрязняют следующие вещества:
1. Отходы сельского хозяйства, которые в малых дозах являются
органическими удобрениями и полезны для растений, а в больших губительны.
2. Минеральные удобрения, передозировка которых при интенсификации земледелия ведет к загрязнению почв и нарушению естественных
биогеохимических циклов. Фосфатные удобрения нарушают обмен фосфора,
нитраты и нитриты нарушают обмен азота, сульфатные удобрения
разрушают естественный цикл серы.
3. Пестициды - очень устойчивые вещества, смертельные для
определенных типов организмов. Обладают способностью накапливаться в
организмах согласно закону 10 %. Среди пестицидов различают:
а) инсектициды - уничтожают вредных насекомых;
б) фунгициды-предназначенны для борьбы с грибковыми заболеваниями;
в) гербициды - губительны для сорняков;
г) родентициды - смертельны для грызунов;
д) нематоциды - для борьбы с червями.
Твердые промышленные отходы появляются в результате деятельности
различных промышленных предприятий. Существуют следующие методы
утилизации твердых отходов:
1. Металлические отходы вначале сортируют, затем механически обрабатывают (режут, дробят, пакетируют) и направляют на переплавку,
складирование или захоронение.
2. Отходы древесины прессуют, режут, сжигают, складируют.
3. Отходы пластмасс прессуют, сжигают или захоранивают.
4. Высокотоксичные отходы помещают в специальные контейнеры и
захоранивают.
5. Органические горючие вещества дробят, прессуют, сжигают, захоранивают.
6. Радиоактивные твердые отходы помещают в свинцовые контейнеры
и захоранивают на специальных предприятиях.
Захоронение отходов происходит на специальных полигонах либо на
свалках. Полигоны для твердых нетоксичных отходов отличаются от
городской свалки тем, что на них осуществляется контроль сваливаемых
отходов. Отходы на полигоне укладываются слоями до 2 м высотой, которые
разделяются 25-сантиметровыми слоями грунта. Высота блока отходов
может достигать 60 м. Сверху отходы закрывают растительным грунтом,
затем площадь используют для разбивки парков, садов и так далее.
97
Некоторые виды твердых промышленных отходов необходимо
обезвреживать, для чего существуют полигоны и станции нейтрализации. На
этих полигонах могут обезвреживаться один или несколько видов отходов.
Твердые бытовые отходы являются проблемой больших городов. В
среднем каждый человек, живущий в благоустроенном здании, производит в
год 160-190 кг бытовых отходов, живущий в неблагоустроенном - 680-700 кг.
Бытовые отходы включают золу, шлак, бумагу, пластмассу, пищевые отходы,
металл, стекло и так далее. Их сортировка довольно сложна и в настоящее
время экономически невыгодна. Поэтому бытовые отходы вывозят на свалки
и полигоны для захоронения. Но в развитых странах организован сбор и
сортировка в отдельные контейнеры с последующей утилизацией отходов
стекла, металла, бумаги и так далее.
Существуют следующие пути доставки бытовых отходов из квартиры
на свалку:
1. Мусоропровод – контейнер – мусоровоз.
2. Уличный контейнер – мусоровоз.
3. Пневмотранспорт - станция сбора и прессования - мусоровоз
(Швеция, микрорайон Чертаново г. Москвы).
4. Дробилка – канализация - очистные установки (США, Италия и др.)
Наиболее прогрессивны два последних способа.
ТЕСТ
(итоговый)
1. Какой слой окружающей среды присущ только человеческой
популяции?
1. Природная среда.
2. Квазиприродная среда.
3. Социальная среда.
2. Для какой среды характерен преимущественный обмен информацией?
1. Социальная среда.
2. Артеприродная среда.
3. Квазиприродная среда.
3. Адаптация организма определяется:
1. Влиянием климата на организм.
2. Всей совокупностью экологических факторов.
3. Влиянием взаимоотношений между организмами.
98
4. Последствия основных адаптаций человека могут быть:
1. Только положительными, полезными.
2. Как положительными, так и отрицательными.
5. Жизнь человека подчиняется:
1. Только циркадным ритмам.
2. Только годовым (сезонным) ритмам.
3. Только циркадным и годовым ритмам.
4. Циркадным, околомесячным, годовым ритмам.
6. Состояние стресса приводит:
1. Всегда к адаптации к экстремальным условиям.
2. Иногда к адаптации к экстремальным условиям.
3. Никогда не приводит к адаптации, человек постоянно находится в
состояние стресса.
7. Здоровый образ жизни предполагает:
1. Переедание, употребление спиртных напитков, творческий труд.
2.Умеренность в еде, занятия физкультурой, творческий труд,
социальное благополучие.
3. Социальное благополучие, неподвижный образ жизни.
8. Угроза состоянию биосферы Земли возникла во время:
1. Биогенного периода.
2. Аграрного периода.
3. Индустриального периода.
4. Информационно-экологического периода.
9. Принцип Ле Шателье-Брауна перестал выполняться, биосфера начала
разрушаться во время:
1. Биогенного периода.
2. Аграрного периода.
3. Индустриального периода.
10. Какой период положил начало формирования ноосферы?
1. Индустриального периода.
2. Информационно-экологического периода.
