модуль №2 глобальная экология
реклама
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Геолого-географический факультет СЕМЕСТРОВЫЙ КУРС ЛЕКЦИЙ ДИСЦИПЛИНЫ «ЭКОЛОГИЯ» Направление подготовки 021600 – Гидрометеорология (специальность) Профиль подготовки (специализация) Квалификация (степень) выпускника Бакалавр Форма обучения очная Разработчик: Коханистая Н.В., преподаватель Ростов-на-Дону - 2012 Коханистая Н.В. Название: Экология. Семестровый курс лекций. Ростов-на-Дону, 2012. 142 с. АННОТАЦИЯ Курс лекций «Экология» предназначен для ознакомления студентов-бакалавров, магистров и аспирантов с основными экологическими понятиями и идеями, развиваемыми в последние 10-15 лет. Его содержательная часть полностью отвечает учебному плану, предусмотренному базовой частью математического и естественнонаучного цикла по направлению 020301 «Гидрометеорология». 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................................5 МОДУЛЬ 1 ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ ............................................................................6 Комплексная цель...................................................................................................................6 Проектное задание ................................................................................................................6 Лекция 1 ..............................................................................................................................6 Тема 1.1. Предмет, задачи и основные разделы современной экологии. ................6 Тема 1.2. Связь с другими науками. ............................................................................9 Лекция 2. Основные лимитирующие факторы. ...........................................................11 Тема 2.1. Экологические факторы. Концепция лимитирующих факторов ...........11 Тема 2.2. Закон минимума Либиха и закон толерантности Шелферда. .................14 Тема 2.3. Солнечная радиация ...................................................................................16 Тема 2.4. Температура .................................................................................................19 Тема 2.5. Влажность ....................................................................................................22 Лекция 3. Экология экосистем. ......................................................................................26 Тема 3.1. Концепция экосистемы...............................................................................26 Тема 3.2. Трофика и продуктивность экосистем. .....................................................27 Тема 3.3. Биоценоз и биотоп. .....................................................................................30 Тема 3.4. Пространственная структура экосистем. ..................................................31 Тема 3.5. Экологические ниши. .................................................................................33 Тема 3.6. Энергия, энтропия, продуктивность. Законы термодинамики и применение их в экологии. .........................................................................................34 Тема 3.7. Правило пирамид ........................................................................................36 Лекция 4. Динамика и эволюция экосистем. .................................................................39 Тема 4.1. Сукцессия и климакс. .................................................................................39 Тема 4.2. Эволюция биосферы. ..................................................................................43 Тема 4.3. Экологические модификации ....................................................................44 Лекция 5. Биосфера. ........................................................................................................46 Тема 5.1. Понятие биосферы. Оболочки биосферы (газовая, водная, каменная) .46 Тема 5.2. Химический состав атмосферы .................................................................51 Тема 5.3. Строение и состав гидросферы ..................................................................52 Тема 5.4. Круговорот биогенных элементов.............................................................55 ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ №1...................................................................................59 МОДУЛЬ №2 ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ .............................................................................60 Комплексная цель.................................................................................................................60 3 Проектное задание ..............................................................................................................60 Лекция 6. Антропогенное воздействие на биосферу и его последствия ...................60 Тема 6.1. Доклады Римского клуба ...........................................................................60 Тема 6.2. Техногенные катастрофы и стихийные бедствия. ...................................64 Лекция 7. Глобальные экологические проблемы современности ................................70 Тема 7.1. Изменение климата .....................................................................................70 Тема 7.2. Парниковый эффект ....................................................................................71 Тема 7.3. Признаки парникового эффекта в XXв. ....................................................74 Тема 7.4. Экологические последствия глобального потепления. ...........................75 Тема 7.5. История озоновой проблемы .....................................................................78 Тема 7.6. Механизм образования и разрушения озона. Озоноразрушающие вещества. ......................................................................................................................81 Тема 7.7. Экологические последствия разрушения озона .......................................82 Тема 7.8. Тропосферный озон. ...................................................................................85 Тема 7.9. Антропогенное воздействие на ближний космос. ...................................86 Лекция 8. Проблема загрязнения окружающей среды.................................................89 Тема 8.1. Загрязнение окружающей среды. Виды загрязнений. .............................89 Тема 8.2. Основные группы загрязняющих веществ. ..............................................93 МОДУЛЬ № 3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ............................................................96 Комплексная цель.................................................................................................................96 Проектное задание ..............................................................................................................96 Лекция 9. Мониторинг и контроль загрязнения в Российской Федерации. ...............97 9.1. Глобальная система мониторинга окружающей среды. ...................................97 9.2. Критерии оценки качества окружающей среды. ...............................................97 9.3. Мониторинг загрязнения окружающей природной среды. ..............................98 ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ №3.................................................................................100 ЛИТЕРАТУРА ...........................................................................................................................102 4 ВВЕДЕНИЕ Важность экологических проблем и природоохранной деятельности в современном мире постоянно нарастает. Опасные для человека и природных экосистем вещества постоянно поступают в окружающую среду и накапливаются в ее различных элементах. Загрязнение природной среды увеличивается вследствие широкого внедрения энергоемких и химических технологий, производства новых химических продуктов, роста объемов международной торговли химическими веществами и технологиями, недостаточного экологического контроля во всех областях человеческой деятельности. В последние десятилетия XX века произошли значительные изменения в общественном сознанию Эти изменения касаются взглядов на будущее человечества в связи с ухудшением глобальных экологических условий, рядом негативных событий и их тяжелыми последствиями для окружающей среды и населения: техногенными катастрофами, стихийными бедствиями, непрекращающимися военными конфликтами и т.д. Труды ведущих российских ученых и специалистов, опубликованные в 90-х годах, в значительной мере отражают сложившуюся экологическую ситуацию – как в мировом масштабе, так и в России. Опираясь на эти основополагающие работы, в данном курсе лекций изложены основы общей экологии, проблемы глобальной экологии, методы экологического мониторинга, контроля и оценки состояния окружающей природной среды. Курс лекций предназначен для студентов – бакалавров, магистров и аспирантов, обучающихся на естественных факультетах, а также для специалистов-экологов, работников природоохранных учреждений и комитетов. 5 МОДУЛЬ 1 ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ Комплексная цель – приобретение студентами знаний получить представление об экосистемах, о структуре геосфер Земли, о процессах, протекающих в экосистемах и об основных факторах, оказывающих влияние на развитие биосферы. Проектное задание – знать и изучить: структуру экосистем; характеристику основных оболочек биосферы; круговорот основных биогенных элементов, таких как углерод, азот, фосфор и сера, и воды; основные пути переноса и превращения энергии в экосистеме; влияние лимитирующих факторов на окружающую среду. Лекция 1. Экология как наука Тема 1.1. Предмет, задачи и основные разделы современной экологии. Тема 1.2. Связь с другими науками. Тема 1.1. Предмет, задачи и основные разделы современной экологии. Экология (от греч. oiyhos—жилище и logos - наука) — это наука, изучающая закономерности взаимодействия организмов и среды их обитания, законы развития и существования биогеоценозов как комплексов взаимодействующих живых и неживых компонентов в различных участках биосферы. Впервые термин и общее определение экологии дал немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866. Под экологией он понимал биологическую науку, изучающую взаимоотношения организмов с окружающей средой. В настоящее время отмечается разнообразие в толковании самого термина: 1) экология — одна из биологических наук, изучающая живые системы в их взаимодействии со средой обитания; 2) экология — комплексная наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаимодействии ее и общества; 3) экология — особый общенаучный подход к исследованию проблем взаимодействия организмов, биосистем и среды (экологический подход); 4) экология — совокупность научных и практических проблем взаимоотношений человека и природы (экологические проблемы). Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками — химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой. 6 Постепенно происходит «экологизация» многих сфер человеческой деятельности. Экологический подход завоевывает все новые позиции, и понятие экологии существенно расширилось. Это привело к размыванию понятия «экология» и даже утрате предмета исследования, потере четких границ с другими науками. К концу XX века сложилось мнение, что экология как наука выходит за рамки биологии, является междисциплинарной и стоит на стыке биологических, геологогеографических, технических и социально-экономических наук. Первоначальные, классические представления об экологии теперь часто уходят на второй план и вытесняются экологическими проблемами сегодняшнего дня. Современная экология включает инженерные аспекты, такие как знания о поведении биологических объектов в природе, биологических формах организации материи, развитии живых систем, структуре биосферы и ее эволюции, а также закономерности функционирования экосистем и популяций, рациональное природопользование, принципы и экономика охраны природы, изучение последствий антропогенного воздействия на биосферу. Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии — экосистемы, т. е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Часто в объекте изучения выделяют разные уровни организации живого: организменный уровень, включающий в себя отдельные виды организмов; популяционно-видовой уровень – популяции, т.е. совокупность особей одного вида; биоценотический уровень - сообщество особей разных видов на определенной территории, связанных различными внутривидовыми и межвидовыми взаимоотношениями, а также факторами неживой природы; биосферный уровень – биосфера в целом. Сегодня можно выделить общую (классическую) экологию, специальную экологию, прикладную экологию и глобальную экологию. Глобальная экология ориентирована на урегулирование взаимоотношений человечества как биологического вида, живущего на Земле и подвергающего ее негативным воздействиям, с окружающей средой с целью ее сохранения в пределах всей биосферы. В настоящее время появились и такие специальные дисциплин, как социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе «человеческое общество – природа», и ее часть – экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром. 7 Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов. Прикладная экология является необходимым элементом хозяйственной деятельности на национальном (государственном) уровне. Она включает в себя, прежде всего, такие разделы, как экологическая экспертиза, оценка риска технологий или медицинского риска. Предметом специальной экологии является приложение законов общей экологии к отдельным таксонам, различным типам местообитаний и биогеоценозов различных биоклиматических поясов. Общая экология представляет собой учение об основных закономерностях и принципах взаимодействия биотической и абиотической компонент экосистем. Иногда говорят об описательной экологии, к которой относят фактический материал, касающийся в основном состава и качественных особенностей структуры природных сообществ. Общая экология изучает законы формирования структуры, функционирования, эволюции экосистем на основе анализа целостных свойств экосистемы, таких как продуктивность, круговорот вещества и энергии, устойчивость. Она является теоретической основой прикладной и глобальной экологии. В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы: —аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (виды, особи) с окружающей его средой; —популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии; —синэкологию (биоценологию) — изучающую взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой. Исходя из приведенных выше понятий и направлений, следует, что задачи экологии весьма разнообразны. В общетеоретическом плане к ним относятся: —разработка общей теории устойчивости экологических систем; —изучение экологических механизмов адаптации к среде; —исследование регуляции численности популяций; —изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания; —исследование продукционных процессов; 8 —исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости; —моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов. Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время, следующие: — прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека; —улучшение качества окружающей природной среды; —сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных, ресурсов; —оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах. Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы. Таким образом, экология является одной из важнейших наук будущего и, «возможно, само существование человека на нашей планете будет зависеть от ее прогресса». Тема 1.2. Связь с другими науками. Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потребность в знаниях, определяющих «отношение живого к окружающей его органической и неорганической среде», возникла очень давно. Достаточно вспомнить труды Аристотеля (384—322 до н. э.), Плиния Старшего (23—79 н. э.), Р. Бойля (1627—1691) и др., в которых обсуждалось значение среды обитания в жизни организмов и приуроченность их к определенным местообитаниям, чтобы убедиться в этом. В истории развития экологии можно выделить три основных этапа. Первый этап — зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. XIX в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения. В XVII—XVIII вв. экологические сведения составляли значительную долю во многих биологических описаниях (А. Реомюр, 1734; А. Трамбле, 1744 и др.). Элементы экологического подхода содержались в исследованиях русских ученых И. И. Лепехина, А. Ф. Миддендорфа, С. П. Крашенникова, французского ученого Ж. Бюффона, шведского естествоиспытателя К. Линнея, немецкого ученого Г. Йегера и др. 9 В этот же период Ж.-Б. Ламарк (1744—1829) и Т. Мальтус (1766—1834) впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу. Второй этап — оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60х гг. XIX в.). Начало этапа ознаменовалось выходом работ русских ученых К. Ф. Рулье (1814—1858), Н, А. Северцова (1827—1885), В. В. Докучаева (1846—1903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. В конце 70-х гг. XIX в. немецкий гидробиолог К. Мёбиус (1877) вводит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды. Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (1809—1882), вскрывший основные факторы эволюции органического мира. То, что он называл «борьбой за существование», с эволюционных позиций можно трактовать как взаимоотношения живых существ с внешней, абиотической средой и между собой, т. е. с биотической средой. Немецкий биолог-эволюционист Э. Геккель (1834—1919) первый понял, что это самостоятельная и очень важная область биологии и назвал ее экологией (1866). Как самостоятельная наука экология окончательно оформилась в начале XX столетия. В этот период американский ученый Ч. Адамс (1913) создает первую сводку по экологии, публикуются другие важные обобщения и сводки. Крупнейший русский ученый XX в. В. И. Вернадский создает фундаментальное учение о биосфере. В 30-е и 40-е гг. экология поднялась на более высокую ступень в результате нового подхода к изучению природных систем. Сначала А. Тенсли (1935) выдвинул понятие об экосистеме, а несколько позже В. Н. Сукачев (1940) обосновал близкое этому представление о биогеоценозе. Во второй половине XX в. в связи с прогрессирующим загрязнением окружающей среды и резким усилением воздействия человека на природу экология приобретает особое значение. Начинается третий этап (50-е гг. XX в. — до настоящего времени) — превращение экологии в комплексную науку, вобравшую в себя не только биоэкологию, но и разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры и экономики, а также включившую в себя науки об охране окружающей среды. Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Н. Борлауг, Р. Риклефс, А. Швейцер, Дж. М. Андерсен, М. Бигон, Т. Миллер, Б. Небел и др. Среди отечественных ученых следует назвать И. П. 10 Герасимова, Ю. А. Израэля, Н. Ф. Реймерса, С. С. Шварца, В. Е. Соколова, В. Г. Горшкова, Н. Моисеева, Н. П. Наумова, В. Д. Федорова и др. Обязательная литература: 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. с. 537-539. 2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 7-е. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004. –с. 12-21. 3. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 14-е. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2008. –с. 13-21. 4. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учебное пособие. – М.: «Издательство ПРИОР», 2000. с. 7-9. 5. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. с. 5-9. Дополнительная литература: 1. Общая биология: Учеб. для 10-11кл. общеобразоват. учреждений/ Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2001. с.241. Контрольные вопросы 1. Что такое «экология»? 2. Какие уровни организации живого выделяют в объекте изучения данной науки? 3. Назовите основные разделы общей экологии. 4. Перечислите основные задачи экологии. 5. Охарактеризуйте основные этапы развития экологии. Лекция 2. Основные лимитирующие факторы. Тема 2.1. Экологические факторы. Концепция лимитирующих факторов Тема 2.2. Закон минимума Либиха и закон толерантности Шелферда. Тема 2.3. Солнечная радиация Тема 2.4. Температура Тема 2.5. Влажность Тема 2.1. Экологические факторы. Концепция лимитирующих факторов Среда обитания организма — это совокупность абиотических и биотических условий его жизни. Свойства среды постоянно меняются, и любое существо, чтобы выжить, приспосабливается к этим изменениям. 11 Земной биотой освоены три основные среды обитания: водная, наземно-воздушная и почвенная вместе с горными породами приповерхностной части литосферы. Биологи еще часто выделяют четвертую среду жизни — сами живые организмы, заселенные паразитами и симбионтами. Воздействие среды воспринимается организмами через посредство факторов среды, называемых экологическими. Под экологическими факторами понимают те воздействия, которые оказывают непосредственное влияние на характер и интенсивность протекающих в экосистеме процессов. Число всевозможных экологических факторов представляется потенциально неограниченным, поэтому классификация их — дело сложное. Для классификации используют различные признаки, учитывающие как многообразие этих факторов, так и их свойства. Экологические факторы бывают трех видов: 1) Абиотические - вся совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди них различают физические, химические и эдафические (почвенные). Физические факторы — это те, источником которых служит физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура, если она высокая, вызовет ожог, если очень низкая — обморожение. На действие температуры могут повлиять и другие факторы: в воде — течение, на суше — ветер и влажность, и т. п. Но есть и физические факторы глобального воздействия на организмы, к которым относятся естественные геофизические поля Земли. Хорошо известно, например, экологическое воздействие магнитного, электромагнитного, радиоактивного и других полей нашей планеты. Химические факторы — это те, которые происходят от химического состава среды. Например, соленость воды. Если она высокая, жизнь в водоеме может вовсе отсутствовать (Мертвое море), но в то же время в пресной воде не могут жить большинство морских организмов. От достаточности содержания кислорода зависит жизнь животных на суше и в воде, и т. п. Эдафические факторы, т. е. почвенные, — это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы, живущие в них, т. е. те, для которых они являются средой обитания, так и на корневую систему растений. Хорошо известно влияние химических компонентов 12 (биогенных элементов), температуры, влажности, структуры почв, содержания гумуса и т. п. на рост и развитие растений. 2) Биотические — совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания. В последнем случае речь идет о способности самих организмов в определенной степени влиять на условия обитания. Например, в лесу под влиянием растительного покрова создается особый микроклимат, или микросреда, где по сравнению с открытым местообитанием создается свой температурно-влажностной режим: зимой здесь на несколько градусов теплее, летом — прохладнее и влажнее. Особая микросреда возникает также в дуплах деревьев, в норах, в пещерах и т. п. Внутривидовые взаимодействия между особями одного и того же вида складываются из группового и массового эффектов и внутривидовой конкуренции. Групповой и массовый эффекты обозначают объединение животных одного вида в группы по две или более особей и эффект, вызванный перенаселением среды. В настоящее время чаще всего эти эффекты называются демографическими факторами. Они характеризуют динамику численности и плотность групп организмов на популяционном уровне, в основе которой лежит внутривидовая конкуренция, которая в корне отличная от межвидовой. Она проявляется в основном в территориальном поведении животных, которые защищают места своих гнездовий и известную площадь в округе. Таковы многие птицы и рыбы. Межвидовые взаимоотношения значительно более разнообразны. Два живущие рядом вида могут вообще никак не влиять друг на друга, могут влиять и благоприятно, и неблагоприятно. Возможные типы комбинаций и отражают различные виды взаимоотношений (нейтрализм, конкуренция, мутуализм, протокооперация (содружество), комменсализм, аменсализм, паразитизм, хищничество). Межвидовые отношения лежат в основе существования биотических сообществ (биоценозов). 3) Антропогенные — факторы, порожденные человеком и воздействующие на окружающую среду (загрязнение, эрозия почв, уничтожение лесов и т. д.). Среди абиотических факторов довольно часто выделяют климатические (температура, влажность воздуха, ветер и др.) и гидрографические — факторы водной среды (вода, течение, соленость и др.). По отношению к экосистеме экологические факторы делят на (экзогенные, или энтопические) и внутренние (эндогенные). внешние Несмотря на определенную условность такого деления, считают, что внешние факторы, действуя на 13 экосистему, сами не подвержены или почти не подвержены ее влиянию. К ним относят солнечную радиацию, атмосферные осадки, атмосферное давление, скорость ветра и течений и т. д. Внутренние факторы соотносятся со свойствами самой экосистемы и образуют ее, т. е. входят в ее состав. Это — численность и биомасса популяций, количество различных химических веществ, характеристики водной или почвенной массы и т. п. Важным классификационным показателем является временная динамика экологических факторов. Классификация экологических факторов по их свойствам по отношению к экосистеме включает деление их на климато-географические, биогеографические, биологические, а также почвенные, водные, атмосферные и т. п. Особо выделяют аддитивные факторы, характеризующие количественные параметры биотической и абиотической составляющей экосистемы: численность и биомассу популяций, концентрации химических веществ. Такие факторы называются ресурсными. Внешние экологические факторы по отношению к экосистеме являются воздействием. Реакция экосистемы, биоценоза, популяций и особей на эти воздействия называется откликом. От характера отклика на воздействие зависит способность организма приспосабливаться к условиям окружающей среды, адаптироваться и приобретать устойчивость к влиянию различных факторов среды, в том числе неблагоприятных воздействий. В конечном счете, эти предпосылки лежат в основе механизма естественного отбора. С другой стороны, они определяют устойчивость экосистемы. Условия существования организмов и популяций можно рассматривать как регулирующие экологические факторы. Не все экологические факторы — свет, температура, влажность, наличие солей, обеспеченность биогенными элементами и т.д. — одинаково важны для успешного выживания организма и поддержания структуры и метаболизма экосистемы. Первостепенное, наиболее важное значение имеют так называемые лимитирующие экологические факторы. Лимитирующими экологическими факторами следует называть такие факторы, которые ограничивают развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием). Их иногда называют ограничивающими факторами. Тема 2.2. Закон минимума Либиха и закон толерантности Шелферда. 