Экология: Учебное пособие для преподавателей

Осипова С.В.
Макшеева А.И.
ЭКОЛОГИЯ
Нижний Новгород
2007
1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «Волжский государственный инженерно-педагогический
университет»
Кафедра экологии и природопользования
Осипова С.В.
Макшеева А.И.
ЭКОЛОГИЯ
Учебное пособие для преподавателей
Нижний Новгород
2007
2
ББК 74.58:20.1
О – 74
Осипова С.В., Макшеева А.И.
О – 74. Экология: Учебное пособие для преподавателей. – Н.Новгород:
Изд-во ВГИПУ, 2007. – 240 с.
В учебном пособии предлагается объем научно-теоретической информации в соответствии с современными требованиями образования и реальной
социо-экологической ситуацией.
Учебное пособие разработано в качестве дополнения к комплекту методического обеспечения и семантическим опорам по дисциплине «Экология».
В пособие включены перечни творческих заданий для самостоятельной
работы студентов, проверочных тестов по модулям и список рекомендуемой
литературы.
Учебное пособие предназначено для преподавателей естественнонаучных дисциплин в вузе.
Рекомендовано к печати Учебно-методическим советом Волжского
государственного инженерно-педагогического университета
ББК 74.58:20.1
© Осипова С.В., 2007
© Макшеева А.И., 2007
© ВГИПУ, 2007
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………...
5
Содержание программы ……………………………………………….
7
Учебно-тематический план …………………………………………… 10
Модуль 1. ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ
15
Тема 1. Предмет и задачи экологии ……………………………………. 15
Тема 2. История развития экологии …………………………………… 21
Тема 3. Значение экологического образования ………………………… 25
Вопросы для обсуждения ……………………………………………….
Творческое задание ……………………………………………………...
Темы для творческой работы …………………………………………
Литература ……………………………………………………………...
31
31
32
33
Модуль 2. ПРИРОДНЫЙ МИР
34
Тема 4. Организмы. Взаимодействие организмов и среды.
Популяции. Сообщества …………………………………………………
Тема 5. Лимитирующие факторы. Ресурсы живых существ
как экологические факторы …………………………………….............
Тема 6. Биотические сообщества ……………………………………...
Тема 7. Экологические системы …………………………………….......
34
56
67
76
Вопросы для обсуждения ……………………………………................. 91
Творческое задание ……………………………………………………... 92
Литература ……………………………………………………………... 92
Модуль 3. БИОСФЕРА
93
Тема 8. Биосфера – глобальная экосистема Земли …………………… 93
Тема 9. Классификация природных экосистем биосферы ……………. 110
Тема 10. Эволюция биосферы …………………………………………... 130
Вопросы для обсуждения …………………………………….................
Творческое задание ……………………………………………………...
Темы для творческой работы …………………………………………
Литература ……………………………………………………………...
143
144
144
144
4
Модуль 4. РОЛЬ ЧЕЛОВЕКА В БИОСФЕРЕ
145
Тема 11. Антропогенные воздействия на биосферу …………………...
Тема 12. Антропогенные воздействия на биотические сообщества
Тема 13. Особые виды воздействия на биосферу ……………………...
Тема 14. Экстремальные воздействия на биосферу …………………..
145
158
160
160
Вопросы для обсуждения …………………………………….................
Творческое задание ……………………………………………………...
Темы для творческой работы …………………………………………
Литература ……………………………………………………………...
161
161
161
161
Модуль 5. ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА
162
Тема 15. Биосоциальная природа человека и экология ………………...
Тема 16. Человек и экосистемы ………………………………………...
Тема 17. Экология и здоровье человека …………………………………
Тема 18. Основы экологического права …………………………………
163
183
193
203
Вопросы для обсуждения …………………………………….................
Творческое задание ……………………………………………………...
Темы для творческой работы …………………………………………
Литература ……………………………………………………………...
237
238
238
238
РЕЗЮМЕ ……………………………………………………………........ 240
5
ВВЕДЕНИЕ
Среди множества глобальных проблем, которые придется решать человечеству в XXI веке, на первый план выходит экологическая проблема.
Нарушение озонового слоя Земли, повсеместное потепление, уничтожение тропических лесов, опустынивание, деградация почв, отравление отходами и ядохимикатами рек и морей – все это вызывает большую тревогу за
будущее планеты.