3. Аграрного периода.
11. Что такое ноосфера?
99
1. Это часть биосферы Земли.
2. Это часть социоэкосистемы.
3. Это сфера разума, являющаяся конечным этапом преобразования
биосферы человеком.
12. Выражением биосферной функции человечества является:
1. Поддержание и целенаправленное развитие биосферы.
2. Разрушение биосферы.
3. Дыхание.
4. Размножение.
13. Выражением биосферной функции атмосферы является:
1. Поддержание круговорота фосфора (Р) и воды (Н2О).
2. Дыхание живых организмов.
3. Поддержание обмена веществом и энергией с космосом, дыхание
живых организмов.
14. Выберите группу веществ, сильнее других загрязняющих атмосферу:
1. СН2О, СО, СО2, Н2О, О3
2. СН2О, SO, SO2, NО, NО2, пыль
3. радиация, О3, Н2О, СН4, NН3
15. Выражением биосферной функции гидросферы является :
1. Поддержание круговорота воды (Н2О) и фосфора (Р) .
2. Поддержание среды жизни рыб.
3. Формирование осадков.
16. Количество пресной воды на Земле составляет:
1. 30 %.
2. 13 %.
3. 3 %.
17. Выражением биосферной функции литосферы является :
1. Производство пищи для живых организмов и поддержание круговорота кислорода (O) и других биогенных атомов.
2. Производство пищи для живых организмов.
3. Поддержание круговорота кислорода.
18. Выберите биогенный
максимальном количестве:
1. N.
2. C.
атом,
19. Выберите биогенный
максимальном количестве:
атом,
100
3. Н.
содержащийся
в
литосфере
в
в
атмосфере
в
4. О.
содержащийся
1. C.
2. Н.
3. N .
20. Что опаснее для биосферы Земли в целом?
1. Загрязнение атмосферы.
2. Загрязнение гидросферы .
3. Загрязнение литосферы.
101
4. О.
ЛИТЕРАТУРА
1..Мамедов Н.М., Суравегина И.Т. Экология: Учебное пособие. - М.: ШколаПресс, 1996. - 464 с.
2. Вронский В.А.. Прикладная экология: Учебное пособие. - Ростов н/Д:
Феникс, 1996. - 512 c.
3. Шилов И.А.. Экология. - М.: Высш. шк., 1997. - 512 с.
4. Реймерс Н.Ф. Экология. - М.: Россия молодая, 1994. - 367 с.
5. Пригожин И.Н. Самоорганизация в природе.: Пер. с англ. - М.: Наука,
1985.- С.117-137.
6. Терлецкий Я.П. Статистическая физика. - М.: Высш. шк., 1994. - 350 с.
7. Вронский В.А., Войткевич Г.В. Основы палеогеографии.- М.: Зевс, 1997.570 с.
8. Биологический энциклопедический словарь. - М.: Большая Рос. энцикл.,
1997. - 863 с.
9. Химический энциклопедический словарь. - М.: Большая Рос. энцикл.,
1997.- 765 с.
10. Общая биогеосистемная экология. Стебаев И.В., Пивоварова Ж.Ф.,
Смоляков Б.С., Неделькина С.В. - Новосибирск: Наука, 1993. - 286 с.
11. Петров К.М. Общая экология. - СПб.: Химия, 1998.-352 с.
12. Рузавин Г.И.. Концепции современного естествознания. - М.: Культура и
спорт, 1997.- с.163-251.
102
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................................... 3
1. ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА ................................................................................. 4
2. БИОСФЕРА ЗЕМЛИ И ЕЕ СОСТАВ .............................................................. 12
3. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ ........................... 17
4. ЭКОСИСТЕМЫ И ИХ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ............................................. 22
5. ЗАКОНЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭКОСИСТЕМ .................................... 28
6. ПОПУЛЯЦИЯ И ЕЕ СТРУКТУРА.................................................................. 34
7. СВОЙСТВА ПОПУЛЯЦИЙ............................................................................. 39
8. ОРГАНИЗМ И УСЛОВИЯ ЕГО СУЩЕСТВОВАНИЯ................................. 46
9. АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМОВ ....................................................................... 52
10. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ ............................................................................... 57
11. ВЛИЯНИЕ БИОСФЕРЫ НА ЧЕЛОВЕКА.................................................... 63
12. ВВЕДЕНИЕ В СОЦИАЛЬНУЮ ЭКОЛОГИЮ ............................................ 67
13. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА И ЕЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ........................... 72
14. ПРОБЛЕМЫ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ ................................................... 77
15. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ .................................................................... 81
16. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ ................................................................... 88
17. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЛИТОСФЕРЫ ..................................................................... 94
ЛИТЕРАТУРА ..................................................................................................... 102
103
Гусельников Михаил Эдуардович,
Стройнова Валентина Николаевна
БИОЭКОЛОГИЯ
Учебное пособие
Научный редактор доцент, кандидат химических наук Сечин А.И.
Подписано к печати
. .02. Формат 60х84/16. Бумага офсетная №1.
Печать RISO. Усл.печ.л.
. Уч.-изд.л.
Тираж
экз. Заказ №
ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94. Типография ТПУ.
634034, Томск, пр. Ленина, 30.
104