14 Закон минимума Либиха. Идея о том, что выносливость организма определяется самым слабым звеном среди всех его потребностей, впервые была высказана К. Либихом в 1840 г. Он сформулировал принцип, который известен как закон минимума Либиха: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени» или «Продукция зависит от фактора, находящегося в минимуме». Выводы К. Либиха касались роли питания в жизни растений и сводились к тому, что рост растений и их урожайность лимитируется не теми элементами питания, которые необходимы и потребляются в больших количествах, а теми, которые используются в микроколичествах, но которых в почве очень мало. Оказалось, что закон Либиха строго применим только в условиях стационарного состояния экосистем, т. е. такого состояния, когда приток и отток энергии и вещества сбалансированы. При стационарном состоянии лимитирующим будет то вещество, количества которого наиболее близки к необходимому минимуму. К переходным состояниям, когда количества вещества быстро меняются, закон применим в меньшей степени. Принцип, первоначально сформулированный К. Либихом, в настоящее время распространен на любые экологические факторы, но он дополнен двумя ограничениями: —относится только к системам, находящимся в стационарном состоянии; —относится не только к одному фактору, но и к комплексу факторов, различных по своей природе и взаимодействующих в своем влиянии на организмы и популяции. Закон толерантности Наиболее полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности. Для обозначения пределов толерантности к условиям среды обитания используют термины «эврибионтный» — организм с широким пределом толерантности — и «стенобионтный» — с узким. Приставки эври- и стено- используют для образования слов, характеризующих температуры влияние (стенотермный — различных экологических эвритермный), солености факторов, например, (стеногалинный — эвригалинный), пищи (стенофагный — эврифагный) и т. д. На уровне сообществ и даже видов известно явление компенсации факторов, под которым понимают способность приспосабливаться (адаптироваться) к условиям среды 15 так, чтобы ослабить лимитирующее влияние температуры, света, воды и других физических факторов. Виды с широким географическим распространением почти всегда образуют адаптированные к местным условиям популяции — экотипы. При более глубоких адаптационных процессах здесь могут появиться и генетические расы. Закон толерантности, сформулированный В. Шелфордом, был дополнен рядом положений: 1) организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий — в отношении другого; 2) наиболее широко распространены организмы с большим диапазоном толерантности; 3) диапазон толерантности для одного экологического фактора может зависеть от других экологических факторов; 4) если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то это сказывается и на диапазоне толерантности для других экологических факторов; 5) пределы толерантности существенно зависят от состояния организма; так, пределы толерантности для организмов в период размножения или на стадии личинки обычно уже, чем для взрослых особей; 6) в природных популяциях существенное влияние на диапазон толерантности могут оказывать межпопуляционные отношения (конкуренция, хищничество, паразиты и т. п.). Итак, в природных условиях организмы зависят от состояния критических физических факторов, от содержания необходимых веществ и от диапазона толерантности самих организмов к этим и другим компонентам среды. Тема 2.3. Солнечная радиация Экосистемы испытывают воздействие таких внешних по отношению к ним физических факторов, как солнечная радиация, температура внешней среды, ионизирующее излучение, влажность, атмосферное давление, течение и др. Лимитирующие физические факторы в основном являются внешними по отношению к экосистеме. Солнечная радиация относится к числу факторов, сыгравших ключевую историческую роль в эволюции биосферы. Эта эволюция была направлена на «укрощение» поступающего солнечного излучения, использование его полезных составляющих, ослабление вредных и защиту от них. Таким образом, свет – это фактор не только жизненно важный, но и лимитирующий, причем и на максимальном, и на минимальном уровнях. 16 Свет — это первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Он участвует в фотосинтезе, обеспечивая создание органических соединений из неорганических растительностью Земли, и в этом его важнейшая энергетическая функция. Но в фотосинтезе участвует лишь часть спектра в пределах от 380 до 760 нм, которую называют областью физиологически активной радиации (ФАР). Однако свет не только энергетический ресурс, но и важнейший экологический фактор, весьма существенно влияющий на биоту в целом и на адаптационные процессы и явления в организмах. За пределами видимого спектра и ФАР остаются инфракрасная (ИК) и ультрафиолетовая (УФ) области. УФ-излучение несет много энергии и обладает фотохимическим воздействием — организмы к нему очень чувствительны. ИК-излучение обладает значительно меньшей энергией, легко поглощается водой, но некоторые сухопутные организмы используют его для поднятия температуры тела выше окружающей. Мощным экраном, защищающим живые существа от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, служит озоновый слой. Инфракрасное излучение частично поглощается облачным покровом. Оставшаяся часть потока солнечной радиации поглощается экосистемами. Интенсивность инфракрасного излучения зависит от температуры, влажности и некоторых других свойств атмосферы. При прохождении через атмосферу меняется не только интенсивность излучения, но и его спектр, что имеет существенное значение для живых организмов. Животные и растения реагируют на различные области спектра. Так, у разных животных по-разному устроен зрительный аппарат, у них различное «цветовое» зрение. Среди млекопитающих цветовое зрение хорошо развито только у приматов, тогда как другие животные видят весь мир черно-белым, хотя и с большим числом оттенков. Процесс фотосинтеза у растений является предметом специального изучения. С изменением длины волны сильно меняется интенсивность фотосинтеза, т. е. существует оптимум, в диапазоне которого процесс идет наиболее эффективно. Растения приспособились к условиям светового излучения путем создания пигментов, наборы которых сильно отличаются у разных представителей растительного мира. Наиболее значительные отличия имеют место у наземных и водных растений. Проходя через слой воды, красная и синяя область спектра поглощаются, и получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Красные морские водоросли имеют дополнительные пигменты, позволяющие им использовать энергию Солнца и в этом 17 диапазоне длин волн. Благодаря такому приспособлению они могут жить на больших глубинах, чем зеленые водоросли. Таким образом, здесь вступает в силу компенсация факторов: отдельные растения и целые сообщества приспосабливаются к разным спектральным характеристикам и различной интенсивности светового потока. И у наземных, и у водных растений интенсивность фотосинтеза линейно зависит от интенсивности солнечной радиации. Важное значение для организмов имеет интенсивность освещения. Растения по отношению к освещенности подразделяются на светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты) и теневыносливые (факультативные гелиофиты). Первые две группы обладают разными диапазонами толерантности в пределах экологического спектра освещенности. Геолиофиты – растения открытых, постоянно и хорошо освещенных местообитаний; в основном это растения аридных областей. Для них характерно: листья обычно мелкие, побеги сильно ветвящиеся, нередко листья имеют восковой налет, в листьях в значительных количествах содержатся пигменты и пр. К ним относятся луговые травы, хлебные злаки, сорняки и др. Сциофиты – растения, постоянно находящиеся в условиях сильного затенения, при этом плохо переносящие сильное освещение прямыми солнечными лучами. Так, в северных хвойных и смешанных лесах в нижних ярусах доминируют сциофиты (зеленые мхи, плауны, кислица обыкновенная, бегония, майник двулистный и др.). Из деревьев можно отметить самшит, тис, пихта, ель, бук и др. В отличие от гелиофитов для социофитов характерные темно-зеленые, более крупные и значительно тонкие листья, располагающиеся горизонтально и с меньшим содержанием пигментов. Факультативные гелиофиты – эти теневыносливые растения, могущие переносить большие или меньшее затенение, но могут хорошо расти и на свету, причем по сравнению с другими растениями они легче перестраиваются под влиянием изменения светового режима. К этой группе можно отнести некоторые луговые растения, лесные травы и кустарники, растущие и в затененных участках леса, и на лесных полянах, опушках, бырубках. Свет имеет большое сигнальное значением вызывает регуляторные адаптации организмов. Одним из самых надежных сигналов, регулирующих активность организмов во времени, является длина дня — фотопериод. 18 Фотопериодизм как явление — это реакция организма на сезонные изменения длины дня. Длина дня в данном месте, в данное время года всегда одинакова, что позволяет растению и животному определиться на данной широте со временем года. Фотопериодизм нельзя отождествлять с обычными внешними суточными ритмами, обусловленными просто сменой дня и ночи. Суточная цикличность жизнедеятельности у животных и человека переходит во врожденные свойства вида, т. е. становится внутренними (эндогенными) ритмами. Но в отличие от изначально внутренних ритмов их продолжительность может не совпадать с точной цифрой — 24 часа — на 15— 20 минут, и в связи с этим, такие ритмы называют циркадными (в переводе — близкие к суткам). Эти ритмы помогают организму чувствовать время, и эту способность называют «биологическими часами». Они помогают птицам при перелетах ориентироваться по солнцу и вообще ориентируют организмы в более сложных ритмах природы. Фотопериодизм, хотя и наследственно закреплен, проявляется лишь в сочетании с другими факторами, например температурой: если в день X холодно, то растение зацветает позже, или в случае с вызреванием — если холод наступает раньше дня X, то, например, картофель дает низкий урожай, и т. п. В субтропической и тропической зоне, где длина дня по сезонам года меняется мало, фотопериод не может служить важным экологическим фактором — на смену ему приходит чередование засушливых и дождливых сезонов, а в высокогорье главным сигнальным фактором становится температура. Так же, как на растениях, погодные условия отражаются на пойкилотермных животных, а гомойотермные отвечают на это изменениями в своем поведении: изменяются сроки гнездования, миграции и др. Развитие живой природы по сезонам года происходит в соответствии с биоклиматическим законом, который носит имя Хопкинса: сроки наступления различных сезонных явлений зависят от широты, долготы местности и ее высоты над уровнем моря. Значит, чем севернее, восточнее и выше местность, тем позже наступает весна и раньше осень. Тема 2.4. Температура Температура является важным и часто лимитирующим фактором среды. Распространение различных видов и численность популяций существенно зависят от температуры. Диапазон температур, которые зарегистрированы во Вселенной, равен тысяче градусов, но пределы обитания живых существ на Земле значительно уже: чаще всего от — 200°С до + 100°С. Большая часть организмов имеет гораздо более узкий диапазон 19 температур, причем наибольший диапазон имеют самые низкоорганизованные существа — микроорганизмы, в частности, бактерии. Бактерии обладают способностью жить в условиях, где другие организмы погибают. Так, их обнаруживают в горячих источниках при температуре около 90°С и даже 250°С, тогда как самые устойчивые насекомые погибают, если температура окружающей среды превышает 50°С. Диапазон толерантности у наземных животных в целом больше, чем у водных (не считая микроорганизмов). Изменчивость температуры, временная и пространственная, является мощным экологическим фактором среды. Воздействие температурного фактора на организмы сводится к его влиянию на скорость обмена веществ. Если исходить из правила Вант-Гоффа для химических реакций, то следует заключить, что повышение температуры вызовет пропорциональное возрастание скорости биохимических процессов обмена веществ. Однако в живых организмах скорость реакций зависит от активности ферментов, которые имеют свои температурные оптимумы. Скорость ферментативных реакций зависит от температуры нелинейно. Учитывая все многообразие ферментативных реакций у живых существ, следует заключить, что ситуация в живых системах существенно отличается от сравнительно простых химических реакций (протекающих в неживых системах). Интервал выживания, особенно популяции в целом находится между так называемыми нижней и верхней «границами стойкости». В этом интервале можно выделить «оптимальный интервал», в котором организмы чувствуют себя комфортно и численность популяции растет, а за его пределами они оказываются сначала в условиях «пониженной жизнедеятельности», где организм чувствует себя угнетенно, а затем погибает либо от холода (за нижней границей стойкости), либо от жары (за верхней границей стойкости). Этот пример влияния температуры на организмы иллюстрирует общий закон биологической стойкости, применимый к любому из важнейших лимитирующих факторов: величина «оптимального интервала» характеризует величину «стойкости» организма, т. е. величину его толерантности к этому фактору, или «экологическую валентность». При анализе взаимосвязей между организмами и температурой окружающей среды все организмы делят на три типа: гомойотермных, пойкилотермных и гетеротермных. Пойкилотермные животные являются эктотермными, они имеют относительно низкий уровень метаболизма. Температура тела, скорость физиолого-биохимических процессов и общая активность прямо зависят от температуры среды. К ним относятся все 20 беспозвоночные, а из позвоночных – рыбы, земноводные и пресмыкающиеся. Их температура тела, как правило, выше температуры внешней среды на 1-2ºС или равна ей. При повышении или понижении температуры среды за пределы оптимальных величин эти организмы впадают в терморегуляционных оцепенение механизмов у или гибнут. пойкилотермных Отсутствие совершенных животных обусловлено относительно слабым развитием нервной системы и низким уровнем обмена веществ по сравнению с гомойотермными организмами. У гомойотермных организмов имеется комплекс приспособлений к меняющимся условиям температуры среды. Температурные адаптации связаны с поддержанием постоянного уровня температуры тела и сводятся к получению энергии для обеспечения высокого уровня метаболизма. Интенсивность последнего у них на 1 — 2 порядка выше, чем у пойкилотермных. Физиолого-биохимические процессы у них протекают в оптимальных температурных условиях. В основе теплового баланса лежит использование собственной теплопродукции, поэтому их относят к эндотермным организмам. Регулирующую роль в поддержании постоянной температуры тела играет нервная система. Гомойотермия характерна для высших организмов. К ним относят два класса высших позвоночных животных: птиц и млекопитающих. Большинство видов живых организмов являются пойкилотермными. Они широко расселены на Земле и занимают многообразные экологические ниши. Гетеротермные организмы – это животные, сохраняющие постоянную температуру тела в активном состоянии и обладающие непостоянной температурой тела в период отдыха и особенно во время периодического глубокого сна (оцепенения или спячки). К ним относятся суслики, сурки, ежи, барсуки, медведи, летучие мыши и др. Гетеротермия, т.е. разный уровень температуры тела организмов, представляет собой специальную форму адаптации животных, обеспечивающую высокий уровень обмена веществ в период активности и низкие потери энергии во время зимней спячки животных. Реакция конкретного вида на температуру не постоянна и может изменяться в зависимости от времени воздействия температуры окружающей среды и ряда других условий. Другими словами, организм может приспосабливаться к изменению температурного режима. Известны морфологические приспособления растений и животных к низким температурам, так называемые жизненные формы растений и животных. Растения приспосабливаются таким образом, чтобы уберечь свои почки от мороза под снегом, в 21 почве и т.п., а животные увеличивают массу тела, запасая на зиму вещества, поэтому даже животные одного вида на севере крупнее, чем на юге. У животных большее значение имеют физиологические адаптации, простейшая из которых — акклиматизация — физиологическое приспособление к перенесению жары или холода. Более радикальным способом защиты от холода является миграция в теплые края, зимовка — впадение зимой в спячку. Большинство животных зимой находится в неактивном состоянии, а насекомые — вообще останавливаются в своем развитии, наступает период диапаузы. В том случае, если организм не может приспособиться к изменению температурного режима, он погибает. Причиной гибели организма при высоких температурах является нарушение гомеостаза и интенсивности обмена веществ, денатурация белков и инактивация ферментов, обезвоживание. Необратимые нарушения структуры белков возникают при температуре около 60 °С. У животных «тепловая смерть» наступает раньше, чем происходит денатурация белков, вследствие нарушений деятельности нервной системы и других регуляторных механизмов. При низких температурах обмен замедляется или даже приостанавливается, происходит образование кристаллов льда внутри клеток, что приводит к их разрушению, повышению внутриклеточной концентрации солей, нарушению осмотического равновесия и денатурации белков. Морозоустойчивые растения выдерживают полное зимнее промерзание благодаря ультраструктурным перестройкам, направленным на обезвоживание клеток. Тема 2.5. Влажность Вода представляет собой ресурс, относящийся ко всей экосистеме. Она составляет основную массу организмов животных и растений. Ткани большинства живых организмов на 50 — 80 % состоят из воды. У ряда организмов содержание воды еще выше: в теле медузы, например, содержится около 95 % воды, в тканях моллюсков — 92 %. Внутренняя среда практически всех известных организмов является водной, и все обменные процессы протекают именно здесь. Выделяют следующие характеристики, важные для описания воды как лимитирующего фактора в экосистеме: влажность, количество осадков, иссушающие свойства воздуха, доступная площадь водного запаса. Количество атмосферных осадков обусловлено физико-географическими условиями и неравномерно распределено на земном шаре. Но для организмов важнейшим лимитирующим фактором является распределение осадков по сезонам года. 22 Фактором лимитирования является сезонная периодичность выпадения осадков. Если осадки в течение года выпадают равномерно, то условия обеспечения влагой будут весьма благоприятными. Напротив, когда большая часть осадков выпадает за один сезон, растениям приходится переносить засуху. Неравномерное сезонное распределение осадков характерно для тропиков, где хорошо выражены влажный и сухой сезоны. В умеренных широтах в большинстве случаев осадки распределены более равномерно. Однако биотическая составляющая экосистемы зависит не только от количества осадков, но и от равновесия между ними и потенциальной транспирацией. Влажность воздушной среды измеряется обычно в показателях относительной влажности, т. е. в виде процента реального давления водяного пара от давления насыщенного пара при той же температуре. Отсюда способность влажности изменять эффекты температуры: понижение влажности по сравнению с некоторым пределом при данной температуре ведет к иссушающему действию воздуха. Наземным организмам приходится экономить воду, но их способности в этом отношении сильно варьируют. Животные теряют влагу с испарениями, а также путем выделения конечных продуктов обмена веществ. Компенсацией потерь воды у животных служит ее поступление с пищей и питьем. В неблагоприятных условиях животные часто сами регулируют свое поведение так, чтобы избежать недостатка влаги: переходят в защищенные от иссушения места, ведут ночной образ жизни. Многие животные не покидают пределов переувлажненных местообитаний. Совершенно по-другому сложились адаптации у растений, поскольку они лишены способности передвигаться. Наиболее важное экологическое значение для растений имеет иссушающее действие воздуха. Подавляющее большинство растений всасывает воду корневой системой из почвы. Иссушение почвы затрудняет всасывание. Адаптация растений к этим условиям — увеличение всасывающей силы и активной поверхности корней. Вода расходуется на фотосинтез, всего около 0,5% всасывается клетками, а 97—99% ее уходит на транспирацию — испарение через листья. При достатке воды и питательных веществ рост растений пропорционален транспирации, а ее эффективность будет наивысшей. Эффективность транспирации — это отношение прироста вещества (чистой продукции) к количеству транспирированной воды. Измеряется в граммах сухого вещества на 1000 см3 воды. Для большинства растений она равна двум, т.е. на получение каждого грамма живого вещества тратится 500 г воды. У засухоустойчивых растений (сорго, просо) она равна 4. Основная форма адаптации — не снижение транспирации, а 23 прекращение роста в период засухи. В сухой сезон эти растения сбрасывают листья или, как кактусы, закрывают на дневное время устьица. В нижних ярусах тропических дождевых лесов, где 100%-ная относительная влажность, есть растения с приспособлениями для потери воды, а в пустынях у некоторых растений водный баланс не нарушается даже в период непродолжительной засухи, и т. д. В зависимости от способов адаптации растений к влажности выделяют несколько экологических групп: 1. гигрофиты — наземные растения, живущие в очень влажных почвах и в условиях повышенной влажности (рис, папирус); 2. мезофиты — переносят незначительную засуху (древесные растения различных климатических зон, травянистые растения дубрав, большинство культурных растений и др.); 3. ксерофиты — растения, приспособленные к жизни в местообитаниях с недостаточным увлажнением. Они подразделяются на: суккуленты – многолетние засухоустойчивые растения с сочными, мясистыми стеблями или листьями, в которых запасается влага (кактусы, молочаи, алоэ); склерофиты – засухоустойчивые растения с жесткими, кожистыми листьями и стеблями, эффективно задерживающими испарение (транспирацию) воды (оливковое дерево, кавыль, саксаул). Среди суккулентов наблюдается явление конвергенции — растения, относящиеся к разным видам, имеют практически одинаковую форму: у африканского молочая и кактуса шарообразная форма, обеспечивающая наименьшую поверхность испарения. Доступный запас воды, т.е. такой воды, которую способна поглощать корневая система растений, зависит, прежде всего, от количества осадков в данном районе и водопроницаемости поверхностных отложений. Даже при большом количестве осадков, высокая проницаемость песчаных и песчано-гравийных отложений приведет к быстрой фильтрации воды в глубину, осушая почву. В случае если естественный источник не обеспечивает достаточный запас доступной влаги, прибегают к искусственным способам его пополнения — орошению с помощью устройства ирригационных систем. У животных по отношению к воде выделяются свои экологические группы: гигрофилы (влаголюбивые), ксерофилы (сухолюбивые), а также промежуточная группа — мезофилы. Способы регуляции водного баланса у них поведенческие, морфологические и физиологические. 24 К поведенческим способам относятся перемещение в более влажные места, периодическое посещение водопоя, переход к ночному образу жизни и др. К морфологическим адаптащям — приспособления, задерживающие воду в теле: раковины наземных улиток, роговые покровы у рептилий, и др. Физиологические приспособления направлены на образование метаболической воды, являющейся результатом обмена веществ и позволяющей обходиться без питьевой воды. Она широко используется насекомыми и часто такими животными, как верблюд, овца, собака, которые могут выдержать потерю воды в количестве, соответственно, 27, 23 и 17%. Человек погибает уже при 10%-ной потере воды. Пойкилотермные животные более выносливы, так как им не приходится использовать воду на охлаждение, как теплокровным. Обязательная литература: 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. с. 465. 2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 7-е. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004. –с. 52-62. 3. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учебное пособие. – М.: «Издательство ПРИОР», 2000. с. 25-30. 4. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. с. 57-66. 5. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. с. 268-286. Дополнительная литература: 1. Хрусталев Ю.П., Берликов Г.М., Хулхачиев Б.С. Эколого-географический словарь-справочник. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2002. с. 84. Контрольные вопросы 1. Какой часть спектра относится к области физиологически активной радиации? 2. На какие группы подразделяются растения по отношению к освещенности? 3. Что подразумевают под понятием «биологические часы»? 4. Охарактеризуйте пойкилотермные животные. 5. Чем различаются акклимация и акклиматизация? 6. Как растения ведут себя в условиях избыточного и недостаточного увлажнения? 7. Что такое «среда обитания»? Какие среды обитания вы знаете? 8. Какие виды экологических факторов вы знаете? 9. Перечислите основные лимитирующие факторы. 10. Сформулируйте закон минимума Либиха. 25 11. Что является пределами толерантности? Лекция 3. Экология экосистем. Тема 3.1. Концепция экосистемы. Тема 3.2. Трофика и продуктивность экосистем. Тема 3.3. Биоценоз и биотоп. Тема 3.4. Пространственная структура экосистем. Тема 3.5. Экологические ниши. Тема 3.6. Энергия, энтропия, продуктивность. Законы термодинамики и применение их в экологии. Тема 3.7. Правило пирамид Тема 3.1. Концепция экосистемы. В основе экологии лежит концепция экосистемы. Экосистема — основная функциональная единица в экологии. Существует много разных определений этого понятия, но в основе его лежит по сути одно и то же содержание. Согласно представлениям Ю. Одума, живые организмы и их неживое окружение, неразделимо связанные друг с другом, постоянно взаимодействующие и совместно функционирующие на данном участке таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляют собой экологическую систему — экосистему. Экосистемой не является любая часть жизни, взаимодействующая с окружающей средой. Экосистема – совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Термин предложен английским экологом А. Тенсли (1935). Главным предметом исследования при экосистемном подходе в экологии становятся процессы трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой, т.е. возникающий биогеохимический круговорот веществ в экосистеме в целом. Это позволяет дать обобщенную интегрированную оценку результатов жизнедеятельности сразу многих отдельных организмов многих видов, так как по биогеохимическим функциям, т.е. по характеру осуществляемых в природе процессов превращения вещества и энергии, организмы более однообразны, чем по своим морфологическим признакам и строению. Например, все высшие растения потребляют одни и те же вещества, все они используют свет и благодаря фотосинтезу образуют близкие по составу органические вещества и выделяют кислород. 26 В настоящее время концепция экосистем – одно из наиболее важных обобщений биологии – играет весьма важную роль в экологии. Во многом этому способствовало то, что сейчас как никогда остро встали вопросы охраны биосферы и теоретического обоснования природоохранных мероприятий, которые опираются, прежде всего, на концепцию биотических сообществ – экосистем. Кроме того распространению идеи экосистемы способствовало гибкость самого понятия, так как к экосистемам можно относить биотические сообщества любого масштаба с их средой обитания – от пруда до Мирового океана, и от пня в лесу до обширного лесного массива, например, тайги. В связи с этим выделяют микроэкосистемы (ствол гниющего дерева и т.