Предотвратить экологическую катастрофу можно только всем миром и
каждый из нас должен осознать данный факт. Экологический императив
должен присутствовать в любом профессиональном образовании. Не может
быть специалиста, принимающего какие-либо хозяйственные решения, не
владеющего основами экологии и природопользования.
Экология является важной дисциплиной в формировании нравственноэкологического потенциала будущего специалиста.
Экология рассматривает законы природы, которым должен подчиниться человек, чтобы сохранить жизнь на Земле.
В учебном пособии для преподавателей по дисциплине «Экология» изложен необходимый и достаточный объем научно-теоретический информации. В комплекте с методическими рекомендациями для студентов по данной
дисциплине методические рекомендации представляют совокупность теоретических и практических видов деятельности, способствующих формированию нравственно-экологического потенциала студентов.
Курс «Экология» представлен в силлабусе.
6
СИЛЛАБУС
Общая цель
учебной
дисциплины
Цели обучения
Целевая группа
Рабочая задача
Модули
Требования к
квалификации
преподавателя
Рекомендуемые
учебнометодические
материалы
Рекомендуемые
процедуры
оценки
Формирование у студентов нового экологического коэволюционного отношения к природе
Знания: студенты должны иметь общие научные представления обо всех уровнях биологической организации жизни;
научные представления о биосфере как глобальной экосистеме; представления о роли человека в биосфере
Навыки: вырабатывать у студентов личную мировоззренческую позицию на окружающий природный мир и место
человека в нем; развивать умение обосновывать свою точку
зрения согласно природосообразности
Установки: студенты должны руководствоваться экологическими приоритетами при принятии экономических, социальных и политических решений
Студенты профильных вузов
Через изучение основ экологии, через экологическое образование изменить тип экологического сознания
Модуль 1. Основы экологической культуры
Модуль 2. Природный мир
Модуль 3. Биосфера
Модуль 4. Роль человека в биосфере
Модуль 5. Экология человека
Преподаватель (диплом эколога со стажем не менее года)
Тексты лекций, слайды, работа в группах, дискуссии
Выпускной письменный тест (реферат) по окончании курса
Оценка усвоения модулей (по вопросникам, упражнениям,
заданиям и т.д.)
7
Содержание программы
Модуль 1. Основы экологической культуры
Тема 1. Предмет и задачи экологии
Определение экологии как науки. Предмет и задачи экологии. Теоретическая и прикладная экология. Стратегическая задача экологии.
Тема 2. История развития экологии
Три этапа в истории развития экологии. Характеристика этапов. Выдающиеся отечественные и зарубежные ученые. Природоохранная деятельность.
Тема 3. Значение экологического образования
Определение экологического кризиса и экологической катастрофы. Пути
преодоления экологического кризиса. Экологическая культура и экологическое образование. Значение экологического образования.
Модуль 2. Природный мир
Тема 4. Организмы. Взаимодействие организмов и среды. Популяции. Сообщества
Организм как живая целостная система. Уровни биологической организации. Системы организмов и биота Земли. Взаимодействие организма и среды. Основные представления об адаптации организмов. Популяции. Статистические и динамические показатели популяций. Экологическая стратегия
выживания. Сообщества.
Тема 5. Лимитирующие факторы. Ресурсы живых существ как экологические факторы
Лимитирующие факторы. Значение физических и химических факторов
среды в жизни организмов. Эдафические факторы и их роль в жизни растений и почвенной биоты. Ресурсы живых существ как экологические факторы.
8
Тема 6. Биотические сообщества
Биоценоз. Видовая структура биоценоза. Пространственная структура
биоценоза. Экологическая ниша. Взаимоотношения организмов в биоценозе.
Тема 7. Экологические системы
Концепция экосистемы. Продуцирование и разложение в природе. Гомеостаз экосистемы. Энергия экосистемы. Биологическая продуктивность
экосистем. Динамика экосистемы. Системный подход и моделирование в
экологии.
Модуль 3. Биосфера
Тема 8. Биосфера – глобальная экосистема Земли
Биосфера как одна из оболочек Земли. Состав и границы биосферы.
Круговорот веществ в природе. Биогеохимические циклы наиболее жизненно
важных биогенных веществ.
Тема 9. Классификация природных экосистем биосферы
Наземные биомы (экосистемы). Пресноводные экосистемы. Морские
экосистемы. Целостность биосферы как глобальной экосистемы. Закон целостности биосферы.
Тема 10. Эволюция биосферы.
Учение В.И.Вернадского о биосфере. Биоразнообразие биосферы как результат ее эволюции. Регулирующее воздействие биоты как результат ее эволюции. Регулирующее воздействие биоты на окружающую среду. Ноосфера
как новая стадия эволюции биосферы.
Модуль 4. Роль человека в биосфере
Тема 11. Антропогенное воздействие на биосферу
Основные виды антропогенных воздействий на биосферу. Антропогенное воздействие на атмосферу. Загрязнение атмосферного воздуха. Основные
источники загрязнения атмосферы. Экологические исследования глобального
загрязнения атмосферы.
9
Антропогенное воздействие на гидросферу. Загрязнение гидросферы.
Экологические последствия загрязнения гидросферы. Истощение подземных
и поверхностных вод. Антропогенное воздействие на литосферу. Воздействие на почвы, на горные породы и их массивы, на недра.
Тема 12. Антропогенное воздействие на биотические сообщества
Значение леса в природе и жизни человека. Антропогенные воздействия
на леса и другие растительные сообщества. Экологические последствия воздействий человека на растительный мир. Значение животного мира в биосфере. Воздействие человека на животных и причины их вымирания.
Тема 13. Особые виды воздействия на биосферу
Загрязнение среды отходами производства и потребления. Шумовые
воздействия. Биологическое загрязнение. Воздействие электромагнитных полей и излучений.
Тема 14. Экстремальное воздействие на биосферу
Воздействие оружия массового уничтожения. Воздействие техногенных
экологических катастроф. Стихийные бедствия.
Модуль 5. Экология человека
Тема 15. Биосоциальная природа человека и экология
Человек как биологический вид. Популяционная характеристика человека. Природные ресурсы Земли как лимитирующий фактор выживания человека.
Тема 16. Человек и экосистемы
Антропогенные экосистемы. Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы). Индустриально-городские экосистемы.
Тема 17. Экология и здоровье человека
Влияние природно-экологических факторов на здоровье человека. Влияние социально-экологических факторов на здоровье человека. Гигиена и здоровье человека.
10
Тема 18. Основы экологического права
Охрана окружающей природной среды. Оценка экологической ситуации
в мире, Европе, России. Оценка экологической ситуации в Европе. Оценка
экологической ситуации в России
Учебно-тематический план
№
1.
1.1.
1.2.
1.3.
2.
2.1.
2.2.
2.3.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
4.
4.1.
4.2.
Тема
Структура содержания тем
Занятия
Модуль 1. Основы экологической культуры
Предмет и задачи экологии
Определение экологии.
Учебные
Главный объект изучения в
тексты
экологии
Слайды
Основные разделы общей
экологии
Классификация и задачи общей экологии
История развития экологии
Три этапа развития эколоУчебные
гии. Характеристика этапов
тексты
Выдающиеся отечественные
Слайды
ученые
Выдающиеся зарубежные
ученые
Значение экологического образования
Учебные
Экологический кризис
тексты
Пути преодоления экологического кризиса
Слайды
Экологическое образование
Семинар
и экологическая культура
Модуль 2. Природный мир
Организмы.
Взаимодействие
организмов и
среды. Популяции. Сообщества
Организм – живая целостная Учебные
система
тексты
Среда обитания
Слайды
Продолж.
час
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
11
№
Тема
4.3.
4.4.
5. Лимитирующие
факторы. Ресурсы живых существ как экологические факторы
5.1.
5.2.
5.3.
6.
6.2.
6.3.
6.4.
7.3.
7.4.
7.5.
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
Продолж.
час
2
2
Учебные
тексты
Слайды
2
2
Популяции
Сообщества
Закон минимума.
Ресурсы живых существ.
Определение. Классификация
Пространство как ресурс
2
Биоценоз. Видовая структура Учебные
биоценоза.
тексты
Пространственная структура Слайды
биоценоза
Экологическая ниша
Взаимоотношения организмов в биоценозе
2
Определение экосистемы.
Главный предмет исследования
Концепция экосистем
Динамика экосистем
Системный подход и моделирование в экологии
Модуль 3. Биосфера
2
2
2
2
2
Экологические
системы
7.1.