д.), мезоэкосистемы (лес, пруд, озеро, луг), макроэкосистемы (континент, океан) и глобальная экосистема (биосфера) или экосферу, - интеграцию всех экосистем мира. Типичным примером экосистемы может быть подушка лишайника на стволе дерева. Границы этой экосистемы очерчены границами лишайника, но ее существование будет достаточно стабильным, если вынос будет компенсироваться поступлением вещества. Но есть экосистемы, в которых внутренний круговорот вещества вообще малоэффективен — реки, склоны гор, — здесь стабильность поддерживается только перетоком вещества извне. Многие системы достаточно автономны — пруды, озера, океан, леса и др. Но даже биосфера Земли часть веществ отдает в космос и получает вещества из космоса. Таким образом, природные экосистемы — это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энергию. Тема 3.2. Трофика и продуктивность экосистем. В пределах биотической компоненты (биоценоза) рассмотрим структуру экосистемы, используя критерий питания (трофики) и пространственной организации. Исходя из того, что одним из главных свойств экосистемы как целостного образования является круговорот вещества и энергии, наиболее важным критерием ее структуры и функционирования считают пищевые взаимоотношения популяций. В зависимости от выполняемых функций в отношении питания все популяции разделяют на три основные группы: продуценты, консументы, и редуценты. Все организмы, выполняющие в экосистеме (биоценозе) одинаковые трофические функции, составляют определенный трофический уровень. Первый трофический уровень образуют автотрофные организмы (автотрофы). Они создают уровень первичной продукции и являются первичными продуцентами. Именно они утилизируют внешнюю энергию солнца, создают массу органического вещества (биомассу), являются основой существования жизни вообще и биоценоза в 27 частности. К числу первичных продуцентов относятся растения, фотоавтотрофные бактерии, а также некоторые хемосинтезирующие бактерии. Живые организмы рождаются, растут и развиваются. В ходе этих процессов меняется их биомасса. Под биомассой понимают массу тела этих организмов; ее выражают в единицах энергии или массы на единицу площади. В сообществах основная доля биомассы обычно приходится на растения. Количество создаваемой автотрофами биомассы называется первичной продукцией. Общее количество биомассы называют при этом валовой продукцией, а прирост биомассы — чистой продукцией. Скорость образования первичной продукции, т. е. количество биомассы, образующейся в единицу времени, называют биологической продуктивностью экосистемы. В отличие от растений бактерии, грибы и животные не способны строить свое тело из простых химических веществ. Они строят свое тело за счет автотрофных организмов, а также организмов, питающихся автотрофами. Их относят к вторичным продуцентам. Количество биомассы, создаваемой на этом уровне, называют вторичной продукцией. Эту группу организмов объединяют во второй трофический уровень, который представлен так называемыми консументами. В этой группе выделяют несколько порядков: консументы первого порядка, второго порядка и т. д. Консументы первого порядка являются потребителями первичной продукции, создаваемой автотрофами. Обычно это растительноядные Животные — фитофаги. Они имеют ряд характерных морфологических и биохимических особенностей, обусловленных типом питания. В частности это: грызущий тип ротового аппарата, приспособления к измельчению и перетиранию растительной пищи, ферменты, расщепляющие целлюлозу. Растительноядные млекопитающие имеют зубы грызущего и перетирающего типа, растительноядные рыбы – приспособления для «переламывания» твердой пищи и т.д. Особый интерес представляет приспособление к растительному питанию в виде симбиоза с кишечными бактериями. Такой симбиоз наблюдается у жвачных животных, строение желудка которых и процесс переваривания довольно сложны. Консументы второго порядка – плотоядные животные (зоофаги). Это в основном хищники, питающиеся растительноядными животными. Они приспособлены к охоте, схватыванию и удержанию добычи. 28 К консументам третьего порядка относят животных, которые питаются консументами второго порядка. Таким образом, сюда входят хищники, питающиеся плотоядными животными, а также различные животные, ведущие паразитический образ жизни. Первыми участниками процессов разложения мертвой органики становится группа консументов – сапрофаги. Сапрофаги разрушают мертвое органическое вещество. В наземных экосистемах этот первый этап происходит преимущественно в лесной подстилке и в почве. Сапрофаги почвы – это беспозвоночные животные: черви, членистоногие, а также множество микроорганизмов. Крупные сапрофаги механически разрушают мертвое органическое вещество, как бы подготавливая его для третьей группы - редуцентов. Таким образом, на уровне консументов поток органического вещества раздваивается: живое органическое вещество следует по цепям выедания или пастбищные цепи, а мертвое – по цепям разложения или детритные цепи. В наземных экосистемах цепи разложения вносят значительный вклад в круговорот вещества и энергии, в них перерабатывается до 90% прироста биомассы растений, попадающей в эти цепи в виде опада. В водных же экосистемах большее значение имеют пастбищные цепи. Редуценты – организмы, разлагающие отходы жизнедеятельности и отмершие организмы до минеральных веществ (бактерии, простейшие, грибы). Они питаются органическими соединениями, образующимися при разложении. В процессе питания редуценты минерализуют органические отходы до воды, двуокиси углерода и минеральных элементов. Продукты минерализации вновь используются продуцентами. Все три перечисленные группы организмов существуют в любом сообществе. В каждую группу входит множество популяций, населяющих экосистему. Только совместная работа всех трех групп обеспечивает функционирование экосистемы. В зависимости от того, какой вид организмов преобладает в экосистеме, различают: 1. Монодоминантные экосистемы – экосистемы с одним основным видом продуцента, служащим в нем одновременно и доминантом, и эдификатором. 2. Олигодоминантные экосистемы – экосистемы с несколькими основными видами продуцентов и консументов. 3. Полидоминантные экосистемы – богатые видами экосистемы, в которых нет четкого преобладания небольшого числа видов над другими. 29 Видовой состав групп продуцентов, консументов и редуцентов может быть различным, что зависит не только от типа экосистемы (наземной или водной), географического положения, но и от их взаимоотношений. Видовой состав изменяется в одной и той же экосистеме под влиянием многих факторов, например, отличается в различные времена года. Вклад каждой группы в функционирование экосистемы неравноценен. Так, для полного круговорота веществ в водоеме видовой состав продуцентов и редуцентов не имеет большого значения; для промысловых организмов (их питания, роста и размножения) видовой состав продуцентов может иметь решающее значение. Для человека, использующего водные промысловые организмы, большое значение имеют некоторые консументы. Организмы разных групп, так же как и таксонов вообще, по-разному реагируют на антропогенное загрязнение среды обитания, т.е. обладают разной чувствительностью к антропогенному воздействию. Редуценты вынуждены перерабатывать не только естественные продукты жизнедеятельности автотрофов и консументов, но и химические вещества, попадающие в экосистему вследствие антропогенные воздействий. Обычно по мере увеличения количества органического вещества в среде одновременно увеличивается и число организмов, которые его минерализуют, причем всегда этот процесс идет с опозданием. Однако эта закономерность прослеживается не всегда. Если химические вещества обладают токсическими свойствами, редуценты могут не справиться с очисткой от загрязнения, начинаются процессы самоочищения, что отрицательно сказывается на устойчивости экосистемы и приводит к ее преобразованию. Таким образом, соотношение организмов в группах и стабильность экосистем существенно зависят от деятельности человека. Тема 3.3. Биоценоз и биотоп. Близким или даже аналогичным понятию экосистемы является понятие биоценоза. Биоценоз – это самоподдерживающаяся, саморегулирующаяся система, состоящая из определенного комплекса видов, в которой осуществляется круговорот веществ и энергии. Сейчас ряд экологов полагает, что понятия «экосистема» и «биоценоз» равнозначны. Однако между этими понятиями все же есть различия. Биоценоз — это только живое население, тогда как в экосистему, помимо биотической компоненты, входит и абиотическая, т. е. неживая. Четкую границу между биоценозом и экосистемой проводят В. Д. Федоров и Т. Г. Гильманов. Согласно их определению, «биоценоз — это совокупность всех популяций биологических видов, принимающих существенное 30 (постоянное или периодическое) участие в функционировании данной экосистемы». Они рассматривают биоценоз как часть экосистемы. К важнейшим характеристикам биоценоза относятся: 1. видовое разнообразие; 2. численность видовых популяций; 3. биомасса; 4. биологическая продуктивность. Биотоп – относительно однородное по абиотическим факторам жизненное пространство, занятое одним биоценозом. Он включает в себя минеральные и органические вещества, климатические факторы (свет, температура, pH среды и др.), физико-химические свойства различных субстратов (почва, дно водоема). Функционируя в непрерывном единстве, биоценоз и биотоп образуют биогеоценоз, или экосистему. Границы биоценоза совпадают с границами биотопа и, следовательно, с границами экосистемы. Биоценоз – это более высокий уровень организации, чем популяция, которая является его составной частью. Биоценоз обладает сложной внутренней структурой. Выделяют видовую и пространственную структуры биоценозов. Тема 3.4. Пространственная структура экосистем. Видовая структура биоценоза характеризуется видовым разнообразием и количественным соотношением видов, зависящих от ряда факторов. Главными лимитирующими факторами являются температура, влажность и недостаток пищевых ресурсов. Поэтому биоценозы (сообщества) экосистем высоких широт, пустынь и высокогорий наиболее бедны видами. Здесь могут выжить организмы, жизненные формы которых приспособлены к таким условиям. Богатые видами биоценозы — тропические леса, с разнообразным животным миром и где трудно найти даже два рядом стоящих дерева одного вида. Видовое разнообразие — это число видов в данном сообществе или регионе. Оно взаимосвязано с разнообразием условий среды обитания. Чем больше организмов найдут в данном биотопе подходящие для себя условия по экологическим требованиям, тем больше видов в нем поселится. Наиболее благоприятные условия для существования множества видов характерны для переходных зон между сообществами, которые называют экотонами, а тенденцию к увеличению здесь видового разнообразия называют краевым эффектом. Экотон богат видами, прежде всего потому, что они попадают сюда из всех приграничных сообществ, но, кроме того, он может содержать и свои характерные виды, которых нет в таких сообществах. Ярким примером этого является лесная «опушка», на 31 которой пышнее и богаче растительность, гнездится значительно больше птиц, больше насекомых и т. п., чем в глубине леса. Виды, которые преобладают по численности, называют доминантными, или просто — доминантами данного сообщества. Но и среди них есть такие, без которых другие виды существовать не могут. Их называют эдификаторами. Они определяют микросреду (микроклимат) всего сообщества и их удаление грозит полным разрушением биоценоза. Как правило, эдификаторами выступают растения — ель, сосна, кедр, ковыль и лишь изредка — животные (сурки). «Второстепенные» виды — малочисленные и даже редкие — тоже очень важны в сообществе. Их преобладание — это гарантия устойчивого развития сообществ. Для оценки разнообразия используют и другие показатели, которые значительно дополняют вышеуказанные. Обилие вида — число особей данного вида на единицу площади или объема занимаемого ими пространства. Степень доминирования — отношение (обычно в процентах) числа особей данного вида к общему числу всех особей рассматриваемой группировки. Внутри биоценоза существуют особые структурные объединения — консорции. Консорция — группа разнородных организмов, поселяющихся на теле или в теле особи какого-либо определенного вида — центрального члена консорции, способного создавать вокруг себя определенную микросреду. Другие члены консорции могут создавать более мелкие консорции и т. д., т. е. можно выделить консорции первого, второго, третьего и т. д. порядка. Отсюда ясно, что биоценоз — это система связанных между собой консорций. Популяции, входящие в состав биоценоза, вступают в сложные взаимоотношения, которые не исчерпываются трофическими. Пространственная структура биоценоза обусловливает образование так называемых трофических связей. Пространственные масштабы биоценоза отражает понятие о биотопе, с которым связано функционирование биоценоза. Совокупность биоценоза и биотопа называют биогеоценозом. Биотоп представляет собой определенное трехмерное пространство в экосистеме, т. е. имеет как горизонтальную, так и вертикальную структуру. В биогеографии выделяют крупномасштабные пространственные структуры, характерные для обширных климатических зон, называемых биомами. Вертикальную структуру биоценоза называют ярусами. Так выделяют два яруса: I) верхний автотрофный ярус, или «зеленый пояс», включающий фотосинтезирующие организмы, создающие сложные органические молекулы из неорганических простых соединений, и 2) нижний гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, в 32 котором преобладает разложение отмерших органических веществ снова до простых минеральных образований. В конечном итоге органические вещества, синтезированные автотрофами, возвращаются в среду в виде неорганических, и вновь вовлекаются в круговорот. В результате этих процессов образуется постоянный поток биогенных элементов и органических соединений между ними. В наземных экосистемах вертикальная структура хорошо прослеживается в лесных фитоценозах в виде ярусности. Верхний ярус представлен древесными породами, затем следуют кустарниковые, травянистый покров и мхи. Подземные части растений также образуют ярус. В вертикальном направлении, под воздействием растительности, изменяется микросреда. Включая не только выравненность и повышение температуры, но и изменение газового состава за счет изменения направления потоков углекислого газа ночью и днем, выделения сернистых газов хемосинтезирующими бактериями и т.п. Изменения микросреды способствуют образованию и определенной ярусности фауны – от насекомых, птиц и до млекопитающих. Помимо ярусности в пространственной структуре биоценоза наблюдается мозаичность – изменение растительности и животного мира по горизонтали. Площадная мозаичность зависит от разнообразия видов, количественного их взаимоотношения, от изменчивости ландшафтных и почвенных условий. Мозаичность может возникнуть и искусственно – в результате вырубки лесов человеком. На вырубках формируется новое сообщество. Тема 3.5. Экологические ниши. Положение каждого вида и популяции в биоценозе зависит от наличия необходимых для их жизнедеятельности условий среды, прежде всего абиотических факторов, а также от взаимоотношений с другими видами и популяциями. Экологическая ниша – место вида в природе, преимущественно в биоценозе, включающее как положение его в пространстве, так и функциональную его роль в сообществе, отношение к абиотическим условиям существования. Причем эта ниша не просто физическое пространство, занимаемое организмом, но и его место в сообществе, определяемое его экологическими функциями. Впервые представления об экологических нишах как месте обитания и некоторых биологических потребностях были сформулированы американским зоологом Дж. Гриннелом. Эти представления в дальнейшем получили развитие в работах Ч. Элтона, Дж. Хатчинсона. Дж. Хатчинсон впервые включил в это понятие весь комплекс связей организмов каждого вида с условиями среды и организмами других видов. Экологическую нишу, определяемую только физиологическими особенностями организмов, называют фундаментальной, а ту, в пределах которой вид реально 33 встречается в природе – реализованной. Реализованная ниша всегда меньше фундаментальной, так как все условия жизнедеятельности, в том числе благоприятные отношения с другими видами, обычно не бывают полностью обеспечены. Реализованная ниша – это та часть фундаментальной ниши, которую данный вид, популяция в состоянии «отстоять» в конкурентной борьбе. Конкуренция, по Ю. Одуму, – отрицательные взаимодействия двух организмов, стремящихся к одному и тому же. Межвидовая конкуренция – это любое взаимодействие между популяциями, которое вредно сказывается на их росте и выживания. Конкуренция проявляется в виде борьбы за экологические ниши. Классификацию биотических взаимодействий популяций двух видов вы можете увидеть на данном слайде. Говоря об экологической нише, биологи всегда анализируют эволюционный комплекс приспособлений, от которого зависит успех выживания вида в данной экологической нише, называя эти приспособлен жизненными формами видов. Классификацию жизненных форм можно провести по самым разнообразным признакам: по обитанию в различных средах, по типам движения, способам и приспособлениям для питания, приспособлениям к колебаниям температуры, способам размножения и т. п. Структура биоценоза зависит от того, какое количество экологических ниш он содержит. Повышение биоразнообразия, т. е. увеличение числа видов в биоценозе, сопровождается ограничением численности особей, входящих в экологические ниши. Немецкий эколог А. Тинеманн, основываясь на этой закономерности, сформулировал «правило числа видов и числа особей», которое заключается в том, что в благоприятных условиях число видов растет, а численность особей в популяции падает, тогда, как неблагоприятных условиях происходит обратное. Виды, занимающие сходное положение в экологической нише, могут замещать друг друга, причем возможность такого замещения зависит от возраста и состояния экосистемы. Тема 3.6. Энергия, энтропия, продуктивность. Законы термодинамики и применение их в экологии. Все многообразие проявлений жизни и все, что происходит с живыми организмами, начиная от зарождения жизни и до гибели, — сопряжено с переносом и превращениями энергии. С этих позиций задачей экологии является изучение связи 34 между световой энергией и экосистемами, включая способы переноса и превращения энергии внутри самой экосистемы. Прозрачность атмосферы обусловлена тем, что до поверхности земли доходит около 47 % падающего на внешнюю границу планеты потока солнечного света. Часть (чуть более половины) светового потока с длиной волны 380 — 710 нм — фотосинтетически активная радиация — составляет энергетическую основу фотосинтеза. Фотосинтез — это процесс, в котором, с одной стороны, создается органическое вещество, а с другой — открывается возможность использования выделяемого при этом кислорода для дыхания как самих растений, так и гетеротрофных аэробных организмов. На этом основывается сама возможность биологического круговорота веществ, которая реализуется через сложные и разнообразные трофические связи в органическом мире. Все экосистемы и биосфера в целом подчинены и регулируются теми же законами термодинамики, что и неживые системы. Отличительная черта живых систем — от организма (особи) до биосферы — состоит в том, что они способны самовосстанавливаться, чего не могут делать неживые системы. Вспомним первый и второй законы термодинамики, которые необходимы для понимания превращения энергии в экосистеме и в биосфере в целом. Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, сформулирован так: энергия может переходить из одной формы в другую, но не исчезает и не создается заново. Второй закон термодинамики гласит, что эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии в потенциальную всегда менее 100 %. Другими словами, процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную. Второй закон термодинамики связан с понятием энтропии. Энтропию понимают как меру количества связанной энергии, которая рассеивается и становится недоступной для использования. Таким образом, энергия в живых системах не создается и не уничтожается, и в целом энергия, поступающая на поверхность Земли от Солнца как световое излучение, возвращается в виде излучения с поверхности Земли в качестве тепла. Применительно к экосистемам термин употребляют также для обозначения меры упорядоченности, которая происходит при деградации энергии. Важнейшее свойство экосистем — способность создавать и поддерживать высокую степень упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией. Низкая энтропия достигается постоянным и 35 эффективным рассеянием легко используемой энергии, например, энергии света или пищи, и превращения ее в энергию, используемую с трудом, например, в тепловую. Сообщества и экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим свою энтропию и увеличивая энтропию вне сообщества или экосистемы. Тема 3.7. Правило пирамид Существование трофических цепей связано с передачей энергии от высшего звена к низшему. В ходе этого процесса происходят неизбежные потери, в результате чего общая биомасса, продукция и энергия прогрессивно уменьшаются по мере перехода на более высокие трофические уровни. Эта закономерность получила название правила экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды. Известны три основных типа экологических пирамид: 1) пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне (пирамида Элтона); 2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества, — общий сухой вес, калорийность и т. д.; 3) пирамида продукции (или энергии), имеющая универсальный характер, показывает изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях. Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается. В основе этой закономерности лежит, во-первых, тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо много маленьких тел; во-вторых, от низших трофических уровней к высшим теряется количество энергии (от каждого уровня до предыдущего доходит лишь 10% энергии) и, в-третьих — обратная зависимость метаболизма от размера особей (чем мельче организм, тем интенсивнее обмен веществ, тем выше скорость роста их численности и биомассы). Однако пирамиды численности будут сильно различаться по форме в разных экосистемах, поэтому численность лучше приводить в табличной форме, а вот — биомассу — в графической. Она четко указывает на количество всего живого вещества на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади — г/м2 или на объем — г/м3 и т. д. 36 В наземных экосистемах действует следующее правило пирамиды биомасс: суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Это правило соблюдается, и биомасса всей цепочки изменяется с изменениями величины чистой продукции, отношение годового прироста которой к биомассе экосистемы невелико и колеблется в лесах разных географических зон от 2 до 6%. И только в луговых растительных сообществах она может достигать 40—55%, а в отдельных случаях, в полупустынях — 70—75%. На слайде показаны пирамиды биомасс некоторых биоценозов. Как видно из слайда, для океана приведенное выше правило пирамиды биомасс недействительно — она имеет перевернутый (обращенный) вид. Для экосистемы океана характерна тенденция накапливания биомассы на высоких уровнях у хищников. Хищники живут долго и скорость оборота их генераций мала, но у продуцентов — у фитопланктонных водорослей, оборачиваемость может в сотни раз превышать запас биомассы. Это значит, что их чистая продукция и здесь превышает продукцию, поглощенную консументами, т. е. через уровень продуцентов проходит больше энергии, чем через всех консументов. Отсюда понятно, что еще более совершенным отражением влияния трофических отношений на экосистему должно быть правило пирамиды продукции (или энергии): на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени (или энергии), больше, чем на последующем. Пирамида продукции отражает законы расходования энергии в трофических цепях. Рассмотрим куда расходуется остальная энергия. Во-первых, не вся растительная биомасса съедается. Значительная часть ее отмирает, поддерживая жизнь редуцентов. Вовторых, не вся съеденная биомасса ассимилируется и переходит в биомассу консумента. Некоторая часть ее теряется с выделениями организмов и также поступает к редуцентам. И наконец, не вся ассимилированная энергия превращается затем в биомассу более высокого трофического уровня. Часть ее теряется в виде тепла в процессе дыхания. Энергия, которая рассеивается в виде теплового движения, не может использоваться живыми организмами. Однако углерод в составе С02 вновь фиксируется автотрофами в ходе фотосинтеза. Таким образом процесс передачи энергии не является замкнутым, поэтому не все экологи называют его «круговоротом энергии», полагая, что этот процесс отражает способность системы редуцентов «перерабатывать» углерод органического вещества неоднократно. Следовательно, жизнь на Земле возможна только благодаря ежедневному поступлению солнечной энергии. Все три правила пирамиды – продуктивности, биомассы и численности – выражают энергетические отношения в экосистемах. При этом пирамида продуктивности имеет 37 универсальный характер, а пирамиды биомассы и численности проявляются в сообществах с определенной трофической структурой. Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют важное практическое значение. Первичная продукция агроценозов и эксплуатация человеком природных сообществ – основной источник пищи для человека. Важное значение имеет и вторичная продукция биоценозов, получаемая за счет промышленных и сельскохозяйственных животных, как источник животного белка. Знание законов распределения энергии, потоков энергии и вещества в биоценозах, закономерностей продуктивности растений и животных, понимание пределов допустимого изъятия растительной и животной биомассы из природных систем позволяют правильно строить отношения в системе «общество – природа». Обязательная литература: 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. с. 78-79, 188-189, 320-322, 545-546. 2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 7-е. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004. –с. 108-117, 119-123. 3. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учебное пособие. – М.: «Издательство ПРИОР», 2000. с. 10-19. 4. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. с. 11-23. 5. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. с. 24-34. Дополнительная литература: 1. Общая биология: Учеб. для 10-11кл. общеобразоват. учреждений/ Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2001. с.245-249. 2. Хрусталев Ю.П., Берликов Г.М., Хулхачиев Б.С. Эколого-географический словарь-справочник. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2002. с. 98, 107, 123. Контрольные вопросы 1. Что понимается под экосистемой? 2. Отличаются ли друг от друга понятия «экосистема» и «биоценоз»? 3. Что такое продуктивность экосистемы и уровни продуцирования? 4. Что вы знаете об экологических нишах? 5. Что такое «фотосинтез»? 6. Каким образом законы термодинамики применимы в экологии? 7. Что понимают под термином «энтропия»? 8. С чем связано правило экологических пирамид? 38 9. Является ли процесс передачи энергии замкнутым? Почему? Лекция 4. Динамика и эволюция экосистем. Тема 4.1. Сукцессия и климакс. Тема 4.2. Эволюция биосферы. Тема 4.3. Экологические модификации Тема 4.1. Сукцессия и климакс. Динамика экосистемы – изменение экосистемы (биогеоценоза) под воздействием сил извне и внутренних процессов ее развития. Биоценозы не остаются неизменными, они развиваются, эволюционируют, в них происходят изменения в состоянии и жизнедеятельности организмов и соотношении популяций. Все многообразные изменения, происходящие в любом биоценозе, можно разделить на циклические и поступательные. Циклические изменения сообществ происходят под влиянием суточной, сезонной и многолетней периодичности внешних условий. Суточные циклы наиболее резко выражены в условиях климата высокой континентальности, где значительная разница между дневными и ночными температурами. Например, в песчаных пустынях Средней Азии в жаркий полдень многие животные прячутся в норы или ведут ночной образ жизни летом, а некоторые – зимой переходят на дневной (змеи, пауки и др.). Однако суточные ритмы наблюдаются во всех географических зонах, и даже в тундре в полярный день растения закрывают и открывают свои цветки в соответствии с этими ритмами. Сезонная цикличность выражается в том, что на определенный период из биоценоза «выпадают» группы животных и даже целые популяции, впадающие в спячку, в период диапауз или оцепенений, при исчезновении однолетних трав, опаде листвы и т.