7.2.
8.
Занятия
Биотические сообщества
6.1.
7.
Структура содержания тем
Учебные
тексты
2
2
Семинар
2
Биосфера – глобальная экосистема Земли
Определение биосферы.
Строение биосферы
Границы биосферы
Особенности биосферы
Круговорот в природе (большой и малый)
Учебные
тексты
Слайды
2
2
2
2
12
1
9.
9.1.
2
Классификация
природных экосистем биосферы
9.2.
9.3.
10.
10.1.
10.2.
10.3.
3
4
5
Классификация природных
экосистем
Ценность биосферы как глобальной экосистемы
Закон целостности биосферы
Учебные
тексты
Слайды
2
Учение В.И.Вернадского о
биосфере
Эволюция биосферы и ее основные составляющие
Ноосфера
Учебные
тексты
2
Эволюция биосферы
11.1.
11.2.
12.
12.1.
12.2.
12.3.
Модуль 4. Роль человека в биосфере
Антропогенное
воздействие на
биосферу
Классификация антропогенных воздействий
Экологические последствия
загрязнений
Антропогенное
воздействие на
биотические сообщества
Антропогенные воздействия
на леса
Антропогенные воздействия
на растительный мир
Антропогенные воздействия
на животный мир. Последствия
2
2
Деловая
игра
11.
2
2
2
Учебные
тексты
Слайды
2
Учебные
тексты
Слайды
2
2
2
2
13
1
13.
2
Особые виды
воздействия на
биосферу
13.1.
13.2.
13.3.
13.4.
14.
3
4
5
Загрязнение среды отходами
производства и потребления
Шумовое воздействие
Биологическое загрязнение
Воздействие электромагнитных полей и излучений
Учебные
тексты
Слайды
2
Оружие массового поражения
Техногенные экологические
катастрофы
Стихийные бедствия
Учебные
тексты
2
2
Творческое задание
2
Человек как биологический
вид
Популяционная характеристика человека.
Природные ресурсы Земли
как лимитирующий фактор
выживания человека
Учебные
тексты
2
Типы экосистем
Техносфера
Учебные
тексты
Семинар
2
2
2
Природно-экологические и
социально-экологические
факторы
Влияние факторов на здоровье человека
Гигиена и здоровье человека
Учебные
тексты
Обмен
опытом
2
2
2
2
Экстремальное
воздействие на
биосферу
14.1.
14.2.
14.3.
Модуль 5. Экология человека
15.
Биосоциальная
природа человека и экология
15.1.
15.2.
15.3.
16.
17.1.
17.2.
17.3.
2
Человек и экосистемы
16.1.
16.2.
17.
2
Экология и здоровье человека
2
2
14
18.
18.1.
18.2.
18.3.
18.4.
Основы экологического права
Охрана окружающей природной среды
Оценка экологической ситуации в мире, Европе, России
Оценка экологической ситуации в Европе
Оценка экологической ситуации в России
Учебные
тексты
2
Семинар
2
2
2
15
Модуль 1. Основы экологической культуры
Цели модуля
Темы модуля
Рекомендуемые
процедуры оценки
 Иметь современные представления об экологии как междисциплинарной науке
 Заложить основы экологической культуры
 Осознать значение экологической культуры
для гармоничного развития человека и природы
 Предмет и задачи экологии
 История развития экологии
 Значение экологического образования
Выпускной письменный тест (реферат) по
окончании курса
Оценка усвоения модулей (по оценочному тесту, упражнению)
У того, кого непосредственно интересует
красота природы, имеются, по крайней мере,
задатки морально доброго образа мыслей
И. Кант
Тема 1. Предмет и задачи экологии
Сегодня, по мнению ряда ученых, научно-технический прогресс приводит к появлению глобального кризиса, который угрожает человеческому
существованию на Земле.
Многовековую тенденцию во взаимоотношениях человека и природы
можно охарактеризовать как антропогенный экоцид – разрушение людьми
экологической среды жизни на Земле, в том числе и условий собственного
существования. Примечательно, что эта критическая экологическая ситуация
многократно предсказывалась с давних времен. Одно из ярких высказываний
принадлежит Жан-Батист Ламарку (1809): «Можно, пожалуй, сказать, что
назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род,
предварительно сделав земной шар непригодным для обитания».