п. Это в слабой форме выражено даже во влажных тропических лесах. Многолетняя цикличность проявляется благодаря флуктуациям климата. Многолетняя периодичность в изменении численности биоценоза, вызванная резко неравномерным выпадением осадков по годам, с периодическим повторением засух хорошо иллюстрируется повторением массовых размножением животных, например, саранчовых (налеты саранчи). Многолетняя цикличность может быть связана с особенностями развития растений – эдификаторов. Например, в буковых лесах сомкнутые кровли многолетних деревьев угнетают растительность нижних ярусов, но, как только бук упадет, начинают бурно 39 расти молодые деревья и крона восстанавливается. Так происходит обновление букового леса, на которое в естественных условиях требуется цикл в 250 лет. Поступательные изменения в сообществе приводят к смене одного сообщества другим. Причиной подобных смен могут быть факторы, длительное время действующие в одном направлении, например, возрастающее в результате мелиорации и иссушения болот, увеличивающееся антропогенное загрязнение водоемов, усиленный выпас скота. Возникающие при этом смены одного биоценоза другим называют экзогенетическими. Если при этом упрощается структура сообщества, обедняется видовой состав, снижается продуктивность, то такая смена сообщества называется дигрессией. Однако смена одного биоценоза другим может произойти в результате процессов, происходящих внутри самого сообщества, в результате взаимодействия живых организмов между собой. Такая смена называется эндогенетической. Закономерный направленный процесс изменения сообществ в результате взаимодействия живых организмов между собой и окружающей их абиотической средой называется сукцессией. Сукцессия и климакс Сукцессия — последовательная смена биоценозов, приемственно возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов или воздействия человека. Изменения в сообществе в результате сукцессии носят закономерный характер и обусловлены взаимодействием организмов между собой и с окружающей абиотической средой. Экологическая сукцессия происходит в определенный отрезок времени, в который изменяется видовая структура сообщества и абиотическая среда его существования вплоть до кульминации его развития — возникновения стабилизированной системы. Такую стабилизированную экосистему называют климаксом. В этом состоянии система находится тогда, когда в ней на единицу энергии приходится максимальная биомасса и максимальное количество симбиотических связей между организмами. Однако к этому состоянию система проходит через ряд стадий развития, первые из которых часто называют стадией первых поселенцев. Если сукцессия происходит вследствие внутренних взаимодействий, то ее называют аутогенной, если она является результатом внешнего воздействия — аллогенной. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном пространстве, называется серией; переходные сообщества — сериальными стадиями или стадиями развития. Стадия, на которой окончательно сформировалась стабильная экосистема, 40 представляет собой климакс. В идеальном случае климакс должен существовать достаточно долго — пока его не нарушат внешние воздействия. Аутогенные и аллогенные сукцессии обычно связаны причинно-следственными отношениями и могут переходить одна в другую. Теоретически аутогенное развитие экосистемы должно привести ее к стабильному состоянию — климаксу. Однако сукцессии приводят не только к позитивным изменениям в экосистеме, но и к негативным, выражающимся в упрощении видовой структуры сообществ и их обеднении. Для возникновения сукцессии необходимо свободное пространство. В зависимости от первоначального состояния субстрата, различают первичную и вторичную сукцессии. Первичная сукцессия — это если формирование сообществ начинается на первоначально свободном субстрате, а вторичная сукцессия — это последовательная смена одного сообщества, существовавшего на данном субстрате, другим, более совершенным для данных абиотических условий. Первичная сукцессия позволяет проследить формирование сообществ с самого начала. Она может возникнуть на склоне после оползня или обвала, на образовавшейся отмели при отступлении моря и изменении русла рекой, на обнаженных эоловых песках пустыни, не говоря уже об антропогенных нарушениях: свежая лесосека, намывная полоса морского побережья, искусственные водохранилища. Первыми, как правило, на свободное пространство начинают внедряться растения посредством перенесенных ветром спор и семян, либо за счет вегетативных органов оставшихся по соседству растений. Классическим примером природной сукцессией является «старение» озерных экосистем – эвтрофикация. Она выражается в зарастании озер растениями от берегов к центру. Здесь наблюдается ряд стадий зарастания – от начальных – дальние от берега до достигнутых у берега. В конечном итоге озеро превращается в торфяное болото, представляющее собой устойчивую экосистему климатического типа. Но и она не вечна – на ее месте постепенно может возникнуть лесная экосистема уже благодаря наземной сукцессионной серии в соответствии с климатическими условиями местности. Эвтрофикация водоема в значительной степени определяется привносом из вне биогенных элементов. В природных условиях биогены сносятся с площади водосбора. Такая эвтрофикация имеет черты первичной прогрессивной сукцессии. Вторичная сукцессия является, как правило, следствием деятельности человека. Она развивается на субстрате, уже измененном предыдущим сообществом, и имеет восстановительный характер. Такие сукцессии возникают, например, в лесах после 41 пожаров и вырубок. Весь процесс от пожара или вырубки до формирования устойчивого биоценоза занимает в среднем 90 — 150 лет. При этом в случае антропогенного воздействия, например выпаса скота на лесных вырубках, процесс может остановиться на промежуточной стадии, и вместо восстановления леса сформируется суходольный луг. При избыточном увлажнении может произойти заболачивание вырубки, что также препятствует восстановлению лесной растительности. Таким образом, обычно сукцессия, т. е. замещение одного сообщества другим, занимает длительное время — годы и десятилетия, но может проходить и с большой скоростью. Примерами относительно быстрых аллогенных сукцессии могут быть изменения в экосистемах вследствие мелиоративного осушения болот, загрязнения водных объектов, выпаса скота на лугах и т.п. Итак, вернемся к стадии первых поселенцев. Первые переселенцы, которые приживаются на новом участке, - это организмы, которые толерантны к абиотическим условиям нового для них местообитания. Не встречая особого сопротивления среды, они чрезвычайно быстро размножаются (саранча, эфимерная растительность и т.д.), т.е. на ранних этапах эволюции экосистемы преобладает r-стратегия (рост численности). Но постепенно за счет достаточно быстрой смены и увеличения количества популяций возрастает видовое разнообразие и начинает повышаться значение К-фактора (ограничитель роста). Увеличение видового разнообразия приводит к усложнению связей внутри сообщества, умножению симбиотических связей, снижению чрезмерной рождаемости и доминирования массовых видов, и т.д. Наконец действия r- и К-факторов уравновешиваются и сообщество развивающейся серии становится стабильным, или климаксным, - «это самоподдерживающееся сообщество, находящееся в равновесии с физическим местообитанием». Разложение отмершей органики становится основным источником минеральных веществ для биогеохимического круговорота. Однако такой круговорот возможен лишь в автотрофной системе. Другое дело – гетеротрофная сукцессия, когда приток мертвого органического вещества не восполняет запасы и участвует в сукцессии только гетеротрофные организмы. Здесь количество энергии не добавляется, а уменьшается, и система прекращает свое существование – все организмы погибают. Такая модель сукцессии должна ассоциироваться с эксплуатацией залежей горючих полезных ископаемых человеком. На ранних стадиях сукцессионной серии чистой продукции значительно больше и при ее изымании человеком основа продуктивности экосистемы на этих этапах не подрывается. При изъятии чистой продукции в климаксных сериях, где она становится 42 константой, необходимо знать величину этой константы, чтобы четко представлять ту величину чистой продукции, которую можно изъять из системы, сохранив ее способность к самовозобновлению. Так, например, вырубку лесов надо вести на локальных площадях, с оставлением участков с коренными типами пород, что сократит время их восстановления, т.к. сукцессионные серии сократятся. Полнота сукцессий и видовое разнообразие возможны в случае надежной «работы» круговорота питательных веществ и только в стабильной экосистеме. Полным биоразнообразием обладает биосфера, являясь самой стабильной глобальной экосистемой. Тема 4.2. Эволюция биосферы. Крупномасштабные изменения, представленные вековыми сериями сменяющих друг друга на протяжении столетий экосистем, вследствие изменений климата, рельефа местности и других характеристик поверхности Земли охватывали целые геологические периоды. Первые экосистемы, существовавшие 3 млрд лет назад, были населены анаэробными гетеротрофными микроорганизмами — цианобактериями, существовавшими за счет органического вещества, которое синтезировалось в абиотических процессах. Затем возникли автотрофные водоросли, которые, по-видимому, сыграли одну из главных ролей в превращении восстановительной атмосферы в кислородную. С этого момента на протяжении длительного геологического времени эволюция организмов шла по пути создания все более сложных и разнообразных систем. Принято считать, что естественный отбор, который действовал на видовом или даже более низком уровне организации, сыграл главную роль в эволюции организмов. Однако возможно, что естественный отбор на более высоких уровнях также оказался важным в двух аспектах: — в аспекте коэволюции, т. е. взаимном отборе зависящих друг от друга автотрофов и гетеротрофов; — в аспекте группового отбора или отбора на уровне сообществ, который ведет к сохранению признаков, благоприятных для группы в целом, причем даже в тех случаях, когда это отрицательно сказывается на одной особи. Смены флоры и фауны в геологическом масштабе времени отличаются от экологических сукцессии тем, что они начинаются не с заселения новых незанятых мест, а с перестройки внутренних связей в уже сложившихся и функционирующих экосистемах. В этих случаях ряд видов теряет устойчивость к условиям обитания, они замещаются другими видами, более адаптированными к условиям среды. Такие процессы идут в наше время в связи с усыханием Аральского моря — с той разницей, что исходной причиной изменений является деятельность человека. В целом в 43 регионе Арала идет процесс опустынивания, ведущими факторами которого являются поверхностное засоление почвы и ветровая деятельность, определяющая перенос солевых частиц. Падение уровня грунтовых вод влечет за собой расширение зоны сыпучих песков; возрастает степень аридизации. Все это сказывается на состоянии экосистем на прилежащих территориях Кызылкумов, Приаральских Каракумов, плато Устюрт. Тема 4.3. Экологические модификации Изменения в экосистемах, возникающие вследствие антропогенных воздействий, сейчас называют экологическими модификациями. Концепция экологических модификаций базируется на понятии метаболизм биоценоза. Метаболизм — это комплекс целенаправленных, иерархически организованных высокоинтегрированных процессов, в которых участвуют многие ряды мультиферментных систем, обеспечивающих непрерывный обмен веществом и энергией между биоценозом и его средой, и в результате которых ему удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить. Увеличение интенсивности метаболизма может рассматриваться как прогресс в развитии биоценоза и соответствует состоянию так называемого метаболического прогресса. Напротив, снижение интенсивности метаболизма указывает на состояние метаболического регресса биоценоза. Важным фактором, определяющим состояние метаболизма биоценоза, является его обеспеченность жизненными ресурсами, в том числе лимитирующими экологическими факторами. В рамках концепции экологических модификаций выделяют три общих направления метаболического прогресса в биоценозах: 1. экологический прогресс, проявляющийся в усложнении структуры биоценоза; 2. экологический регресс, проявляющийся в упрощении структуры биоценоза; 3. экологические модуляции, проявляющиеся в виде перестройки структуры, не ведущей, однако, к ее усложнению или упрощению. Экологический прогресс характеризуется повышением устойчивости к внешним воздействиям, усложнением межвидовых отношений, увеличением пространственной гетерогенности биоценоза, усложнением временной структуры, удлинением жизненных циклов организмов. Энтропия при этом снижается, т.е. повышается упорядоченность биоценоза. Если подобные явления вызваны деятельностью человека, то такое состояние биоценоза называют антропогенным возбуждением. Как и экологический прогресс, экологический регресс также ведет к метаболическому прогрессу. Экологический регресс тоже характеризуется увеличениями 44 скорости обмена биогенных веществ с окружающей средой, продукции. Однако в отличие от экологического прогресса, видовое разнообразие уменьшается, надает устойчивость биоценоза к внешним воздействиям, упрощаются межвидовые отношения, пищевые сети, временная структура, уменьшается пространственная гетерогенность биоценоза, снижается продолжительность жизни организмов. Примерами экологического регресса могут служить высокопродуктивные сообщества эстуариев в умеренных широтах, отличающиеся относительно низким видовым разнообразием. Предпосылкой для развития экологического регресса может быть загрязнение экосистемы органическими веществами. Структурно-функциональные нарушения в экосистеме сводятся к ограничению продукции собственного органического вещества автотрофами и усиленному развитию группы редуцентов. Третье направление метаболического прогресса — экологические модуляции, представляют собой такие перестройки организации биоценоза, которые не изменяют метаболического уровня его организации. В этом случае происходит смена доминирующих видов, состава руководящих комплексов, общая смена видов. Выделение трех направлений развития биоценозов по пути метаболического прогресса позволяет определить, как влияют на биоценозы антропогенные воздействия, прежде всего загрязнение окружающей среды. Хотя экологические модификации изначально носят приспособительный характер, под влиянием антропогенного воздействия, в том числе загрязнений, возникают и развиваются экосистемы, существенно отличающиеся от природных нарушением сбалансированности основных экологических групп. Они могут быть преимущественно консументными, продуцентными или редуцентными. Предпосылкой для развития метаболического регресса может быть загрязнение окружающей среды токсичными химическими веществами. Снижение уровня загрязненности ведет к обратному развитию событий, и биоценозы возвращаются к устойчивому состоянию (экологическому прогрессу). Обязательная литература: 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. с. 258-262, 471. 2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 7-е. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004. –с. 168-175. 3. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. с. 34-42. 45 4. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. с. 229-232. 5. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т. 2. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. с. 192-213. Дополнительная литература: 1. Бессонов О.А. Геохимическая история углерода в биосфере. – Ростов-на-Дону: МП Книга, 1996. с. 93-107. 2. Войткевич Г.В., Вронский В.А. Основы учения о биосфере. Учебное пособие для студентов вузов. Ростов-на-Дону, Издательство «Феникс», 1996. с.69-77. 3. Никаноров А.М. Гидрохимия: Учебник. – изд. 3-е, дополненное. – Ростов н/Д: «НОК», 2008. с. 244245.. 4. Общая биология: Учеб. для 10-11кл. общеобразоват. учреждений/ Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2001. с.270. 5. Хрусталев Ю.П., Берликов Г.М., Хулхачиев Б.С. Эколого-географический словарь-справочник. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2002. с. 72. Контрольные вопросы 1. Что такое сукцессия? 2. Какие виды сукцессии вы знаете? 3. Что подразумевается под понятием «климакс»? 4. Чем важен естественный отбор в процессе эволюции биосферы? 5. Чем отличаются понятия «метаболический регресс и «экологический регресс»? Лекция 5. Биосфера. Тема 5.1. Понятие биосферы. Оболочки биосферы (газовая, водная, каменная) Тема 5.2. Химический состав атмосферы Тема 5.3. Строение и состав гидросферы Тема 5.4. Круговорот биогенных элементов Тема 5.1. Понятие биосферы. Оболочки биосферы (газовая, водная, каменная) Верхние горизонты Земли, где встречается живое вещество, называется «биосферой». Этот термин был введен в науку французским ученым Ламарком (17441829) для обозначения мира живых веществ, населяющих Землю. Общее количество живых организмов Земли составляет живое вещество планеты. Биосфера – это среда обитания этих организмов. Биосфера — это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека. 46 Впервые термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько велики, что уже в первой трети XXв. Возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании – учение о биосфере, основоположником которого является великий русский учений Владимир Иванович Вернадский. В. И. Вернадский впервые выдвинул тезис о роли «живого вещества», т.е. биоты, в формировании и поддержании основных физико-химических свойств оболочек Земли. Основываясь на научных достижениях того времени, он подчеркивал, что биосфера — это не только пространство, где обитают живые организмы, но и зона влияния последних; результат совокупной химической активности в прошлом и настоящем. По В. И. Вернадскому, биосфера представляет собой уникальную геологическую оболочку земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью живых организмов. Биосфера охватывает приземную часть атмосферы (верхняя граница по озоновому слою) – это аэробиосфера. В биосферу входит вся гидросфера – дно самых глубоких впадин – это гидробиосфера. Так же в биосферу входит поверхность суши – террабиосфера и верхняя часть литосферы до глубины 4-5 км – литобиосфера (граница обусловлена высокой температурой земных недр). Вернадский отмечал, что вещество биосферы состоит из 7 частей: 1. живое вещество – в составе живых организмов; 2. биогенное вещество, т.е. вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняк); 3. косное вещество, образованное процессами, в которых не участвовали живые организмы (горные породы, минералы, метеориты); 4. биокосное вещество – совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почва, природные воды); 5. вещество в радиоактивном распаде; 6. вещество рассеянных атомов; 7. вещество космического происхождения. Теперь рассмотрим подробнее каждую часть биосферы. Под гидросферой понимают Мировой океан, континентальные и подземные воды. Она включает все типы водных объектов: моря, водоемы, водотоки, подземные воды, болотные воды и т. д. 47 Земная поверхность на значительном протяжении покрыта водой. Океаны занимают 71 %, около 5 % составляют континентальные (внутренние) водоемы. Химический состав природных вод формируется под воздействием живых организмов непосредственно и косвенно. Живые организмы и продукты их жизнедеятельности способствуют разрушению горных пород и вымыванию из них различных веществ. С речным стоком эти вещества поступают в Мировой океан. В пресных и в морских водах растворенные вещества концентрируются многими организмами. Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в гидросфере значительно варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также различна, но, в целом, количество его в океане приблизительно в 60 раз больше, чем в атмосфере. Значение воды в биосфере огромно: вода является универсальным растворителем; большинство химических реакций осуществляется в водных растворах, в воде происходит диссоциация соединений, вода обладает огромной теплоемкостью, тепло- и электропроводностью. Разнообразие условий и физико-химические особенности воды обусловили развитие специфических приспособлений к водной жизни у гидробионтов: от водорослей, бактерий и простейших до высших водных млекопитающих. Газовая оболочка Земли — атмосфера — существенно отличается от всех известных науке газовых оболочек других небесных тел. Она относится к азотно-кислородному типу и отличается малым содержанием инертных газов (за исключением аргона) и молекулярного водорода. Масса атмосферы оценивается величиной 5,15*1015т. Большая часть этой массы находится в слое 16 км, а выше 100км находится лишь одна миллионная часть массы атмосферного воздуха. Принято делить атмосферу на гомо- и гетеросферу. Первая ограничена высотой около 100 км и отличается весьма однородным газовым составом. Вторая характеризуется нарастанием ионизации газов за счет фотодиссоциации, вследствие чего часть вещества уходит в космическое пространство. Вследствие фотодиссоциации часть кислорода превращается в озон. Но четкой границы между верхней и нижней атмосферой не существует. Колебания температуры в верхней атмосфере связаны с процессами перемешивания воздуха, а также ионизации газов под влиянием жестокого электромагнитного и корпускулярного излучения Солнца. 48 Атмосфера физически, химически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и является источником всех осадков. Атмосфера поддерживает различные формы жизни на Земле. Наземные формы живых существ приспособились к более низкой по сравнению с водной средой плотности воздуха. Жизнь на суше сосредоточена около поверхности Земли и проникает в толщу атмосферы примерно на 50 — 70 м (кроны деревьев тропических лесов). Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, происходящими в литосфере и водной оболочке. К атмосферным явлениям относят: осадки, облака, туман, грозу, гололед, пыльную (песчаную) бурю, шквал, метель, изморозь, росу, иней, обледенение, полярное сияние и др. «Каменная оболочка» Земли — литосфера — это верхняя часть земной коры. В контексте биосферы под литосферой обычно понимают только поверхностную ее часть — почву. Иногда поэтому употребляют термин педосфера — почвенная оболочка земной коры. Почвы – важнейший компонент биосферы, оказывающий наряду с Мировым океаном решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом. Именно почвы обеспечивают питание биогенными веществами растения, которые кормят весь мир гетеротрофов. Почвы на Земле разнообразны и их плодородие тоже разное. Исходным материалом для почвообразования служат поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием микроорганизмов, растений и животных формируется почвенный покров. Организмы концентрируют в своем составе биогенные элементы. После отмирания животных и растений и их разложения эти элементы переходят в состав почвы, благодаря чему в ней аккумулируются биогенные элементы, а также накапливаются продукты разложения органических веществ. В почве накапливается огромное количество микроорганизмов. Физические свойства почвы позволяют считать ее неживую часть полидисперсной трехфазной системой, состоящей из твердой (минеральные частицы), жидкой (почвенная влага) и газообразной фаз. Химические особенности почвы зависят от минерального и органического состава. Комплекс физико-химических свойств почвы в значительной степени определяет возможность ее заселения живыми организмами и состав почвенной флоры и фауны. 49 Воздух, заполняющий поры между частицами, непрерывно попадает в почву из атмосферы путем диффузии по градиенту давления. Состав газообразной фазы близок к атмосферному воздуху, но поверхностный слой почвы богат диоксидом углерода, который выделяется вследствие жизнедеятельности биоты. Плодородие зависит от количества гумуса в почве, а его накопление, как и мощность почвенных горизонтов, зависит от климатических условий и рельефа местности. Наиболее богаты гумусом степные почвы, где гумификация идет быстро, а минерализация медленно. Наименее богаты гумусом лесные почвы, где минерализация по скорости опережает гумификацию. Выделяют по различным признакам множество типов почв. Под типом почв понимается большая группа почв, формирующихся в однородных условиях и характеризующаяся определенным почвенным профилем и направленностью почвообразования. Поскольку важнейшим почвообразующим фактором является климат, то, в значительной мере, генетические типы почв совпадают с географической зональностью: арктические и тундровые почвы, подзолистые почвы, черноземы, каштановые, серо-бурые почвы и сероземы, красноземы и желтоземы. Почва является граничным слоем между атмосферной и биосферной частью литосферы. В не наблюдается не просто смешение живого и неживого компонентов природы, но и их взаимодействие в рамках почвенной экосистемы. Главное назначение этой экосистемы – обеспечение круговорота веществ в биосфере. На границах трех сред: гидросферы, атмосферы и литосферы — происходит интенсивный обмен веществ, причем здесь часто обитает больше видов, чем в близлежащих участках отдельных сред. Границы биосферы определяются областью распространения живых организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км, т. е. живые организмы расселены в тропосфере и нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором расселения в атмосфере является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. Все живое, проникающее выше границы озонового слоя, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового океана, что подтверждается обнаружением живых организмов и органических отложений до глубины 10-11 км. В литосфере живые организмы обнаруживаются на глубине примерно 7,5 км. 50 Тема 5.2. Химический состав атмосферы Атмосфера Земли — это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой называют ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с ней как единое целое. Масса атмосферы составляет 5,15-5,9 * 1015 тонн. Атмосфера как компонент биогеоценоза представляет собой слой воздуха в почве и над ее поверхностью, в пределах которого наблюдается взаимодействие компонентов биосферы. Ни на одной планете Солнечной системы (кроме Венеры) нет такой обширной воздушной оболочки (есть на Титане – спутнике Сатурна, но она состоит из метана). Плотность воздуха уменьшается с высотой. Основные характеристики атмосферы следующие: Молекулярная масса сухого воздуха – 28,966 (сумма молекулярных весов компонентов воздуха). Она отражает основной азотно-кислородный состав атмосферы. Плотность сухого воздуха при давлении 760 мм рт. ст. равна 1,2928 кг/м3 или 0,012928 г/см3. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: улетучивания атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов в результате вулканической деятельности, расщепления молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения, химических реакций между компонентами атмосферы и породами земной коры; захвата межпланетной среды. Развитие атмосферы тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть из которых сгорает в плотных слоях атмосферы. Нижний слой атмосферы до высоты 11 км (в тропиках до 17 км) называется тропосферой. Здесь воздушные массы интенсивно перемешиваются. Верхняя граница тропосферы называется тропопаузой – это слой постоянной температуры (около -55С). Выше 11 км (выше тропопаузы) начинается стратосфера, где перемешивание уменьшается. Температура в атмосфере (до тропосферы) понижается в среднем на 0,5С на каждые 100м. Выше 35км температура начинает повышаться и на высоте ~50км составляет 0С. Еще выше она опять понижается и на высоте ~70км температура составляет -60С. Затем, выше 80 км, температура вновь резко повышается. Второй максимум температуры наблюдается на высоте 400км - +3000К. Четкой границы между верхней и нижней атмосферой не существует. Колебания температуры в верхней атмосфере связаны с процессами перемешивания воздуха, а также 51 ионизации газов под влиянием жестокого электромагнитного и корпускулярного излучения Солнца. В результате диссоциации атмосферные газы переходят из молекулярного в атомарное состояние. Атмосферный воздух состоит из ограниченного числа газов. В основном, он содержит 4 компонента: О2, N2, Ar и СО2. Эти 4 газа составляют 99,99% сухого воздуха. К малым составным частям атмосферы относят озон, водород и инертные газы: гелий, неон, криптон, ксенон и радон. В составе атмосферы присутствуют также мелкие коллоидные частицы (пыль) естественного (в том числе и космического) и антропогенного происхождения. Указанный химический состав характерен как для тропосферы, так и для большей части стратосферы. Верхняя атмосфера отличается по составу, в связи с протекающими в ней фотохимическими реакциями. Например, на высотах 90-400км в зонах полярных сияний присутствуют диссоциированные азот и кислород в виде ионов и атомов. Появляются трехатомные молекулы кислорода (озон – О3). Существенное влияние на атмосферные процессы, особенно тепловой режим, оказывает озон. Он, в основном, сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение ультрафиолетовой солнечной радиации. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года и составляют толщину слоя в пределах 2,3-5,2 мм при наземных значениях давления и температуры. Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовые изменения с минимумом осенью и максимумом весной. В настоящее время отмечено разрушение озонового слоя под влиянием хозяйственной деятельности. Главными разрушителями озонового слоя являются фреоны (хладоны), представляющие собой группу галогеносодержащих веществ. Фреоны инертны у поверхности Земли, но, поднимаясь в стратосферу, они подвергаются фотохимическому разложению, выделяют ион хлора, служащий катализатором химических реакций, разрушающих молекулы озона. Внешняя, верхняя граница атмосферы, постепенно переходит в межпланетный газ, плотность которого составляет 1000 пар ионов в кубическом сантиметре. Тема 5.3. Строение и состав гидросферы Гидросфера — водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озера, ледники), подземные воды. Воде принадлежит важная роль в истории развития нашей планеты, т.к. с ней связано зарождение и развитие живого вещества, а значит и биосферы. Вследствие высокой подвижности, воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере. 52 Формируются океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов. Вода способна растворять многие вещества, любые виды можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации. Гидросфера находится в тесной связи с литосферой, атмосферой и живым веществом, которое входит в качестве обязательного компонента. Общая масса гидросферы большая – 1644*109т, это только 0,025% от всей массы Земли. Общий объем гидросферы составляет 1 454 млн. км3 (или около 1,5 млрд. км3). Количественная характеристика гидросферы приведена в таблице. Количественная характеристика гидросферы (по М.И. Львовичу) Формы нахождения воды Океаны и моря Озера и реки Лед Атмосфера Стратисфера Гидросфера в целом Общий Общая объем, масса, *106км3 *1015т 1370,0 1420,0 0,5 0,5 22,0 22,0 0,013 0,013 196,0 201,0 1589 1644 Размеры океанов (по М.И. Львовичу) Океаны с прилегающими морями Атлантический и Ледовитый Индийский Тихий Площадь поверхности, 106км2 106,2 74,9 179,7 % от общей массы гидросферы 86,48 0,03 1,33 12,16 100,0 Объем, *106км3 Средняя Наибольшая глубина, м глубина, м 353,5 291,9 723,7 3331 3897 4028 8526 7450 11034 94% вод слагают Мировой океан, который составляет мировую систему биосферы. В ней происходит процесс обмена и трансформации энергии и веществ на нашей планете. 4% вод слагают подземные воды, 1,33% - ледники, 0,2% - поверхностные воды. Итак, теперь рассмотрим состав вод Мирового океана. Морская вода представляет собой раствор в среднем 35 г вещества в 1 кг воды (350/00). Соленость определяется в основном ионами: Na+, Mg2+, Ca2+, K+, Cl-, SO42-, HCO3-. Они составляют примерно 95,8% от всех элементов морской воды. Важное значение в морской воде имеют биогенные элементы – азот, фосфор и кремний, которые увеличиваются живыми организмами и их концентрация во многом контролируется ростом и жизнедеятельностью морских организмов (животных и растений). Особое место в составе морской воды занимают растворенные газы, связанные с атмосферой и «живым» веществом. К ним относятся азот, кислород, углекислота, сероводород и другие. 53 Химический состав поверхностных вод суши значительно более разнообразен, чем океанических и морских вод. Формирование поверхностных вод суши происходит за счет атмосферных осадков и за счет таяния ледников; часть поверхностных вод пополняется за счет поступления из подземных водоносных горизонтов, в которые инфильтруются атмосферные осадки. При инфильтрации атмосферные воды начинают соприкасаться с минералами и горными породами, частично растворять их. За счет этого формируется состав, происходит обогащение ионами, воды минерализуются. Изменение состава поверхностных вод может происходить также за счет биохимических процессов, а также за счет физикогеографических условий (испарение в условиях аридного климата) и физико-химических условиях стока. О.А. Алекин, видный российский гидрохимик, в химическом составе природных вод выделил 5 групп компонентов: 1. Главные ионы (содержатся в наибольших концентрациях: Cl-, SO42-, HCO3-, CO32-,Na+, K+, Mg2+, Ca2+) – 99,9% всех растворимых веществ. 2. Растворенные газы. 3. Биогенные элементы (азот, фосфор, кремний). 4. Микроэлементы – несколько мкг/л: Li+, Rb+, Cs+,…,Cu2+, Ag+, Au+, Fe2+, Ni2+, Co2+ и др. 5. Органические вещества. Из вулканических эманаций в поверхностные воды суши поступают H2S, HCl, NH3 и др. газы. В отличие от морских вод, материковые воды характеризуются разнообразной степенью минерализации. Выделяют 3 основных источника минерализации: изверженные и метаморфические горные породы; осадочные породы, соли и минералы, входящие в них (карбонаты, сульфаты, хлориды); соли, рассеянные и адсорбированные в осадочных горных породах, коре выветривания и в почве. Если сравнить соотношение ионов морской воды и материковых вод, то оно различно: морская вода Na+>Mg2+>Ca2+ Cl->SO42->HCO3- материковая вода (воды суши) Ca2+>Na+>Mg2+ HCO3->SO42->Cl- 54 Огромна роль Мирового океана в стабилизации природных условий на поверхности Земли. Это обусловлено в значительной степени его массой и занимаемой площадью. Вода является самым мощным поглотителем солнечной энергии тепла на поверхности Земли. Решающая роль в поглощении солнечной энергии на нашей планете принадлежит Мировому океану, способность которого поглощать солнечную энергию в 23 раза больше, чем у поверхности суши. От поверхности океана отражается только 8% солнечной радиации. Океан является поглотителем тепла на планете. Нагревание его происходит в экваториальном поясе примерно в полосе от 15 градусов Южной широты до 30 градусов Северной широты. В более высоких широтах обоих полушарий океан отдает тепло, полученное в поясе нагревания. Воды Мирового океана все время находятся в активном движении. Этому способствуют атмосферная циркуляция, неравномерный нагрев поверхности, контрасты солености, температурные контрасты, силы притяжения Луны и Солнца. Однако благодаря своему разнообразию гидросфера является чрезвычайно устойчивой к внешним и внутренним воздействиям. Значительное разнообразие создается одновременным существованием воды в трех фазах, резко различающихся своими составляющими, большим набором растворенных в ней веществ и газов, формированием разнообразных статических и динамических структур. Гидросфера Земли как компонент биосферы представляет собой глобальную термодинамически открытую систему, устойчивую и поддерживающую устойчивость биосферы в целом. Тема 5.4. Круговорот биогенных элементов Главная функция биосферы заключается в осуществлении круговорота химических элементов. Глобальный биотический круговорот совершается при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. В круговороте веществ, как в многократном участии веществ в процессах, протекающих в атмосфере, литосфере, различают малый круг биотического обмена (биогеоценотический) и большой (биосферный). Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и 55 давлений. Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям. Большой круговорот – это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана – конденсация водяного пара – выпадение осадков на ту же водную поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет. Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический), в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности почвы. 56 Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (С02, Н20) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм, и т. д. Такие элементы называют биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций: —первая функция — газовая — основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы — продукт разложения отмершей органики; —вторая функция — концентрационная — организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов — первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода — водоросли (ламинария), фосфора — скелеты позвоночных животных; —третья функция — окислительно-восстановительная — организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью; —четвертая функция — биохимическая — размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества; —пятая функция — биогеохимическая деятельность человека — охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и другие, для хозяйственных и бытовых нужд человека. В биогеохимических круговоротах следует различать две части: 1) резервный фонд — это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте). Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биотический круговорот веществ 57 обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы. В основе круговорота веществ лежит наличие в биосфере двух основных типов питания: автотрофного и гетеротрофного. Автотрофы извлекают необходимые для жизни химические вещества из окружающей среды и при помощи солнечной энергии включают их в органическое вещество. Гетеротрофы разлагают органическое вещество до углекислого газа, воды и минеральных солей и возвращают их в окружающую среду. Этим обеспечивается круговорот веществ, который возник в процессе эволюции как необходимое-условие существования жизни. При этом световая энергия солнца трансформируется живыми организмами в другие формы энергии — химическую, механическую, тепловую. Определенная часть солнечной энергии рассеивается в виде тепла. Деятельность и взаимоотношения всех живых существ в природе основываются на односторонне направленном потоке энергии и круговороте веществ. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами — потребителями и деструкторами) разрушаются, с тем, чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы для новых органических синтезов. Энергия биотического круговорота невелика по сравнению с энергией, расходуемой в абиотических биогеохимических процессах. Благодаря ей осуществляется значительный объем работы по перемещению химических элементов Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых в основном состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера. Обязательная литература: 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. с. 43-45, 76, 138. 2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 7-е. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004. –с. 151-164. 3. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. с. 25-28. Дополнительная литература: 1. Барабанов В.Ф. Геохимия: Учебник для вузов. – Л.: Недра, 1985. с. 384-397. 2. Беус А.А., Грабовская Л.И., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды. - М.: Недра, 1976. с. 177-191. 58 3. Войткевич Г.В., Вронский В.А. Основы учения о биосфере. Учебное пособие для студентов вузов. Ростов-на-Дону, Издательство «Феникс», 1996. с.5-35. 4. Войткевич Г.В., Закруткин В.В. Основы геохимии. М., «Высшая школа», 1976. с.244-265.Никаноров А.М. Гидрохимия: Учебник. – изд. 3-е, дополненное. – Ростов н/Д: «НОК», 2008. с. 54-63. 5. Общая биология: Учеб. для 10-11кл. общеобразоват. учреждений/ Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2001. с.266-268. 6. Хрусталев Ю.П., Берликов Г.М., Хулхачиев Б.С. Эколого-географический словарь-справочник. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2002. с. 16, 23, 89-90. Контрольные вопросы 1. Перечислите основные источники минерализации поверхностных вод суши. 2. Перечислите основные характеристики атмосферы. 3. Какие компоненты относятся к малым составным частям атмосферы? 4. Химический состав нижней и верхней атмосферы однороден? 5. Кто впервые ввел термин «биосфера»? 6. Назовите границы биосферы. 7. Что такое живое вещество? ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ №1 Тест содержит 8 заданий, на выполнение которых отводится 10 минут. Выберите наиболее правильный, по Вашему мнению, вариант ответа и отметьте его любым значком в бланке ответов. 1. Экология– это… 1) одна из биологических наук, изучающая живые системы в их взаимодействии со средой обитания 2) комплексная наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаимодействии ее и общества все перечисленное совокупность научных и практических 4) проблем взаимоотношений человека и природы 2. Исторически сложившейся группировкой живого населения биосферы, заселяющей общие места обитания, возникшей на основе биогенного круговорота, обеспечивающей его в конкретных природных условиях – это… 1) биотоп 2) биогеоценоз 4) экосистема 3) биоценоз 3. К олигодоминантным экосистемам относятся экосистемы с… 1) одним основным видом продуцента, 2) богатые видами экосистемы, в которых служащим в нем одновременно и нет четкого преобладания небольшого доминантом, и эдификатором числа видов над другими 3) 59 4) ничего из выше перечисленного несколькими основными видами продуцентов и консументов 4. Большой круговорот веществ в природе… 2) биологический 1) геологический 3) биогеохимический 4) геохимический 5. С каждого трофического уровня на следующий переходит не более …% биомассы и энергии 1) 5 2) 15 4) 20 3) 10 6.Растения, имеющие мясистые наземные части, предназначенные для запасания и экономного расходования воды, - это… 2) склерофиты 1) суккуленты 3) ксерофиты 4) галофиты 3) Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 3 4 5 6 МОДУЛЬ №2 ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ Комплексная цель – получить представление о существующих экологических проблемах в биосфере. Проектное задание – знать и изучить: основные виды антропогенного воздействия на природную среду; важнейшие экологические последствия загрязнения атмосферы; последствия загрязнения Мирового океана; проблему радиоактивного загрязнения окружающей среды. Лекция 6. Антропогенное воздействие на биосферу и его последствия Тема 6.1. Доклады Римского клуба Тема 6.2. Техногенные катастрофы и стихийные бедствия. Тема 6.1. Доклады Римского клуба Появившись на Земле несколько миллионов лет назад, человек был собирателем. Он имел кормовую территорию более 500 га и проходил в сутки 25 —30 км. В то время на Земле проживало не более 2 млн человек. Около миллиона лет назад человек научился пользоваться огнем и получил дополнительную энергию. Это позволило ему заселить территории с умеренным климатом и заняться охотой. Использование огня и изобретение оружия, возможно, привело к первому экологическому кризису, причиной которого стало истребление охотниками крупных млекопитающих средних широт. Этот кризис вынудил человека перейти от собирательства к земледелию и скотоводству. 60 Первые земледельческие цивилизации возникли в районах недостаточного увлажнения, что привело к созданию оросительных систем. Это вызывало локальные экологические катастрофы в бассейнах рек Тигр и Евфрат, приводившие к ослаблению или гибели государств в результате эрозии и засоления почв. Такого рода катастрофы очень распространены и сейчас: в мире заброшено из-за ирригационного засоления больше земель, чем используется для орошения. Земледелие продвигалось на территории достаточного увлажнения, т. е. в зоны лесостепи и леса, в результате чего началась интенсивная вырубка лесов. Сведение лесов резко сокращало влагооборот, что способствовало увеличению площади пустынь. Сейчас пустыни расширяются со скоростью до 20 га в минуту; такова же скорость обезлесивания. Пo некоторым оценкам, лесистость суши на нашей планете сократилась с 50 — 60 % 10 тыс. лет назад до 30 — 40 % 100 лет назад. Сейчас лесистость составляет 23 — 30 % суши, что примерно соответствует площади пустынь. Таким образом, рост потребления еще в доиндустриальную эпоху сопровождался локальными экологическими катастрофами. Экологические кризисы и катастрофы не являются чем-то новым в эволюции нашей планеты, ее биосферы и в истории человечества. Палеогеография и палеонтология дают множество свидетельств глобальных и локальных экологических кризисов и катастроф природного происхождения. Локальные экологические катастрофы случаются довольно часто: вулканические извержения, лесные пожары, землетрясения и др. Они отличаются от глобальных тем, что виды организмов не исчезают, а их численность и биомасса довольно быстро восстанавливаются. За последние 100 лет потребление возросло особенно резко — не менее чем на 2 порядка, т. е. в 100 раз. Это период промышленной и сменившей ее научно-технической революции. В настоящее время потребление поражается следующими интегральными показателями: на одного жителя Земли добывается и выращивается примерно 20 т сырья, которое перерабатывается в конечные продукты массой 2 т, идущие на прямое потребление. Хозяйственной деятельностью охвачено более трети суши (около 60 млн км2). В процессе переработки сырья возникает множество веществ. Человек умеет синтезировать около 10 млн веществ, производит в больших масштабах около 50 тыс., в особо крупных масштабах — 5 тыс. наименований. При этом около 90 % сырья уходит в отходы. Из 2 т конечного продукта в течение того же года выбрасывается не менее 1 т. Таким образом, за последние 100 лет возник еще один механизм воздействия на окружающую среду — выброс (сброс) продуктов антропогенного происхождения. 61 Выбрасываются продукты, абсолютно чуждые природе, а также радиоактивные вещества, тепло. Антропогенное давление на окружающую среду в различных регионах и странах неодинаково. Несмотря на успехи развитых стран в области охраны окружающем среды и совершенствования технологий, прогресс в энерго- и ресурсосбережении, в глобальном масштабе все же идет деградация систем жизней обеспечения: изменяется газовый состав атмосферы, что приводит к усилению парникового эффекта, на тысячи километров от источник переносятся кислотные осадки, истощается озоновый слой. Не решена провозглашенная ООН задача обеспечить всех жителей Земли чистой питьевой водой; более одной трети населения Земли ее не имеет. Что будет в будущем, никто не знает. Согласно последней позиции, человечество как часть глобальной экосистемы подвержено действию законов природы в условиях ограниченных ресурсов. По мнению Р. Дюбо - ученого, гуманиста и убежденного оптимиста, путь к ликвидации противоречий между человеком и окружающей средой — «одомашнивание» всей биосферы, с тем чтобы сохранить пригодность полей, лесов, водоемов, используя их с толком, соблюдая гармонию между творениями человеческих рук и природой. По мнению другого видного ученого, А. Тойнби, цивилизация - это организм, который рождается, становится зрелым, стареет и умирает, что уже случалось в прошлом. Согласно К. В. Батцеру, цивилизация не организм, и система, которая становится нестабильной, если сильно повышается стоимость ее собственного поддержания, причиной чего является бюрократизм, предъявляющий чрезмерные требования к сфере производства. В 1968 г. группа ученых, промышленников и политических деятелей из 25 стран (всего 30 человек) по инициативе управляющего фирмы "Фиат" экономиста Аурелио Печчеи образовала так называемый Римский клуб. Предельная численность Римского клуба была определена в 100 человек. Клуб взял на себя задачу исследовать глобальные кризисные процессы и наметить пути выхода из них независимо от интересов отдельных государств. По заданию клуба отдельная группа, состоящая из специалистов по кибернетике, естественным и инженерным наукам Массачусетского технологического института, под руководством Денниса и Донеллы Медоуз с 1971 по 1981 гг. подготовила серию "докладов Римского клуба" по самым острым проблемам. Наиболее известными из них являются два доклада: работа супругов Медоуз "Пределы роста" и доклад кибернетиков Мессаровича (США) и Пестеля (ФРГ) "Человечество на перепутье". Работы финансировались транснациональной корпорацией " Фольксваген ". 62 В первом докладе говорится о том, что в связи со многими жизненно важными ресурсами будут наблюдаться циклы взлетов и падений. Промышленный рост и потребление ресурсов будут увеличиваться ускоряющимися темпами наряду с ростом численности населения и увеличением потребления энергии до тех пор, пока не будет достигнут некий предел. Затем произойдет катастрофа. В докладе осуждается общественная мания роста, при которой ставится цель на каждом уровне (индивидуальном, семейном, классовом, национальном) стать богаче и могущественнее, без учета окончательной платы за экспоненциальный рост. Второй доклад назывался «Человечество на перепутье»; он был подготовлен М. Месаровичем и Э. Пестелем (США и ФРГ). В докладе анализ проводился на основе выделения на Земле 10 взаимозависимых регионов. Авторы пришли к заключению, что пассивное следование стихийному развитию ведет к гибели, поэтому мир больше не должен развиваться стихийно. Особое внимание авторы доклада обращали на постоянно расширяющиеся пропасти, которые находятся в центре современного кризиса: между человеком и природой и между богатыми и бедными. Экологи всего мира поддержали идеи авторов второго доклада, исходя из того, что, если мы хотим избежать глобальной катастрофы, то эти пропасти должны быть уничтожены. Третий доклад: «Перестройка международного порядка» — был подготовлен голландским экономистом Я. Тинбергеном с соавторами. Доклад показывал, что сочетание локальных и глобальных целей возможно. Четвертый доклад: «Цели для глобального общества» — был составлен философом Э. Ласло. Основные положения большинства разработок сводились к следующему: 1. Технологический прогресс жизненно важен, но требует при этом социальноэкономических и политических изменений. 2. Народонаселение и ресурсы не могут расти беспредельно на конечной планете. 3. Отсутствует надежная и полная информация о жизненно необходимых ресурсах Земли, способных удовлетворить потребности растущего населения. Снижение роста их потребления уменьшит вероятность экологических бедствий и катастроф. 4. Народы, страны и окружающая среда находятся в более тесной зависимости друг от друга, чем это обычно представляется. Поэтому действия, направленные на достижение узко ограниченных целей, чаще всего непродуктивны. 63 5. Природа будущего не предопределена; многое зависит от того, как скоро изменятся существующие нежелательные тенденции. 6. Действия по предотвращению опасных последствий окажутся более эффективными и менее дорогостоящими, чем те же действия, предпринятые с опозданием. Это требует сильного руководства и более широкой макрообразованности, поскольку к тому времени, когда проблема станет очевидной каждому, предпринимать какие бы то ни было действия будет уже слишком поздно. Главные выводы исследований допускают один из трех возможных сценариев развития: а) в случае истощения природных ресурсов неизбежно замедление промышленного и сельскохозяйственного производств с последующим падением численности населения Земли и экологической катастрофой; б) организация достаточно эффективной защиты природной среды обеспечит еще более форсированный рост народонаселения, вытекающую отсюда нехватку пахотных земель и экологический кризис; в) при практически не ограниченных природных ресурсах с неизбежностью прогнозируется гибель цивилизации от загрязнения. Тема 6.2. Техногенные катастрофы и стихийные бедствия. Словосочетание «технологическая (техногенная) катастрофа» нуждается в расшифровке. Если термин «катастрофа» понятен, то с определением «технологическая» дело обстоит сложнее. Технологической катастрофой принято называть катаклизм, вызванный аномалиями технологических систем. При этом имеются в виду не только их случайные либо неслучайные сбои, неисправности и поломки, но и непредвиденные и нежелательные последствий их штатного функционирования. Такое определение позволяет сразу же отсечь как разрушительные последствия военных действий, так и диверсии, террористические акты и другие несчастья, вызванные преднамеренным и злонамеренным вмешательством в работу этих систем. Гибель «Титаника» - это техногенная катастрофа, главной, но отнюдь не единственной причиной которой скорее всего была некачественная клепка металлической обшивки корпуса. В то же время катастрофа 11 сентября 2001 года к числу технологических не относится, поскольку была вызвана действиями террористовкамикадзе. Техногенная экологическая катастрофа — это авария технического устройства (атомной электростанции, танкера и т.д.), приведшая к весьма неблагоприятным 64 изменениям в окружающей природной среде и, как правило, к массовой гибели живых организмов и экономическому ущербу. Аварии и катастрофы возникают внезапно, имеют локальный характер, но экологические последствия их могут распространяться на весьма значительные сроки и расстояния. В мире происходит огромное количество аварий. В банке данных одной из фирм США, которая занимается мониторингом аварийных ситуаций, на 1997 г. насчитывалось 300 млн. зафиксированных аварийных ситуаций, причем их прирост составляет примерно 12—14 млн. аварий в год. Технологические катастрофы обычно противопоставляют природным, однако и это требует уточнения. Все бедствия, в конечном счете, являются следствиями тех или иных человеческих действий или отсутствия таковых. Катастрофа любого происхождения - это физическое событие в общественном контексте. Технологические (техногенные) катастрофы также в своей основе имеют социальные причины, поскольку технические системы конструируются, изготовляются и управляются людьми и обеспечивают достижение тех или иных социально значимых целей. Энергетические, ядерные, инфраструктурные, транспортные, экологические и космические аварии и катастрофы, в конечном счете, вызываются рассогласованием взаимодействия элементов сложных систем, в создании и функционировании которых задействованы как люди, так и те или иные элементы созданных ими технологий. В этом типе катастроф по мере развития техники все большую роль начинает играть человеческий фактор, который проявляется в инженерных просчетах, ошибках персонала, неэффективной помощи спасательных служб. Возрастание размеров и мощи технических систем повышает риск людских, материальных и экологических потерь - такова плата за технологический прогресс. Насыщение производства и сферы услуг современной техникой сопровождается резким увеличением цены технической неполадки или человеческой ошибки. При этом наличие достаточно совершенного оборудования, оснащенного системами многократного дублирования и другими средствами обеспечения безопасности, не гарантирует абсолютной надежности эксплуатации. Методологические ошибки, являющиеся причиной большинства аварий, можно разделить на три группы: взрывы, обрушения, экокатастрофы, снизанные с природными условиями, но спровоцированные некомпетентной деятельностью человека (например, строительством). В первую очередь возрастает риск аварий больших технических систем, что связано с увеличением их числа и сложности, ростом мощностей агрегатов на промышленных и энергетических объектах, их территориальной концентрацией. 65 Это иллюстрируется следующей статистикой. По далеко не полным данным, охватывающим только крупнейшие промышленные катастрофы, более половины из них (56 %) разразилось в течение последних двух десятилетий. Обращает внимание то, что увеличивается и разрушительный эффект этих катастроф: на конец нашего столетия приходится примерно 50 % погибших и 40 % раненых во время промышленных катастроф в XX веке. Техногенные «индустриальные» катастрофы (химическое обычно разделяются заражение, на взрывы, три основных радиационное типа: заражение, разрушения, вызванные иными причинами), «транспортные» (аварии в воздухе, на море, железных дорогах и пр.) и «смешанные» (происходят на иных объектах). Данные ООН показывают, что техногенные катастрофы - третьи среди всех видов стихийных бедствий по числу погибших. На первом месте гидрометеорологические катастрофы, например, наводнения и цунами, на втором - геологические (землетрясения, сходы селевых потоков, извержения вулканов и пр.). Международный центр исследований эпидемии катастроф на протяжении нескольких десятилетий составляет базу данных различных катастроф. Событие признается катастрофой, если оно отвечает хотя бы одному из четырех критериев: погибло 10 или более человек, 100 и более человек пострадало, местные власти объявили о введении чрезвычайного положения и/или пострадавшее государство обратилось за международной помощью. Статистика показывает, что число техногенных катастроф в мире резко увеличилось с конца 1970-х годов. Особенно участились транспортные катастрофы, прежде всего морские и речные. При этом, несмотря на то, что страны Европы и Северной Америки обладают значительно более плотной транспортной и промышленной инфраструктурой, чем иные континенты, наибольшее число жертв этих катастроф проживает в Африке и Азии. Уровень смертности в результате техногенных катастроф, произошедших за период с 1994 по 2003 год в индустриально развитых странах составляет 0,9 погибшего на 1 млн. жителей, для наименее развитых стран он выше более чем в три раза – 3,1 смертельных случая на 1 млн. Сходные тенденции наблюдаются и в отношении природных катастрофических явлений. К стихийным бедствиям относят явления природы, которые создают катастрофические экологические ситуации и, как правило, сопровождаются огромными людскими и материальными потерями. Об исключительной актуальности борьбы с ними свидетельствует провозглашение ООН периода 1990— 2000 гг. международным десятилетием по уменьшению опасности стихийных бедствий. 66 По происхождению все стихийные бедствия подразделяются на два типа: эндогенные, связанные с внутренними силами Земли, и экзогенные, обусловленные внешними по отношению к земной поверхности факторами. К стихийным бедствиям эндогенного характера относят разрушительные землетрясения и вулканические извержения. Землетрясения — одно из наиболее грозных проявлений внутренней энергии Земли. Внезапные сейсмические толчки и колебания земной поверхности могут быть весьма значительными и иметь катастрофические экологические последствия. В России постоянной угрозе разрушительных землетрясений подвержены около 20% территории (Северный Кавказ, Забайкалье, Дальний Восток, Сахалин, Камчатка и др.). Землетрясения наносят весьма ощутимый вред окружающей природной среде и уносят тысячи человеческих жизней. Так, землетрясение в г. Тайшане (Китай) в 1976 г. унесло четверть миллиона жизней (почти 25% населения города). В ряду крупнейших сейсмических катастроф XX в. стоит Спитакское землетрясение 7 декабря 1988 г. в Армении (более 25 тыс. жертв). Одним из сильнейших землетрясений в истории России стало Сахалинское (27 мая 1995 г.). Полностью был разрушен г. Нефтегорск, погибло около 2 тыс. его жителей. Экологические последствия землетрясений весьма значительны. Для них характерно, в частности: массовая гибель и поражение людей и животных, нарушение устойчивости экосистем; резкое ухудшение санитарной обстановки, опасность эпидемий и т. д. Вулканические извержения наносят огромный ущерб хозяйственной деятельности человека, сильно загрязняют атмосферу, вызывают большие разрушения естественных экосистем и часто приводят к человеческим жертвам. К стихийным бедствиям экзогенного характера относят крупномасштабные наводнения, штормы, засухи, разрушительные оползни, обвалы, селевые потоки и другие явления. В России наводнениям периодически подвергаются низменные районы центральной части европейской территории, Дальнего Востока, Южного Урала, юга Западной Сибири, Поволжья, Северного Кавказа и др. Площадь затоплений в разные годы: от 50 до 400 тыс. км2. Огромное дестабилизирующее влияние наводнений на экологическую обстановку заключается в массовой гибели людей и животных, сельскохозяйственных культур, садов, виноградников. Весьма опасны для людей и биоты засухи — длительные периоды сухой погоды, чаще при повышенной температуре, с отсутствием или крайне незначительным количеством осадков. 67 Длительная, жестокая засуха — это бедствие, приводящее к тяжелым экологическим последствиям: деградации природных экосистем, резким колебаниям численности популяций животных, гибели растений, катастрофическому неурожаю, а в определенных экономических условиях — к массовой гибели людей от голода. Такие засухи в России были в 1891, 1911, 1921,1946 гг. На Земле постоянно возникают и такие грозные стихийные бедствия, как оползни, обвалы, селевые потоки. Все они имеют гравитационную природу и выражаются в смещении земляных масс вниз по склону. Оползни и другие процессы, особенно если они активизированы техногенными факторами, могут вызвать катастрофические последствия и причинить большой ущерб человеку, биоте и всей природной среде. Тенденция к росту количества стихийных бедствий объясняется прежде всего увеличением численности населения Земли и концентрацией людских ресурсов в городах. Опасность антропогенного воздействия четко прослеживается по отдельным отраслям промышленности, энергетики и транспорта, связанным с переработкой и перевозкой взрыво- и пожароопасных грузов, радиоактивных и химически агрессивных продуктов. В США за период 1980 — 1985 гг. на химических предприятиях произошло около 2 тыс. аварий, в том числе 130 аварий на одном заводе корпорации «Юнион Карбид» в Западной Вирджинии. Завод в индийском городе Бхопале, где произошла крупнейшая за всю историю промышленная катастрофа, также принадлежит этой компании. В результате катастрофы в Бхопале погибло более 3 тыс. человек. Только по официальным источникам 20 тыс. человек-стали инвалидами и полностью потеряли трудоспособность, более 200 тыс. больны и страдают от последствий отравления газом. Наиболее актуальна проблема радиоактивного загрязнения в связи с АЭС. Аварии на АЭС стали случаться все чаще. В 1957 г. на одной из АЭС Великобритании («Уинд Скейл») произошла авария, в результате чего погибло 13 человек. Площадь зараженной территории составила 500 км2. В 1979 г. случилась авария на АЭС «Тримайл-Айленд» в США. Прямой ущерб от нее составил сумму свыше 1 млрд долларов. В 1986 г. произошла Чернобыльская катастрофа, которая привела к гибели 301 человек; было госпитализировано свыше 200 и эвакуировано 115 тыс.1 человек (эти данные были опубликованы в 1987 г. за рубежом). Впоследствии оказалось, что масштабы катастрофы превышают официальные сводки на порядки. Большую группу экологических катастроф составляют последствия аварий в нефтеперерабатывающей промышленности. Ежегодно в мире в эти отрасли случается в среднем примерно 60 катастроф, уносящих 100 — 150 человеческих жизней и наносящих 68 ущерб до 100 млн долларов. Частота аварий растет. Так, только в США с 1950 по 1980 г. (за 30 лет) число аварийных ситуаций увеличилось в 2,6 раза, в 6 раз увеличилось число жертв, в 11 раз — материальный ущерб. На транспорте в результате автомобильных катастроф на дорогах мира ежегодно погибает более 300 тыс. человек, получают ранения около 8 млн человек. Прослеживается тенденция к увеличению убытков и риска, связанного с перевозкой так называемых «разрядных» грузов: ядовитых, взрывчатых и других опасных продуктов. Также примером экологических катастроф, связанных с морскими транспортными системами, является разлив более 16 тыс. т мазута с танкера «Глобе Асими» в порту Клайпеда 21 ноября 1971 г. Тогда в экосистеме залива резко уменьшились численность и видовое разнообразие фитопланктона, нарушилось естественное воспроизводство, были загрязнены миграционные пути и др. Другие примеры: в августе 1983 г. недалеко от Атлантического побережья загорелся и затонул танкер «Кастило де Бельвер», в океане оказалось 250 тыс. т нефти; вблизи французского порта Бордо в марте 1978 г. затонул супертанкер «Амоко Надис», пролилось 230 тыс. т нефти, образовав на поверхности воды самое большое нефтяное пятно в истории судоходства, погибли сотни тысяч морских птиц и других животных. Из всего сказанного следует вывод о тенденции нарастания технологического (техногенного) риска для здоровья, жизни людей и окружающей природной среды. Обязательная литература: 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. с. 432-433. 2. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учебное пособие. – М.: «Издательство ПРИОР», 2000. с.68-83 3. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. с. 80-93. 4. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. с. 293-299. Дополнительная литература: 1. Хрусталев Ю.П., Берликов Г.М., Хулхачиев Б.С. Эколого-географический словарь-справочник. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2002. с. 153. Контрольные вопросы 1. Расскажите историю развития отношений между человеком и окружающей средой. 2. С какой целью был создан Римский клуб? 3. Каких результатов достиг Римский клуб? 69 4. Приведите примеры техногенных катастроф. 5. На какие группы подразделяются аварии? Лекция 7. Глобальные экологические проблемы современности Тема 7.1. Изменение климата Тема 7.2. Парниковый эффект Тема 7.3. Признаки парникового эффекта в XXв. Тема 7.4. Экологические последствия глобального потепления. Тема 7.5. История озоновой проблемы Тема 7.6. Механизм образования и разрушения озона. Озоноразрушающие вещества. Тема 7.7. Экологические последствия разрушения озона Тема 7.8. Тропосферный озон. Тема 7.9. Антропогенное воздействие на ближний космос. Тема 7.1. Изменение климата Гипотеза о возможном изменении климата при увеличении концентрации углекислого газа возникла еще - на рубеже XIX-XX вв. Уже около 100 лет ведутся регулярные наблюдения за климатом на Земле. Шведский физикохимик Сванте Аррениус исследовал физическую природу парникового эффекта и некоторые свойства газов, сохраняющих тепло в атмосфере. Он утверждал, что если бы содержание угольной кислоты в воздухе удвоилось, то температура земной поверхности повысилась бы на 4°С. Но фактических и точных измерений содержания С02 в атмосфере было сравнительно немного вплоть до первого Международного геофизического года (1957 г.). С этого времени стали проводиться систематические измерения в различных регионах мира, и эти измерения в течение ряда лет показали, что концентрация углекислого газа в воздухе возрастает. В 1988 г. ООН была создана Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата, в которую вошли 300 ведущих ученых-климатологов мира. На международной встрече в Торонто (Канада) в 1988 г. ученые и политики обсуждали пути возможною уменьшения выбросов углекислого газа. Сорок девять ученых в 1990 г. заявили, что «глобальное потепление является наиболее серьезной экологической угрозой XXI столетия, и только принимая меры уже сейчас, мы можем быть уверены, что грядущие поколения не столкнутся с этой угрозой». На Конференции ООН по охране окружающей среды, проходившей в 1992 г. и развитию в Рио-де-Жанейро была принята Конвенция об изменении климата. В ней говорилось о необходимости объединения международных усилий с целью предотвращения неблагоприятных последствий его потепления. 70 Независимая международная экологическая организация «Гринпис» в 1990 г. издала доклад «Глобальное потепление», который составлен ведущими учеными в области энергетики США, Великобритании, Швеции, Бразилии и Индии. В 1997 г. в Киото (Япония) состоялась Третья конференция ООН по изменению климата, на которой представители правительств 171 страны подписали соглашение (Протокол Киото). По этому документу всем странам необходимо сократить выбросы парниковых газов, обеспечивающих потепление климата. 22-23 ноября 2000г. в Гааге (Голландия) прошла климатическая конференция, организованная Всемирной организацией здравоохранения, на которой рассматривалась проблема парникового эффекта. По данным А. Карнаухова, увеличение концентрации СО2 в атмосфере приведет через 100—200 лет к парниковой катастрофе. Температура воздуха достигнет нескольких сотен градусов, и жизнь на планете исчезнет. Тема 7.2. Парниковый эффект Прогрессивное человечество, и в первую очередь ученые и политики, уделяют большое внимание проблеме глобального потепления климата. Рассмотрим, почему это явление называется «парниковым эффектом». Солнечные лучи падают на Землю. Большая их часть проникает сквозь атмосферу и, поглощаясь, нагревает поверхностный слой Земли. Земля испускает невидимое инфракрасное излучение, в результате чего происходит ее охлаждение. Однако часть этого излучения поглощается парниковыми газами в атмосфере, которые выполняют роль «экрана», удерживающего тепло. Парниковый эффект – это удержание значительной части тепловой энергии Солнца у земной поверхности. Чем выше концентрация этих газов, тем заметнее парниковый эффект. Парниковые газы это газы, создающие в атмосфере экран, одерживающий инфракрасные лучи, которые в результате нагревают поверхность Земли и нижний слой атмосферы. Многие из этих газов почти на всем протяжении истории существования Земли присутствовали в атмосфере в незначительном количестве. К наиболее распространенным природным парниковым газам относятся пары воды Н2О. Следующим в ряду парниковых газов стоит углекислый газ СО2. При отсутствии СО2 температура поверхности Земли была бы примерно на 33°С ниже, чем в настоящее время. Углекислый газ попадает в атмосферу как естественным, так и искусственным путем. Следовательно, необходимо делать различие между естественным парниковым эффектом и антропогенным, усиленным парниковым эффектом. 71 В настоящее время основными парниковыми газами являются углекислый газ СО2, метан СН4, хлорфторуглеводороды (фреоны) и оксид азота (I) N2О. Доля влияния основных парниковых газов на глобальное потепление длительное время составляла: СО 2 - 55%, фреонов и родственных им газов - 24% , СН4 - 15%, N2О - 6%. Темпы их ежегодного прироста составляют: диоксида углерода – 0,5%, метана – 0,9, оксидов азота 0,25, хлорфторуглеводородов – 4%. Тропосферный озон О3 тоже относится к парниковым газам, но его трудно оценить количественно. Возникает он в тропосфере в результате химических реакций под действием солнечного света между углеводородами и оксидами азота, образовавшимися при сжигании ископаемого топлива. К 2000 г. доля влияния этих парниковых газов на глобальное потепление изменилась. По сравнению с 1990 г. возросла доля углекислого газа с 55 до 64% и метана с 15 до 20%, уменьшилась доля фреонов (в связи с их запретом) с 24 до 10%, на прежнем уровне осталась доля N20 (6%) (таблица). Основные парниковые газы, их источники и доля влияния на глобальное потепление (данные 2000 г.) Газ Основные источники Производство, транспортировка и сжигание ископаемого топлива (86%) Углекислый газ С02 Сведение тропических лесов и сжигание биомассы (12%) Остальные источники (2%) Утечка природного газа Производство топлива Жизнедеятельность животных (пищеварительная Метан CН4 ферментация) Рисовые плантации Сведение лесов Холодильная промышленность (хладагенты) Хлорфторуглероды Производство аэрозольных упаковок (фреоны) и Системы кондиционирования воздуха родственные газы Производство пенопласта Доля влияния на глобальное потепление, % 64 20 10 Применение азотных удобрений Оксид азота (I) N20 Сжигание биомассы 6 Сжигание ископаемого топлива Антропогенный парниковый эффект на 57% обусловлен добычей и потреблением энергии, на 9% - исчезновением лесов, на 14% сельскохозяйственной деятельностью и на 20% - остальным промышленным производством, не связанным с энергетическим циклом (и том числе и производством фреонов). 72 Углекислый газ считается основным парниковым газом. Его влияние на глобальное потепление в последнее десятилетие XX в. разными учеными оценивается, как мы уже отмечали, в 55-64% (оценка 64% максимальная). Вторым парниковым газом по значимости, т.е. по влиянию на глобальное потепление, является метан СН4, происхождение которого в атмосфере имеет как природную, так и антропогенную историю. В образовании парникового эффекта молекула СН4 в 21 раз более эффективна, чем СО2. По сравнительной оценке влияния СН4 и СО2 следует, что по степени влияния на глобальное потепление за 20-летний период метан в 63 раза превосходит углекислый газ, по выполненному расчету эффект глобального потепления от каждого 1 кг СН 4 за этот период в 63 раза больше, чем от каждого 1 кг СО2. Парниковый эффект образуют галогенуглеводороды. Они содержат углерод и один или более атомов галогенов (фтора и хлора). На глобальное потепление наибольшее влияние оказывают хлорфторуглероды (ХФУ). Они известны под названием «фреоны». Хотя ХФУ присутствуют в атмосфере в крайне незначительных количествах, однако являются весьма активными парниковыми газами, работающими на парниковый эффект в тысячи раз активнее, чем СО2. Фреоны не только сильные поглотители тепла они также вызывают разрушение озонового слоя Земли. Менее значимым парниковым газом по его влиянию на глобальное потепление является N2О. Как и СО2, оксид азота(I) – естественный компонент атмосферы, но присутствует он в ней в значительно меньшем количестве. На долю N2О приходится около 6% глобального потепления. Аэрозоли - это второй важный фактор человеческого влияния на климат. Облака этих микроскопических частиц не являются парниковым газом. В дополнение к различным природным источникам они образуются из двуокиси серы, которая в основном содержится в выбросах тепловых электростанций, а также в дыме при сжигании отходов, образующихся при вырубке леса и после сбора урожая. Буквально через несколько дней аэрозоли оседают из воздуха, однако количество их выбросов столь значительно, что они оказывают существенное влияние на климат. Аэрозоли отражают солнечные лучи в космос, что приводит к местному похолоданию климата. Аэрозольные частицы непосредственно блокируют солнечные лучи, а также становятся "семенами", из которых образуются облака, и очень часто эти облака также производят охлаждающий эффект. В сильно развитых промышленных регионах аэрозольное охлаждение может почти полностью нейтрализовать 73 наблюдающийся в настоящее время эффект потепления, к которому привело повышение содержания парниковых газов. Тема 7.3. Признаки парникового эффекта в XXв. Климатическая система планеты находилась в равновесии, когда поглощенное солнечное излучение уравновешивалось тепловым излучением Земли. Это было до технической революции, которая вызвала значительное увеличение выбросов антропогенных парниковых газов. Систематические наблюдения за климатом и содержанием в атмосфере парниковых газов дают основание для прогноза к увеличению их концентрации и повышению средней температуры на планете. По оценке ученых, за 100 с лишним лет с начала индустриальной эпохи концентрация углекислого газа повысилась на 25%, доля его в парниковом эффекте наибольшая. При этом отмечается, что содержание С02 в атмосфере непрерывно возрастает - на 0,5% в год. Данные о температуре воздуха за последнее столетие показывают, что увеличение глобальных температур колеблется в пределах от 0,3 до 0,6°С, и можно принять, что увеличение средней глобальной температуры в XX в. составило примерно 0,5°С. Можно с весьма высокой степенью уверенности утверждать, что 90-е годы были самым теплым десятилетием, а 1998 г. - самым теплым годом. Загадочным, однако, остается тот факт, что в некоторых регионах Земли одновременно происходит похолодание. Если в последние 10 лет сперва в южных океанах, а затем в Сибири, Восточной Европе и на западе Северной Америки отмечалось потепление, то в Гренландии, на северо-востоке Канады и ряде островов российской зоны Арктики наблюдалось понижение средних температур. Вполне возможно, что в потеплении 1995-1998 гг. антропогенный фактор не играл ведущей роли. В климатической картине доминировало очень сильное влияние явления Эль-Ниньо (южное колебание). Сильное проявление этого фактора стало одной из главных причин рекордно теплой погоды в тропиках, хотя и в средних широтах он внес существенный вклад в планетарный рекорд. Явление Эль-Ниньо представляет собой распространение обширной области теплых поверхностных вод на западную часть Тихого океана, в результате которого системы погоды тропической части Тихого океана серьезно нарушаются. В настоящее время Эль-Ниньо является общепризнанной, периодически возникающей причиной крупных природных возмущений климатической области, происходящих в результате взаимодействия океана и атмосферы. Связанные с Эль-Ниньо стихийные бедствия: проливные дожди, засуха, 74 необычные ураганы и другие экстремальные погодные явления – признаны глобальной проблемой. Несмотря на неопределенность в объяснении причин глобального потепления и роль в этом процессе парникового эффекта, остаются бесспорными серьезные негативные события, так или иначе связанные с аномальными повышениями температуры приземного слоя атмосферы. Прежде всего, выражается обеспокоенность в связи с угрозой повышения уровня океана. Многие природные процессы и хозяйственная деятельность людей зависят от уровня Мирового океана. Мировой океан содержит около 97,3% водных масс Земли и служит главным источником влаги, приходящей на материки. С поверхности океана испаряется 86% влаги, поступающей в атмосферу. Уровень Мирового океана постоянно колеблется, что вызвано влиянием региональных и глобальных факторов. Скорость подъема среднего глобального уровня моря за последние 100-150 лет составила 2,1 мм/год. Изменение климата является наиболее сложной проблемой окружающей среды, с которой когда-либо сталкивалось человечество. Оценка влияния потепления и изменения климата представляет собой крайне сложную задачу. Процесс глобального потепления вследствие парникового эффекта может нарастать с течением времени из-за взаимовлияния многих событий, лежащих в его основе. Повышение температуры вызовет таяние ледников и «вечной мерзлоты», в результате многие районы Сибири превратятся в болота, которые станут местами интенсивного и все ускоряющегося освобождения метана из грунтов. Последнее будет в свою очередь усиливать парниковый эффект. Если темп прироста сжигания минерального топлива не снизится, то наложение естественного потепления на парниковый эффект диоксида углерода может вызвать катастрофическое и беспрецедентное для последних 1000 лет потепление. Следует отметить также, что у человечества все еще слишком мало энергетических и финансовых ресурсов, чтобы повлиять на процесс глобального потепления. Тема 7.4. Экологические последствия глобального потепления. Изучением дальнейшего повышения среднепланетной температуры Земли, прогнозом ее на XXI в. занимаются многие ученые, специалисты научных институтов, международных организаций, группы экспертов на уровне правительств. Для оценки возможного изменения климата разрабатываются компьютерные модели будущего климата, или модели глобальной циркуляции (МГЦ). Рассмотрим некоторые из этих прогнозов. 75 В последнем десятилетии XX в. среди ученых бытовали две крайние точки зрения на ожидаемое потепление в XXI в. Точку зрения одних можно сформулировать, как «нет никаких оснований для беспокойства», тогда как другие предрекают «конец света» и в связи с этим предполагают изменение температуры к 2100 г.: от сравнительно умеренного повышения на 0,5°С в наши дни до потепления на 5°С и выше еще до конца XXI в. Повышение на 5°С может быть названо катастрофическим, так как оно соответствует уровню потепления, имевшему место в период жизни на Земле между 15 тыс. и 5 тыс. лет назад и ознаменовавшему собой переход от последнего ледникового периода к современной межледниковой эпохе. Модели МГЦ дают эту верхнюю оценку, т.е. прогнозируют максимальное потепление даже более чем на 5°С. Прогнозы аналитиков из международной организации «Гринпис» (1990 г.) не совпадают с этими двумя точками зрения и соответствуют промежуточным данным. Ученые IPCC дают более оптимистическую оценку. По их расчетам, к 2100 г. произойдет повышение температуры на 3°С при том условии, что рост выбросов парниковых газов будет таким же, как в наше время. По даже при такой, более благоприятной оценке IPCC скорость изменения температуры составит 0,3°С за десятилетие, большинство ученых считает, что в течение XXI в. вполне вероятно повышение глобальной температуры на 1°С или около того. Но даже это, казалось бы, незначительное повышение температуры может оказаться опасным для некоторых видов растений и животных, обитающих вблизи горных вершин. Многие ученые и компьютерные модели предсказывают повышение средней глобальной температуры на 1,5—4,5°С при «эффективном удвоении» количества СО2 по сравнению с его уровнями и доиндустриальную эпоху. «Эффективное удвоение» означает усиление в два раза парникового эффекта. Это может произойти к 2030-2050-м гг., если выбросы парниковых газов будут продолжаться на современном уровне. Количество парниковых газов в атмосфере станет таким, что по теплопоглощающей способности они в два раза превзойдут СО2, содержавшийся в атмосфере в середине XIX в. Напомним прогноз С. Аррениуса, который в начале XX в. высказал предположение о повышении температуры на 4°С при удвоении содержания угольной кислоты. В конце 2000 г. американский ученый Кевин Гурни привел несколько иные цифры. По его мнению, рост средней температуры может составить от 1,0 до 3,5°С при удвоении первоначальной (до промышленной революции) концентрации СО2. Если сохранятся нынешние тенденции, это может произойти примерно к 2100 г., причем температура может повыситься неравномерно – до 10С в полярных регионах и, возможно, не изменится вообще в экваториальном поясе. 76 По прогнозам ученых, удвоение содержания СО2 в атмосфере приведет не только к повышению глобальной температуры на 1,5 – 4,5С, но и к другим климатическим изменениям, а также к нарушениям во всех земных экосистемах, к истощению биоты, гибели или сокращению лесов, обеднению фауны, снижению урожайности сельскохозяйственных культур, дефициту продуктов питания, миграции и к болезням людей. Наиболее важные из возможных климатических изменений приведены ниже. 1. Увеличение осадков, особенно в средних и высоких широтах в зимний период. 