История исследования проблемы экологического кризиса насчитывает
уже почти сто лет, но лишь недавно пришло осознание того, что экологический кризис – это во многом мировоззренческий, философско-этический кризис, что решение экологических проблем невозможно без изменения господ-
16
ствующего в настоящее время антропоцентрического (от греч. anthrxpos человек, kentron центр) общественного экологического сознания, ставящего во
главу угла «человеческую исключительность» и его интересы в ущерб интересам окружающей природной среды, а также «человеческую освобожденность» от подчинения объективным природным законам,
выстраивая
субъект-объектные взаимоотношения с природой.
Биосфера Земли все активнее и масштабнее изменяется человеком в
ходе научно-технического прогресса. Этот прогресс, отождествляющийся с
покорением природы, обнаружил во второй половине ХХ века свою оборотную сторону.
Победа обернулась для человека поражением, делающим проблематичным его выживание.
В последнее время роль и значение биосферы как объекта экологического анализа непрерывно возрастает.
Особенно большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Это связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды в связи с резко негативными последствия научно-технического прогресса.
Для преодоления кризисного состояния и перехода России на
путь устойчивого экологически безопасного развития необходимо новое мироощущение, экологическое сознание, которое имеет следующие характерные черты: ориентированность на экологическую целесообразность, базирующуюся на знаниях законов природы; отсутствие противопоставленности человека и природы; восприятие природных объектов как полноправных субъектов и партнеров по взаимодействию с человеком, выстраивание взаимоотношений на субъект-субъектной основе; баланс прагматического и непрагматического взаимодействия с природой; бескорыстная любовь к природе; ответственное отношение к природной среде обитания.
Основным показателем экологического сознания личности является ее
высокая профессионально-экологическая ответственность перед природой и
обществом, что в свою очередь обеспечит переход к устойчивому экологически безопасному развитию России.
17
Поэтому, в первую очередь, мы будем работать с сознанием, с мировоззрением будущего специалиста.
Мировоззрение развертывается в триаду: знание-убеждение-действие.
Определение экологии как науки
Экология – (от греч. «ойкос» - дом, жилище и «логос» - учение) наука,
изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между
организмами и средой, в которой они обитают.
Известный ученый Ю. Одум дает следующее определение: «Экология –
это междисциплинарная область знания, наука об устройстве многоуровневых систем в природе, обществе, их взаимосвязи».
Изначально экология развивалась как составная часть биологической
науки, в тесной связи с другими естественными науками (химией, физикой,
геологией, географией, почвоведением…)
Предмет и задачи экологии
Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой.
Главный объект изучения в экологии на современном этапе экосистемы.
Экосистемы – единые природные комплексы, образованные живыми
организмами и средой обитания.
В область компетенции экологии входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), популяций, т.е. совокупностей особей
одного вида (популяционно-видовой уровень), биосферы в целом (биосферный уровень).
Основной, традиционной, частью экологии как биологической науки
является общая экология.
Общая экология изучает общие закономерности взаимоотношений
любых живых организмов и среды (включая человека как биологическое существо).
В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:
18
- аутэкологию – исследует индивидуальные связи отдельного организма с окружающей его средой;
- популяционную экологию (дэмэкологию) – изучает структуру и динамику популяций отдельных видов;
- синэкологию (биоценологию) – изучает взаимоотношения популяций,
сообществ и экосистем со средой.
Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойства (адаптация, саморегуляция, устойчивость…). Часто общую экологию называют биоэкологией.
Экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования (например: экология животных, экология растений, экология микроорганизмов). Современная экология не ограничивается только рамками биологической дисциплины.
Экологию можно отнести к особой группе наук (таких как математика,
теория систем и др.), которые имеют всеобщий характер. Экология исследует
отношения объекта и среды его существования, контекста его бытия.
Современная экология – междисциплинарная наука, изучающая
сложнейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Соответственно и сам термин «экология» получил более широкое толкование.
Современная экология тесно связана с политикой, психологий, педагогикой, т.к. только в союзе с ними можно преодолеть технократическую парадигму мышления, свойственную ХХ веку и выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе.