2. Уменьшение поверхности морского льда и снежного покрова. 3. Потепление полярных зим. 4. Подъем среднего уровня Мирового океана (на 10-30 см - произойдет к 2030 г. и на 30100 см - к концу XXI в. вследствие нагрева и таяния ледников). В случае таяния Антарктического ледникового щита глобальный уровень моря поднимется более чем на 5 м. В течение XXI в. это, вероятнее всего, не произойдет. 5. Повышение уровня моря вызовет крупномасштабные наводнения (например, во многих северных регионах России), затопление прибрежных зон, ведущее к загрязнению систем водоснабжения, засолению пресноводных прибрежных акваторий, перемещению человеческих поселений. 6. Понижение влагосодержания почвы в летний период во внутриконтинентальных областях средних широт (летнее иссушение континентов), вызванное более ранним окончанием таяния снегов и периодов дождей. 7. Понижение влажности почвы в некоторых регионах приведет к их опустыниванию (например, в Африке). 8. Распространение засухи от 5% в 1990-е годы до 50% к 2050-м годам вызовет ухудшение обеспечения населения продовольствием, особенно в густонаселенных регионах мира. 9. Потери урожая зерновых культур в некоторых областях Земли (в Южной Европе, на юге США, в Западной Австралии). 10. Потепление на 0,1-1,0°С за 10-летний период и засуха ограничат распространение лесов и приведут к замене 100- 200 млн га леса степными зонами. Произойдет сокращение территорий, занятых лесами. 11. Такое смещение географических зон растительности приведет к сокращению территорий, пригодных для жизни животных, т.е. произойдет обеднение земной фауны. Могут погибнуть не только отдельные виды животных, но исчезнуть целые генотипы. 12. Произойдет значительное сокращение видового многообразия растений и животных. 77 13. Появятся новые виды растений и животных, для которых эти условия будут более благоприятны. Среди растений - это сорняки, среди животных - вредители и паразиты садов и жилищ. Расширятся возможности распространения вредных насекомых и микробов-возбудителей болезней - за пределы тропической зоны на субтропическую и даже среднюю полосу с разрушительными последствиями для местных сельскохозяйственных культур. 14. Миграция людей из районов наводнения, засухи, обеднения флоры и фауны приведет к распространению эпидемий в лагерях и поселениях для беженцев. 15. Распространение болезней, характерных для жаркой зоны, в сторону северных широт; это может привести к заболеваемости большего числа людей. Наиболее сильному негативному воздействию подвергнутся жители крупных урбанизированных районов. Существует точка зрения, что парниковый эффект полезен, так как он будет способствовать расцвету сельского хозяйства, увеличению атмосферных осадков и т. п. Несомненно одно: последствия будут различным и в разных регионах мира. Для России положительным считают тот факт, что уже сейчас все реже наблюдаются продолжительные холодные зимы и среднегодовая температура возрастает. В этой связи потребность в топливе снижается. Негативными для России последствиями считают фактор, связанный с вечной мерзлотой, которая занимает 60 % ее территории. Потепление в регионе Сибири приведет к таянию льда, в результате чего могут разрушиться системы жизнеобеспечения (дороги, дома и т. п.), приспособленные к нынешнему климату. Более влажный климат проявится интенсификацией гидрологического цикла, увеличением осадков, стока рек, повышением уровня воды в водоемах. Так, например, повышение уровня воды в Каспийском море на 2,5 м (с 1978 по 1995 гг.) привело к крайне негативным последствиям для населения. Пока у человечества слишком мало энергетических и финансовых ресурсов, чтобы повлиять на процесс глобального потепления. Тема 7.5. История озоновой проблемы Вторая, не менее важная глобальная экологическая проблема — истощение озонового слоя. Озон жизненно необходим для человека и других живых существ, населяющих освещенную солнцем Землю, поскольку он определяет температурную стратификацию атмосферы и одновременно защищает от интенсивной ультрафиолетовой радиации. 78 Озоновый слой (озоносфера) располагается в стратосфере приполярных широт на высоте 10 км от поверхности Земли и на высоте до 50 км вблизи экватора. Большая часть озона находится в стратосфере между 15 и 25 км. Он является радиационно активной малой газовой составляющей и представляет собой продукт природных и антропогенных химических и фотохимических реакций в нижней и верхней атмосфере. Озон является важным парниковым газом. Озон представляет собой форму кислорода, которая содержит в молекуле три атома вместо обычных двух. Озон является сильным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца. Истощение озонового слоя приводит к усилению парникового эффекта, снижению урожайности, деградации почв, общему загрязнению окружающей среды и оказывает негативное воздействие на живые организмы. Количество озона над средними и полярными широтами непрерывно сокращается, особенно в зимне-весенние месяцы. Вопрос по поводу истощения озона возник после сообщения о том, что в южнополярной зоне над Антарктидой обнаружена озоновая дыра — область, где в весенние месяцы катастрофически убывает озон. Размеры дыры были сопоставимы с территорией США. Однако еще до этого, в конце 50-х гг., во время Международного геофизического года, озоновый слой привлек к себе внимание ученых. С тех пор проводятся его систематические исследования, что позволило многое узнать о естественной изменчивости, геофизическом распределении озонового слоя. В начале 1970-х годов было высказано несколько гипотез, согласно которым некоторые вещества - продукты деятельности человека, достигнув стратосферы, могут вызывать разложение озона. В 1970 г. немецкий ученый Пауль Крутцен предположил, что причиной разрушения озона является N2О - оксид диазота, который в атмосфере превращается в NО - оксид азота(II). Последний непосредственно участвует в реакции разрушения озона. В следующем 1971 г. Гарольд Джонстон высказал мысль, что оксиды азота, содержащиеся в выбросах реактивных двигателей сверхзвуковых самолетов, могут вызывать уменьшение количества озона в стратосфере. В декабре 1973 г. химики Шервуд Роуленд и Марио Молина высказали мнение, что хлорфторуглеродные соединения (ХФУ) могут постепенно достигать стратосферы и разрушать озоновый щит. В 1977 г. в рамках Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) была проведена Первая международная конференция по проблеме истощения озона. 79 С 1982 г. группа английских ученых под руководством Джо Фармана из Кембриджа проводила исследования содержания озона над Антарктидой и выявила тенденцию его к уменьшению. В 1985 г. участники международных переговоров в Вене подписали Венскую конвенцию об охране озонового слоя, призывающую страны к проведению дополнительных исследований и обмену информацией по сокращению озонового слоя. 16 сентября 1987 г. после Венской конференции подписан Монреальский протокол по веществам, устанавливает разрушающим графики озоновый поэтапного слой. сокращения Это международное производства и соглашение использования озоноразрушающих веществ (ОРВ). Протокол предусматривает сокращение выбросов фреонов: на 20% — в 1993 г. и еще на 30% — к 1998 г. Однако даже в случае полной ратификации протокола, которая пока не обеспечена даже главными странами ЕЭС, он охватит лишь 2/3 общемирового потребления фреонов. В дальнейшем подписан ряд международных соглашений, запрещающих производство хлорфторуглеводородов. Продолжительность жизни озона зависит от того, где он находится, но очень мала: от нескольких часов до нескольких месяцев. Время существования фреонов, напротив, велико и составляет десятки или даже сотни лет. Даже если поступление фреонов в атмосферу прекратится, восстановление озона займет десятки лет. Американские специалисты подсчитали, что если все страны будут придерживаться протоколов и к 2000 г. проникновение фреонов в атмосферу прекратится, то восстановления условий, которые имели место 30 лет назад, можно ожидать только к середине XXI века. День принятия Монреальского протокола - 16 сентября - по инициативе ЮНЕП с 1995 г. объявлен ООН Международным днем защиты озонового слоя. После открытия озоновой «дыры» над Антарктидой (1985 г.) исследования по содержанию озона продолжались. Они проводились не только в Южном, но и в Северном полушарии. В 1988г. появилось сообщение, что над Северным полушарием за период 19681986 гг. обнаружены потери от 1,7 до 3% озонового слоя. Было установлено наличие озоновой «дыры» и над Арктикой, однако меньшей по размерам, чем над Антарктидой. Выявленные озоновые «мини-дыры» особенно часто появлялись над европейским сектором Арктики и севером Европы и Атлантического океана Однако в отличие от Антарктиды эти «мини-дыры» были менее интенсивными, меньше по площади и смещались на значительные расстояния за недолгое время своего существования. 80 В июне 1990 г. в Лондоне представителями 92 государств (в том числе и нашей страны) было подписано дополнение к МП, предусматривающее полное прекращение производства ХФУ к 2000 г. Этот документ называют Лондонским протоколом. Ежегодно наша планета Земля теряет около 0,5% озонового слоя. За последние 10 15 лет его содержание уменьшилось примерно на 7%, и отмечается нарастающая интенсивность этого процесса. Наибольшие потери стратосферного озона раньше приходились на каждую антарктическую весну (октябрь), но сейчас и в северных широтах исчезает около 10% озона зимой и весной и около 5% летом и осенью. В первой половине 1997 г. возникла громадная по своим масштабам озоновая «дыра» площадью ~30 млн км2 над всей Арктикой, включая север Европы, Канады. Гренландию, Балтийское море, северные области Сибири вплоть до Урала и Байкала. Среднемесячное уменьшение озона весной достигало здесь 30-40%. Над Южным полушарием за 5 лет (1993-1998) «дыра» увеличилась в два раза, достигнув площади 22 млн км2. В 1996г. ученые Шервуд Роуленд, Марио Молина и Пауль Крутцен доказали, что основными разрушителями озона являются атомы хлора или брома, отделившиеся от молекул галогенированных углеводородов под действием солнечной радиации. Тема 7.6. Механизм образования и разрушения озона. Озоноразрушающие вещества. Существует тропосферный и стратосферный озон. Они отличаются как по механизму образования, так и по биологической роли. Тропосферный, или приземный, озон является вредным. Он относится к группе парниковых газов, участвует в образовании фотохимического смога, т.е. является загрязнителем тропосферы. Стратосферный озон полезен для жизни, его присутствие необходимо для защиты живых организмов от солнечной радиации. Согласно С. Чепмену, образование озона начинается с фотохимического разложения молекулярного кислорода на два свободных атома кислорода под действием коротковолнового УФ-излучения. За этим следует присоединение образующихся атомов к молекулам кислорода и образование двух молекул озона. 3О2 → 2О3. Основные разрушители озона ХФУ и галоны. Фреоны широко применяются в химии и быту: холодильниках, кондиционерах, аэрозольных упаковках. Сами по себе они не токсичны, но весьма стойки и рано или поздно за счет турбулентных движений воздуха попадают в стратосферу. Там, на высоте 20-25 км, где содержание озона максимальное, фреоны распадаются под действием солнечного ультрафиолета с образованием свободного хлора. Последний усиливает процесс естественного разрушения озона. Часто говорят, что одной молекулы хлора 81 достаточно, чтобы погубить 10 тыс. молекул озона. В качестве источников соединений хлора рассматривали также выбросы в результате вулканической деятельности, хотя многие считают их незначительными. Озоновая дыра является примером развития событий глобального масштаба, которые разыгрываются на значительном удалении от индустриальных выбросов и ответственных за это явление источников химического загрязнения. Исследования со спутников и самолетов показали, что над Антарктидой весной озон почти весь разрушается на уровнях 12-13 и 25 км. Механизм разрушения озона и образования озоновых дыр представляется следующим образом. Преобладание низких температур приводит к конденсации воды и азотной кислоты и образованию «полярных стратосферных облаков». Радикалы фреонов «примерзают» к ледяным облакам; весной, когда появляется солнце и ледяные облака нагреваются, фреоны отрываются и разрушают озон. Вследствие слабой циркуляции воздуха над Антарктидой (континент приподнят на 3-4 км по сравнению со средними широтами) образуются огромные озоновые дыры. Летом приток воздуха из средних и тропических широт восстанавливает содержание озона в атмосфере. Обоснованность всей цепочки событий, приводящей к активации хлора фреонов, подтверждена измерениями, которые показали значительное увеличение концентрации «хлорина» в нижней стратосфере в холодных регионах, совпадающее с быстрым уменьшением концентрации озона. Главной причиной истощения озонового слоя считают его химическое разрушение вследствие переноса «хлорина» из Арктики к залитому солнцем поясу между 60 и 45° северной широты, где температура стратосферы на 8-10° ниже нормы. Важны и другие природные процессы – затруднение переноса богатого озоном воздуха из экваториальной стратосферы. Чтобы оказаться на высоте 35 км, веществам требуется 15 лет. Отсюда следует, что влияние на озоновый слой могут оказать только такие вещества, время жизни которых в атмосфере превышает несколько десятков лет. Именно такими веществами являются фреоны. Время их жизни составляет 50 и более лет. Тема 7.7. Экологические последствия разрушения озона Защитная роль озонового слоя объясняется тем, что озон поглощает коротковолновое солнечное УФ-излучение совершенно в том же диапазоне длин волн, что и молекулы живых клеток. В результате биологически опасное УФ-излучение поглощается в атмосфере, не достигая поверхности Земли. Солнечное излучение с длиной волны меньше 200 нм хорошо поглощается молекулами кислорода, поэтому такое излучение не распространяется даже до нижних 82 слоев стратосферы. Излучение с длиной волны от 200 до 320 нм поглощается озоном, а больше 320 нм уже доходит до поверхности Земли. В ходе эволюции Земли живые существа смогли выйти из морей (также поглощающих УФ-излучение) на сушу только тогда, когда над Землей возникла первая озоновая оболочка. Растительность на суше появилась лишь чуть более 400 млн лет тому назад, когда содержание кислорода составило примерно 0,5, а озона - 0,7 современного уровня, что оказалось достаточным, чтобы защитить живые клетки от коротковолнового солнечного излучения. До этого момента жизнь развивалась исключительно в водной среде, которая и обеспечивала соответствующую защиту вместо озонового слоя. Таким образом, стратосферный озоновый слой следует рассматривать как необходимое условие существования па суше всего живого. В 1970-х годах было установлено, что озоновый слой истощается, следовательно, он перестает в полной мере выполнять свою защитную функцию. Уменьшение содержания озона позволяет большему количеству УФ-лучей достигать поверхности Земли, что является вредным для живых организмов. Рассмотрим возможные экологические последствия разрушения озонового слоя. Потеря озона в стратосфере с одновременным увеличением его в тропосфере может привести к изменению климата. Разрушение озона вызывает снижение температуры в стратосфере и разогревание тропосферы, так как все большее количество УФ-лучей проникает в нее. Вспомним также, что 03 относится к парниковым газам и его образование в тропосфере происходит при загрязнении ее оксидами азота и углеводородами, что ведет к повышению температуры. Кроме того, хлорфторуглероды, являясь парниковыми газами, также поглощают ИК-излучение и тем самым участвуют в создании парникового эффекта. Таким образом, перераспределение озона между тропосферой и стратосферой будет сопровождаться климатическими изменениями. Усиление УФ-облучения оказывает вредное воздействие на здоровье человека. Известно, что даже при небольшом повышении дозы УФ-облучения у человека появляются ожоги на коже. Солнечная радиация способствует также старению кожи. Усиление УФоблучения вызывает увеличение заболеваемости раком кожи. Ученые полагают, что уменьшение озонового слоя на 1% приводит к 2%-му усилению УФ-радиации и к 2-5%-му увеличению числа случаев рака кожи. Ультрафиолетовые лучи оказывают также вредное действие на глаза, в том числе на роговую оболочку, приводя к катарактам и старческому ослаблению зрения. 83 Биологическое действие УФ-радиации обусловлено высокой чувствительностью нуклеиновых кислот, которые могут разрушаться, что приводит к гибели клеток или возникновению мутаций. Сильное УФ-облучение способно повредить молекулы ДНК. Воздействие УФ-излучения на живую клетку преимущественно связано именно с повреждением ДНК. Нуклеиновые кислоты, образующие молекулы ДНК, поглощают УФизлучение гораздо сильнее, чем молекулы белков, образующих клетку. Максимум поглощения УФ-излучения (254 нм) для озонового слоя очень близок к таковому для ДНК (260 нм). УФ-облучение вызывает ослабление иммунной системы человека. Полагают, что заболевания типа герпеса и тропической лихорадки вызваны УФ-облученисм. Изменение в иммунной системе может повлиять на число случаев некоторых инфекционных заболеваний. Возросшее УФ-излучение оказывает вредное воздействие на растения и животных. Облучение ультрафиолетом приводит к уменьшению площади поверхности листьев, высоты растений и интенсивности фотосинтеза. УФ-облучение ухудшает качество семян и понижает сопротивляемость вида к вредителям и болезням, оно влияет также на глубину укоренения растений и способствует тому, что сорняки отнимают у культурных растений воду и питательные вещества. Усиление УФ-облучения нанесет вред обитателям водных экосистем. Эксперименты показали, что облучение вредно для мальков рыб и другой водоплавающей молоди и тем самым существенно влияет на пищевую цепь водоемов. Одноклеточные и микроорганизмы подвержены опасности в большей степени, чем крупные живые организмы, потому что УФ-облучение проникает только в поверхностные слои клеток. Так, 5%-ое увеличение УФ-радиации может наполовину сократить время жизни некоторых микроорганизмов. Согласно полученным оценкам 25%-ая потеря озона может вызвать 35%-ое уменьшение количества фитопланктона. Такой эффект будет иметь катастрофические последствия для мирового рыболовства. Хотя УФ-излучение проникает вглубь океана только на несколько метров, но это тот самый слой, где живет большая часть морских микроорганизмов. Небольшие плавучие растения и животные очень чувствительны к УФ-радиации, они же являются основой большинства пищевых цепей в океане. В заключение следует отметить, что УФ-облучение оказывает воздействие и на строительные материалы. Усиление ультрафиолета приводит к более быстрому выцветанию красок и растрескиванию полимерных материалов, на восстановление 84 которых потребуются дополнительные финансовые расходы. А это уже экономический ущерб. Тема 7.8. Тропосферный озон. Основная часть общего содержания озона — около 90%, приходится на стратосферу и только 1% на тропосферу. Тропосферный озон долгое время не привлекал к себе пристального внимания. Интенсивные исследования начались в 70-е гг., но лишь в конце 80-х гг. на эту проблему обратили внимание. Благодаря исследованиям, проведенным в США и Западной Европе, накоплены убедительные данные о негативном влиянии озона на наземные растения. Эти влияния довольно существенны, поскольку приводят к потере урожаев сельскохозяйственных культур. Озон образуется в атмосфере в результате сложной системы реакций (их более ста), многие из которых являются фотохимическими, т.е. проходят при участии ультрафиолетового излучения Солнца. В эту систему реакций вовлечены кислород, оксиды углерода и азота, метан, летучие органические соединения (ЛОС), в том числе алканы, бензпирен и другие углеводороды. Источником поступления озона в тропосферу является также атмосферный перенос из стратосферы, который наиболее интенсивно происходит в весенне-летний период. Оксиды азота и ЛОС, участвующие в образовании приземного озона, могут быть как природными, так и антропогенными. ЛОС в основном имеют антропогенный характер, причем роль автотранспорта в их выбросах в атмосферу очень велика. Оксиды азота, выбрасываются в атмосферу вследствие работы теплоэлектростанций; значительный выброс также приходится на долю автотранспорта, особенно в городах. Оксиды азота довольно устойчивы и переносятся с воздушными массами на большие расстояния (порядка 1000 км). Тенденцию к увеличению концентраций приземного озона объясняют антропогенными причинами — развитием теплоэнергетики, транспорта, химической промышленности и т.д., что вызывает рост эмиссии в атмосферу некоторых химических предшественников озона, в основном оксидов азота, ЛОС, метана, оксида углерода. Механизм негативного влияния приземного озона на растения довольно сложен. В результате исследований установлено, что он проникает через клеточную стенку в цитоплазму, вызывает нарушение целостности и проницаемости клеточных мембран, изменение мембранного потенциала и рН, частичное ингибирование мембранного транспорта и влияния на активность ферментов. В итоге снижается скорость роста растений и накопление биомассы. 85 Повышенные концентрации озона могут негативно влиять на здоровье человека. Сравнение с негативным влиянием диоксида серы на растения показало, что оно значительно менее региональному существенно масштабу, тогда и, как по мнению влияние специалистов, тропосферного соответствуют озона является континентальной проблемой для Европы. Тема 7.9. Антропогенное воздействие на ближний космос. Озоновый слой — малая составляющая часть ближнего космоса, или, как его называют специалисты, околоземного космического пространства (ОКП). ОКП представляет собой внешнюю газовую оболочку, окружающую Землю. ОКП защищает все живое от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца; оно играет важную роль в сложных солнечно-земных взаимосвязях, от которых зависят условия жизни на Земле. Особенность исследований в области ОКП обусловлена тем, что они требуют использования мощных и дорогостоящих технических средств — космических ракет. Эта среда уязвимее, чем другие среды, так как количество вещества в ней значительно меньше и энергетика процессов гораздо слабее, чем в приземной атмосфере, а тем более гидро- и литосфере. Эти два главные обстоятельства определяют опасность антропогенного воздействия на ОКП. Кроме угрозы изменений этой природной среды, есть и другие негативные последствия деятельности человека в космосе. К настоящему времени бесконтрольное использование ОКП привело к его загрязнению огромным количеством (более 3000 т) мусора, состоящего из фрагментов используемых технических средств. Фрагменты космического мусора накапливаются на высотах более 400 км. Однако существует большое количество мелких осколков (менее 10 см), поток которых на много порядков превышает поток естественных метеорных тел. Согласно прогнозам, при нынешних темпах загрязнения суммарное количество твердых частиц размером более 1 см вырастет за 100 лет в 2 с лишним раза. Выделяют следующие виды воздействия человека на ОКП: —выброс химических веществ в результате работы ракетных двигателей; —энергетические и динамические возмущения вследствие полетов ракет; —загрязнение твердыми фрагментами, космическим мусором (отработавшими спутниками, элементами стыковочных узлов, разгонными блоками и т. п.); —электромагнитное излучение радиопередающих и других промышленных систем; —проникновение загрязняющих веществ из приземной атмосферы; 86 —радиоактивное загрязнение и жесткое излучение от ядерных энергетических установок, используемых на космических аппаратах. Наиболее опасным с точки зрения изменения свойств ОКП считают выброс химических веществ. В основном это газообразные продукты, имеющие высокую температуру и скорость вблизи сопла ракеты, поэтому происходит быстрое гидродинамическое расширение массы выбрасываемого газа с его последующим охлаждением до уравнивания температуры с окружающей средой. Вследствие этих процессов в верхней атмосфере вдоль всей траектории полета ракеты формируется газовое облако сложного химического состава, компоненты которого взаимодействуют с компонентами верхней атмосферы и ионосферы. Основные продукты выброса ракет — вода и диоксид углерода. Молекулы воды и диоксида углерода, которые выбрасываются в верхнюю атмосферу при работе ракетных двигателей, активно взаимодействуют с ионами кислорода ионосферы, причем их преобразование происходит гораздо быстрее, чем в естественных условиях. Вследствие этого резко возрастает скорость рекомбинации ионосферной плазмы и падает концентрация заряженных частиц, т. е. образуются так называемые ионосферные дыры. Диоксид углерода, который распространяется на сотни километров от траектории ракеты, как известно, играет важнейшую роль в тепловом балансе термосферы. Можно сказать, что этот баланс устанавливается в результате нагрева УФ-излучением и охлаждения ИК-излучением, значительная часть которого обусловлена молекулами диоксида углерода. Хотя все возможные последствия изменений концентрации диоксида углерода под влиянием антропогенного воздействия трудно прогнозировать, совершенно ясно, что естественные процессы в термосфере будут нарушены. Исследование влияния полетов ракет на озоновый слой показало, что при ежемесячных пусках «Шаттла» (что примерно соответствует существующему сейчас режиму) в течение 4-х лет общее содержание озона снизится на 0,3 % для средних широт и на 0,4 — 0,6 % для высоких. Запуски ракет «Шаттл» и «Энергия» могут вызвать глобальное уменьшение озона, сравнимое с долголетними изменениями. Радиоактивное загрязнение ОКП, возникающее вследствие использования ядерных энергетических установок на космических аппаратах, также не представляет угрозы для этой среды. Тем не менее неизбежно будет происходить осаждение радиоактивных веществ из ближнего космоса в приземную атмосферу и далее на поверхность Земли. Специалисты считают, что сохранение ОКП как внешней защитной оболочки Земли возможно только при ограничении числа пусков ракет и принципиального изменения 87 технических средств и методов выведения космических аппаратов на орбиту. В противном случае ОКП может оказаться полностью разрушенной. В Российской Федерации мониторинг состояния загрязнения ОКП осуществляется Гидрометеорологической службой. Обязательная литература: 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. с. 367-368, 560-562. 2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 7-е. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004. –с. 297-299. 3. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учебное пособие. – М.: «Издательство ПРИОР», 2000. с. 85-102. 4. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. с. 93-97. 5. Рязанцева А.В., Лукашина Г.В. Глобальное изменение климата: Учебнометодическое пособие. – М.: МГИУ, 2008. с. 5-27 Дополнительная литература: 1. Войткевич Г.В., Вронский В.А. Основы учения о биосфере. Учебное пособие для студентов вузов. Ростов-на-Дону, Издательство «Феникс», 1996. с.378-381. 2. Общая биология: Учеб. для 10-11кл. общеобразоват. учреждений/ Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2001. с.274-276. 3. Хрусталев Ю.П., Берликов Г.М., Хулхачиев Б.С. Эколого-географический словарь-справочник. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2002. с. 117. Контрольные вопросы 1. Кто из ученых и когда первым исследовал физическую природу парникового эффекта и предположил, что при увеличении концентрации углекислого газа в атмосфере произойдет повышение температуры? 2. Где и когда была принята Конвенция об изменении климата и подписан Протокол Киото? О чем эти документы? 3. Объясните природу парникового эффекта. 4. Назовите основные парниковые газы и их источники. Какова доля их влияния на глобальное потепление? 5. На сколько градусов повысилась средняя глобальная температура нашей планеты в XX в.? Назовите признаки парникового эффекта в XX в. 88 Какое влияние окажет повышение среднепланетной температуры Земли на 6. концентрацию СО2, СН4 и водяных паров? Приведите примеры так называемых положительных обратных связей. 7. Назовите основные пути решения проблемы глобального потепления климата. 8. В каком слое атмосферы Земли находится озоновый слой? На какой высоте концентрация озона максимальна? 9. Когда возникла проблема истощения озонового слоя? 10. Что такое озоновые «дыры» и когда они были обнаружены над Антарктидой и Арктикой? 11. Какие важные международные документы по охране озонового слоя и сокращению производства озоноразрушающих веществ были подписаны в 1985 и 1987 гг ? 12. С какой скоростью происходит понижение глобального среднегодового общего содержания стратосферного озона (ОСО)? 13. В каких регионах России чаще отмечалось понижение содержания озона в последнее 10-летие XX в.? 14. Какие естественные и антропогенные факторы влияют на содержание озона в стратосфере? 15. Чем различается тропосферный и стратосферный озон? Почему тропосферный озон является вредным газом, а стратосферный — полезным? 16. Назовите основные озоноразрушающие вещества (ОРВ). 17. Какова экологическая роль озонового слоя Земли и чем она обусловлена? Лекция 8. Проблема загрязнения окружающей среды. Тема 8.1. Загрязнение окружающей среды. Виды загрязнений. Тема 8.2. Основные группы загрязняющих веществ. Тема 8.1. Загрязнение окружающей среды. Виды загрязнений. Обострение глобальной экологической ситуации: потепление, разрушение озонового слоя атмосферы, опустынивание — является результатом ухудшения экологической обстановки в конкретных странах и регионах мира, где наиболее интенсивно загрязнение окружающей среды. Особенно сильно загрязнены воздушная и водная среды. Согласно принятому ООН определению, под загрязнением понимают экзогенные химические вещества, встречающиеся в ненадлежащем месте, в ненадлежащее время и в ненадлежащем количестве. 89 Загрязнением называют поступление в окружающую природную среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем. По объектам загрязнения различают загрязнение поверхностных и подземных вод, загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение почв и т. д. В последние годы актуальными стали и проблемы, связанные с загрязнением околоземного космического пространства. Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опасного для популяций любых организмов, являются промышленные предприятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные, строительных материалов и др.), теплоэнергетика, транспорт, сельскохозяйственное производство и другие технологии. Под влиянием урбанизации в наибольшей степени загрязнены территории крупных городов и промышленных агломераций. Природными загрязнителями могут быть пыльные бури, вулканический пепел, селевые потоки и др. По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение. По своим масштабам и распространению загрязнение может быть локальным (местным), региональным и глобальным. Физическим загрязнением называют загрязнения, возникающие с изменением физических параметров среды: тепловых, световых, электромагнитных, акустических, радиационных и др. Примером может служить тепловое загрязнение, которое является результатом повышения температуры среды в связи с промышленными выбросами теплой воды, потоков нагретого воздуха, дымов, газов. Тепловое воздействие может быть вторичным как результат изменения химического состава среды (парниковый эффект), который возникает в результате антропогенного загрязнения воздуха углекислым газом, метаном, фтор-хлоруглеродами, которые пропускают солнечные лучи, но задерживают тепловое излучение поверхности Земли, тем самым вызывая повышение температуры атмосферы. Тепловое загрязнение водоемов приводит к последовательной смене видового состава и нарушению формирования сообществ водорослей. Развитие промышленности приводит к акустическому загрязнению среды в виде повышения естественного уровня шума и отклонения от нормального состояния звуковых характеристик (силы звука, периодичности). Практически любые звуки, возникающие не из природных источников и к которым живые организмы не адаптированы в течение эволюции, рассматриваются как антропогенное шумовое загрязнение. 90 Шум как беспорядочное сочетание звуков различной частоты и силы отрицательно воздействует на любые живые организмы, но в наибольшей степени на человека, вызывая повышенную утомляемость, снижение умственной активности, производительности труда, вызывает соматические и психические заболевания. Различают, радиационное и радиоактивное загрязнение окружающей среды. Радиационное возникает в результате действия ионизирующей радиации (излучения), а радиоактивное — в результате превышения уровня естественного содержания радиоактивных веществ в окружающей среде. Радиационное и радиоактивное загрязнения вызывают превышение радиационного фона Земли, к которому все живые организмы адаптированы в ходе эволюции. Радиоактивное и радиационное загрязнения строго регламентируются. Превышение нормативов может вызвать серьезные изменения в окружающей среде и в организме человека. Мутагенный эффект, вызываемый радиацией, является наиболее опасным последствием этого вида загрязнения. Мутации передаются в поколениях и могут вызывать стойкие изменения в биосфере. В эпоху научнотехнического прогресса появляются новые виды загрязнений, в частности электромагнитное. Этот вид загрязнения, возникающий в результате действия линий передач, радио, телевидения, средств коммуникаций, работы промышленных установок, вызывает изменения клеточных мембран и действует на молекулярном уровне, вызывая изменения деятельности живых организмов в целом. Химическое загрязнение проявляется в изменении химических свойств среды, когда содержание какого-то химического элемента или вещества превышает средние многолетние колебания. Особенно опасны выбросы промышленных предприятий, содержащие двуокись серы и продукты ее превращений, окислы азота и продукты их превращений, что ведет к выпадению кислотных дождей; значительных размеров достигают выбросы в окружающую среду серы, тяжелых металлов, особенно, ртути; летучей золы с частицами недогоревшего топлива, оксидов азота, фтористых соединений, продуктов неполного сгорания топлива. По экспертным оценкам преобладающее влияние на химическое загрязнение окружающей среды оказывает автотранспорт, самым опасным среди выбросов которого являются соединения свинца, в частности, тетраэтилсвинец, угарный газ, углеводороды. Среди более чем 7000 химических соединений, загрязняющих окружающую среду в результате деятельности человека, различают по действию на организм общетоксические и специфические (аллергенные, канцерогенные, мутагенные, эмбрио- и гонадотоксические и др.) вещества. Среди них выделяют как наиболее опасные семь групп веществ: двуокись азота в воздухе, бензол в воздухе, пестициды в воде, нитраты в 91 воде, диоксины в пищевых продуктах и в почве, полихлорированные дифенины в пищевых продуктах, соляная кислота в почве. Количество вредных веществ и их соединений постоянно растет. Отходы производства вводят в окружающую среду вещества, которые отравляют воздух, воду, почву, продукты питания. Тонкая пленка нефти от потерь при транспортировке, аварий и сбросов, содержащих нефтепродукты, покрывает водные поверхности и вызывает гибель планктона, загрязняет биогеоценозы, нарушает газообмен между атмосферой и гидросферой. Биологическое загрязнение окружающей среды подразделяется на биотическое (биогенное) и микробиологическое (микробное). К биотическому загрязнению относят распространение в окружающей среде биогенных веществ — выделений сельскохозяйственных животных с ферм и индивидуальных хозяйств, выбросов предприятий, производящих определенные виды продовольствия (мясокомбинатов, молокозаводов, пивзаводов), предприятий, производящих антибиотики, а также загрязнение трупами животных. Биотическое загрязнение может привести и зачастую приводит к нарушению процессов самоочищения воды и почвы, вторгаясь в естественный круговорот веществ. Микробное загрязнение возникает вследствие массового размножения микроорганизмов в антропогенных субстратах или в средах, измененных в ходе хозяйственной деятельности человека. В результате изменения субстратов ранее безвредные микроорганизмы могут приобретать патогенные свойства или способность подавлять другие микроорганизмы в сообществах. Кроме того, все загрязнения в зависимости от масштабов можно разделить на глобальные, региональные и локальные. Глобальные загрязнения называют также фоново-биосферными. Они обнаруживаются в любой точке планеты, зачастую на значительном расстоянии от источников. Чаще всего эти загрязнения являются антропогенными и связаны с глобальным влиянием человечества как экологического фактора. Например, ДДТ обнаруживается в организме пингвинов в Антарктиде, где никогда инсектицид не применялся. Региональное загрязнение — это такое привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических и информационных агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня концентраций перечисленных агентов в среде, обнаруживаемое в пределах значительных пространств, но не охватывающее всю планету. 92 Локальным называют загрязнение небольшого региона, как правило, вокруг населенного пункта, промышленного предприятия, автотранспортного предприятия, шахты и т.д. В результате вывода в околоземное и космическое пространство объектов со случайными орбитами и общего засорения этого пространства космическими объектами возникает загрязнение космоса. Наблюдались случаи разрушения ядерных реакторов, находящихся на орбитах, что приводит к радиоактивному загрязнению космоса. Различают также загрязнения оболочек биосферы — атмосферы, гидросферы, почвы, подземных вод, Мирового океана Под видами загрязнений понимают также любые нежелательные для экосистем антропогенные изменения: 1. ингредиентное (минеральное и органическое) загрязнение как совокупность веществ, чуждых естественным биогеоценозам (например, бытовые стоки, ядохимикаты, продукты сгорания и т. д); 2. параметрическое загрязнение, связанное с изменениями качественных параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное, электромагнитное); 3. биоценотическое загрязнение, вызывающее нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и акклиматизация видов и т. д.); 4. стациально-деструкционное загрязнение (стация — место обитания популяции, деструкция - разрушение), связанное с нарушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (зарегулирование водотоков, урбанизация, вырубка лесных насаждений и пр.). Современное состояние планеты Земля оценивается как глобальный экологический кризис. Особенно возросли темпы роста ингредиентных и параметрических загрязнителей, причем не только в количественном, но и в качественном отношении. Негативные тенденции этих воздействий на человека и биоту носят не только выраженный локальный, но и глобальный характер. Тема 8.2. Основные группы загрязняющих веществ. Антропогенные химические вещества попадают в окружающую среду различными путями. Человек использует около 70 тыс. веществ, к которым ежегодно добавляется 500 1000 новых наименований. Жидкие отходы сбрасываются в поверхностные и подземные водные объекты, твердые — складируются на специальных площадках или захороняются в толще земли, в сельском хозяйстве применяются удобрения и ядохимикаты (пестициды). 93 Особую опасность представляют пестициды, судьба которых и поведение в окружающей среде требуют длительного изучения. Некоторые хлорорганические пестициды, в частности ДДТ, уже давно (с 1971 г.) запрещены для использования в сельском хозяйстве, но продолжают обнаруживаться в почве и в воде при химическом анализе. Синтезируются новые вещества, которые не встречаются в природе и почти не поддаются разложению живыми организмами. Их называют ксенобиотиками. К ним, например, относятся пластмассы. По приблизительным данным, в океане плавает 35 млн пластиковых бутылок, полиэтиленовых пакетов, стоят брошенные нейлоновые рыболовные сети. Приоритетными загрязняющими веществами для различных сред считают тяжелые металлы. Высокий уровень загрязнения водной среды металлами регистрируют в основном в прибрежных районах и внутренних морях. Источниками загрязнения являются речные выносы, промышленные и бытовые стоки. Некоторые экологически опасные металлы, например ртуть, свинец, кадмий, переносятся с атмосферными потоками и попадают в моря. Металлы ассоциируют со взвешенными частицами и оседают на дно моря. В донных отложениях ртуть, в частности, под воздействием микроорганизмов переходит в метилированную форму (моно- и диметилртуть), которая высокотоксична. Монометилртуть аккумулируется в теле рыб и донных животных; употребление в пищу таких морепродуктов вызывает у людей заболевания. «Приоритет», как в локальном, так и в глобальном масштабе, ученые отдают следующим загрязняющим веществам: —диоксиду серы (с учетом эффекта вымывания диоксида серы из атмосферы и попадания образующихся серной кислоты и сульфатов на растительность, почву и в водоемы); —тяжелым металлам: в первую очередь свинцу, кадмию и особенно ртути (с учетом цепочек ее миграции и превращения в высокотоксичную метилртуть); —некоторым канцерогенным веществам, в частности бенз(а)пирену; —нефти и нефтепродуктам в морях и океанах; —хлорорганическим пестицидам (в сельских районах); —оксиду углерода и оксидам азота (в городах). Этот перечень должен быть дополнен радионуклидами и другими радиоактивными веществами, пагубные последствия которых для человеческой популяции и экосистем в 94 полной мере проявились после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки (Япония) и аварии на Чернобыльской АЭС. Следует упомянуть и диоксины - весьма опасное загрязняющее вещество из класса хлоруглеводородов. 23 мая 2001 г. в Стокгольме была принята Конвенция по стойким органическим загрязнениям (СОЗ), которая обязывает правительства ликвидировать 12 стойких канцерогенных и токсичных загрязнений, а именно: алдрин, гептахлор, ДДТ, диэлдрин, эндрин, хлордан, мирекс, токсафен, гексахлорбензол по-лихлорированные бифенелы, диоксины и фураны. Конвенцию подписали около 100 стран мира. Обязательная литература 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. с. 192-203. 2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 7-е. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004. –с. 374-388. 3. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учебное пособие. – М.: «Издательство ПРИОР», 2000. с. 109-112. 4. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. с. 104-106. Дополнительная литература 1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия: Учебник. – М.: Логос, 2000. с. 507508. 2. Барабанов В.Ф. Геохимия: Учебник для вузов. – Л.: Недра, 1985. с. 397-407. 3. Карлович И.А. Геоэкология: Учебник для высшей школы. – М.: Академический Проект: Альма-Матер, 2005. с. 132-171. 4. Никаноров А.М. Гидрохимия: Учебник. – изд. 3-е, дополненное. – Ростов/Д: «НОК», 2008. с. 405-410. 5. Овчинников Л.Н. Прикладная геохимия. – М.: Недра, 1990. с. 228-244. 6. Одум Ю. Экология: В 2-х томах. Том 1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. с. 316-325. 7. Перельман А.И. Геохимия. 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Высшая школа, 1989. с.338-355. 8. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. – М.: Недра, 1990. с. 14-16. 9. Справочник по геохимии/ Войткевич Г.В., Конин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. – М.: Недра, 1990. с. 210-217, 232-233. Контрольные вопросы: 95 1.Что такое «загрязнение окружающей среды»? 2.Какие виды загрязнения вы знаете? 3.Какие основные источники техногенных веществ вы знаете? 4.Каким образом жилищно-коммунальное хозяйство воздействует на окружающую среду? 5.Чем опасно чрезмерное использование удобрений сельским хозяйством? ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ №2 Тест содержит 6 заданий, на выполнение которых отводится 8 минут. Выберите наиболее правильный, по Вашему мнению, вариант ответа и отметьте его любым значком в бланке ответов. 1. В каком году был образован Римский клуб? 1) 1858 3) 1868 2) 1958 4) 1968 2. Назовите наиболее распространенный парниковый газ. 1) CO2 3) CH4 4) фенолы 2) Пары воды 3. Где расположена самая большая озоновая дыра? 1) Северная Америка 3) Австралия 2) Арктика 4) Антарктика 4. Химические вещества, употребляемые для уничтожения нежелательной древесной и кустарниковой растительности – это… 1) фунгициды 3) арборициды 2) инсектициды 4) нематоциды 5. К какому виду относится загрязнение, связанное с нарушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования? 1) ингредиентное 3) биоценотическое 2) параметрическое 4) стациально-деструкционное 6. При каком рН дождь можно считать кислотным? 1) 10,2 3) 7,0 2) 5,3 Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 3 4 5 6 МОДУЛЬ № 3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ Комплексная цель – получить представление о окружающей среды в Российской Федерации. Проектное задание – знать и изучить: уровни контроля за состоянием окружающей среды; предельно-допустимые концентрации. структуре мониторинга 96 Лекция 9. Мониторинг и контроль загрязнения в Российской Федерации. Тема 9.1. Глобальная система мониторинга окружающей среды. Тема 9.2. Критерии оценки качества окружающей среды. Тема 9.3. Мониторинг загрязнения окружающей природной среды (атмосферного воздуха, поверхностных вод суши, морей, почв, комплексные обследования загрязненности природных сред). 9.1. Глобальная система мониторинга окружающей среды. Контроль за состоянием природной среды осуществляют на нескольких уровнях: 1. Государственный контроль (система ГСН); 2. Ведомственный (министерства и ведомства на своих предприятиях); 3. Производственный. Наиболее широко система контроля проводится на государственном уровне Росгидрометом и Министерством природных ресурсов России (МПР). Мониторинг состояния природной среды и ее загрязнения осуществляет следующие виды деятельности: 1. Наблюдение за состоянием природной среды, за факторами воздействия; 2. Оценку фактического состояния природной среды и факторов воздействия; 3. Прогноз состояния окружающей среды. В мониторинг не входит управление состоянием природной среды – это МПР. Эти функции осуществляют ведомства на основе информации о состоянии природной среды. В структурном отношении ГСН за уровнем загрязнения состоит из следующих подсистем (их 6): 1. Мониторинг источников загрязнения (в основном МПР и ведомства); 2. Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха (в том числе трансграничный перенос загрязняющих веществ); 3. Мониторинг загрязнения вод суши; 4. Мониторинг загрязнения морей; 5. Мониторинг загрязнения почв; 6. Фоновый мониторинг (биосферные заповедники, базовые и региональные станции). 9.2. Критерии оценки качества окружающей среды. Наиболее распространенный показатель – ПДК. ПДК – это такая концентрация химического соединения, которая при единственном воздействии на организм человека в течение длительного времени не вызывает какихлибо патологических изменений или заболеваний, обнаруживаемых современными 97 методами, а также не нарушает биологического оптимума для человека (неприятный запах воздуха или воды). В настоящее время ПДК установлены для более 150 веществ и 20 их соединений в атмосферном воздухе, 1072 вещества в воде рыбохозяйственного значения и около 40 веществ в морской воде. Перечень веществ (ПДК) постоянно расширяется. Система ПДК имеет недостатки: Единые для всей территории страны (не учитывают особенностей экосистем водоемов и гидрологических фаз); Не учитывают вредного воздействия одновременного присутствия нескольких веществ; Не учитывает особенностей внутриводоемных процессов и, в частности, роли донных отложений в миграции и трансформации загрязняющих веществ. Перспективы с разработкой ПДЭН (экологические ПДК). Принципиально важно – есть вещества, для которых ПДК не должны устанавливаться. Это особо опасные соединения, которые в природе не встречаются (диоксины, некоторые пестициды и др.). Они не должны нормироваться и их попадание в окружающую среду должно быть полностью исключено. 9.3. Мониторинг загрязнения окружающей природной среды. Рассмотрим кратко виды мониторинга. Мониторинг источников загрязнения – это составная часть системы мониторинга окружающей среды. Он важен для ограничения поступления загрязняющих веществ от стационарных (заводы, фабрики, очистные сооружения городов) и не стационарные (автотранспорт) источников загрязнения. Особо трудная задача – изучение не точечных (рассеянных) источников (сельское хозяйство, атмосферные выпадения). Для ограничения поступления загрязняющих веществ из источников для них устанавливаются ПДВ (предельно-допустимые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу) и ПДС (предельно-допустимые сбросы загрязняющих веществ в гидросферу), которые контролируются органами Министерства природных ресурсов (областные, республиканские, городские). За превышение норм ПДВ устанавливаются штрафы. Мониторинг загрязнения воздуха включает 3 категории пунктов: 1. Стационарные посты для систематических и длительных наблюдений за вредными веществами; 2. Маршрутные посты (передвижные лаборатории) для постоянных наблюдений в определенных пунктах; 98 3. Передвижные (подфакельные) посты для разовых наблюдений за дымами и факелами. Определяются: пыль, сажа, SO, CO, NO2. Мониторинг загрязнения вод суши осуществляется на более чем 2000пунктах и ~1000 вредных объектах России. Все пункты делятся на 4 категории: 1-я категория – водные объекты, имеющие особо важное значение (крупные города, места сброса сточных вод, нерестилища ценных пород рыб); 2-я категория – водные объекты в промышленных городах и поселках, где вода используется для питьевых и хозяйственных целей и в местах массового отдыха населения: - в местах сброса коллекторно-дренажных вод сельского хозяйства; -в пограничных створах рек и замыкающих створах больших и средних рек. 3-я категория – на водных объектах относительно чистых в небольших городах и поселках и в местах сброса вод с сельскохозяйственных угодий; 4-я категория – фоновые участки водных объектов (в том числе заповедники). Программы наблюдения разные. В целом определяется более 100 показателей химического состава вод и загрязняющего вещества и биологические параметры. Публикуются «Ежегодники» качества вод и Обзоры за 5-10 лет. Мониторинг загрязнения почв. Почвы делятся на 2 категории: 1. Почвы сельхозрайонов (пестициды, минеральные вещества); 2. Почвы вокруг промышленных объектов (тяжелые металлы, бензпирен, полихлорбифенилы (ПХБ)) Мониторинг загрязнения морей осуществляется на пунктах трех категорий: 1-я категория – морские станции в местах наибольшего загрязнения (устья рек, порты, нефтеналивные базы, зоны отдыха); 2-я категория – те же места, что и в пунктах 1-й категории, но наблюдаются по сокращенной программе; 3-я категория – фоновые наблюдения. Фоновый мониторинг (биосферные заповедники). Мониторинг осуществляется по программе ГСМОС во всех средах (воздух, вода, почва) по химическим и биологическим показателям. Экологический мониторинг – относительно новый вид мониторинга, как развитие мониторинга загрязнения. Это комплексный мониторинг, который осуществляют все 99 министерства и ведомства. Материалы публикуются ежегодно (с 2000г. – экологический мониторинг должно проводить МПР). В 1992г. Постановление ЕГСЭМ. При осуществлении всех видов мониторинга составляются специальные карты загрязнения. Публикуются – экологические атласы – как собрание специальных карт и пояснительная записка. Один из примеров - Экологический атлас Ростовской области. Обязательная литература 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. с. 302-304. 2. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. с. 173-194. Дополнительная литература 1. Алексенко В.А. Экологическая геохимия: Учебник. – М.: Логос, 2000. с. 515528. 2. Никаноров А.М. Гидрохимия: Учебник. – изд. 3-е, дополненное. – Ростов/Д: «НОК», 2008. с. 311-324, 411-430. 3. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. – М.: Недра, 1990. с. 195-242. 4. Справочник по геохимии/ Войткевич Г.В., Конин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. – М.: Недра, 1990. с. 108-123, 233-237. Контрольные вопросы: 1. Что такое ПДК, ПДВ и ПДС? 2. Что можно отнести к недостаткам системы ПДК? 3. Какие виды мониторинга существуют в РФ? 4. Приведите примеры стационарных и нестационарных источников загрязнения. 5. Что такое «экологический мониторинг»? ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ №3 Тест содержит 5 заданий, на выполнение которых отводится 6 минут. Выберите наиболее правильный, по Вашему мнению, вариант ответа и отметьте его любым значком в бланке ответов. 1. В какой среде осуществляется фоновый мониторинг? 1) воздушной 3) почвенной 100 2) водной 4) во всех средах 2. В каких единицах выражается предельно-допустимые концентрации воды? 3) мкг/м3 1) мкг/л 2) мкг/л 3. Что не входит в комплексную систему мониторинга? 1) оценка 3) прогноз 4) наблюдение 2) решение 4. Какие нормативы в настоящее время являются главными нормативами качества окружающей среды? 1) ОБУВ 3) ПДВ 4) ПДС 2) ПДК 5. Для какого вида водопользования установлены наиболее жесткие нормативы ПДК? 1) Хозяйственно-питьевого 3) рыбохозяйственного 2) Коммунально-бытового Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 3 4 5 101 ЛИТЕРАТУРА Обязательная литература: 1. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. Изд. 2-е, Ростов н/Д: Феникс, 2002. 2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 7-е. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004. 3. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учебное пособие. – М.: «Издательство ПРИОР», 2000. 4. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: «Издательство ПРИОР», 1999. 5. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. 6. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т. 2. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. 7. Рязанцева А.В., Лукашина Г.В. Глобальное изменение климата: Учебнометодическое пособие. – М.: МГИУ, 2008. Дополнительная: 1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия: Учебник. – М.: Логос, 2000. 2. Барабанов В.Ф. Геохимия: Учебник для вузов. – Л.: Недра, 1985. 3. Бессонов О.А. Геохимическая история углерода в биосфере. – Ростов-на-Дону: МП Книга, 1996. 4. Беус А.А., Грабовская Л.И., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды. - М.: Недра, 1976. 5. Войткевич Г.В., Вронский В.А. Основы учения о биосфере. Учебное пособие для студентов вузов. Ростов-на-Дону, Издательство «Феникс», 1996. 6. Войткевич Г.В., Закруткин В.В. Основы геохимии. М., «Высшая школа», 1976. 7. Карлович И.А. Геоэкология: Учебник для высшей школы. – М.: Академический Проект: Альма-Матер, 2005. 8. Никаноров А.М. Гидрохимия: Учебник. – изд. 3-е, дополненное. – Ростов н/Д: «НОК», 2008. 9. Общая биология: Учеб. для 10-11кл. общеобразоват. учреждений/ Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2001. 10. Овчинников Л.Н. Прикладная геохимия. – М.: Недра, 1990. 11. Перельман А.И. Геохимия. 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Высшая школа, 1989. 12. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. – М.: Недра, 1990. 102 13. Справочник по геохимии/ Войткевич Г.В., Конин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. – М.: Недра, 1990. 14. Хрусталев Ю.П., Берликов Г.М., Хулхачиев Б.С. Эколого-географический словарьсправочник. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2002. 103