Актуальность и многогранность проблемы, вызванной обострением экологической обстановки в масштабах всей планеты, привела к «экологизации»
многих естественных, технических, гуманитарных наук.
19
СТРУКТУРА СОВРЕМЕННОЙ ЭКОЛОГИИ
ЭКОЛОГИЯ
Геоэкология
по типам среды:
экология суши
экология моря
экология пресных
вод и др.
Общая
по уровням
организации:
Аутэкология
(Организм и среда)
Демэкология
(Популяционная)
Синэкология
(Глобальная)
Учение о биосфере
 экология растений
 экология животных
 экология
микроорганизмов
Экология человека
 экология города
 экология
народонаселения
Прикладная
по сферам деятельности
человека:
 промышленная
 сельскохозяйственная
 химическая
 природопользование
 рекреационная
Социальная экология
 экология личности
 экологическая культура
 этноэкология
Экологическими проблемами Земли как планеты занимается глобальная экология, основным объектом изучения является биосфера – как глобальная экосистема.
В настоящее время появились и такие специальные дисциплины:
- социальная экология – изучает взаимоотношения в системе «человек-общество-природа»,
- экология человека (антропоэкология) – изучает взаимодействия человека как биосоциального существа с окружающим миром.
Теоретическая и прикладная экология
С научно-практической точки зрения вполне обосновано деление экологии на теоретическую и прикладную.
Теоретическая экология вскрывает общие закономерности организации жизни.
20
Задачи теоретической экологии:
- разработка общей теории устойчивости экологических систем;
- изучение экологических механизмов адаптации к среде;
- исследование регуляции численности популяций;
- изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;
- исследование продуктивных процессов;
- исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;
- моделирование состояния экосистемы и глобальных биосферных
процессов.
Прикладная экология – изучает механизмы разрушения биосферы
человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принцип рационального использования природных ресурсов.
Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.
Основные прикладные задачи:
- 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.
Стратегическая задача экологии – развитие теории взаимодействия
человека и природы на основе нового (коэволюционного) взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.
21
Таким образом, экология становится одной из важнейших наук будущего и «возможно, само существование человека на нашей планете будет зависеть от ее прогресса» (Ф. Дре, 1976 г.).
Тема 2. История развития экологии
Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потребность в
знаниях, определяющих «отношение живого к окружающей его органической и неорганической среде» возникла очень давно.
В истории развития экологии можно условно выделить три основных
этапа.
I этап (с древнейших времён до 60-х гг. XIX в.) – зарождение и становление экологии как науки. Накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения.
Величайший философ, ученый-энциклопедист Аристотель (384-322 гг.
до н.э.) создал первую из известных классификаций животных, а также заложил основы описательной и сравнительной анатомии. Отстаивая идею единства природы, он утверждал, что все более совершенные виды животных и
растений произошли от менее совершенных, а те, в свою очередь, ведут свою
родословную от самых примитивных организмов, возникших некогда путем
самозарождения. Усложнение организмов Аристотель считал следствием их
внутреннего стремления к самосовершенствованию.
Древнегреческий историк Геродот (484-425 гг. до н.э.) связывал процесс
формирования у людей черт характера с действием природных факторов
(климата, особенностей ландшафта и др.).
Древнегреческий врач Гиппократ (460-377 гг. до н.э.) считал, что факторы внешней среды (климат, состояние воды и почвы, образ жизни людей и
т.д.) оказывают определяющее влияние на формирование телесных и душевных свойств человека. Климат, по мнению Гиппократа, во многом определяет также и особенности национального характера. Аналогичные рассуждения
22
позже
нашли
отражение
в
работах
русского
учёного,
философа
В.О.Ключевского.
Знаменитый философ-идеалист Платон (428-348 гг. до н.э.) обращал
внимание на изменения (преимущественно негативного характера), происходящие с течением времени в окружающей человека среде.
Древнегреческий ученый-географ Эратосфен (ок. 276-194 гг. до н.э.)
предпринял попытку дать строгое описание современной ему Ойкумены –
части Вселенной, населенной людьми. Эратосфена считают автором подхода
к изучению земли, согласно которому Земля рассматривается как «дом» человека.
Русские ученые такие как, И.И. Лепехин, А.Ф. Миддендорф, С.П. Крашенников и др., проводили исследования в рамках экологии животных по нескольким основным направлениям: выявлялись закономерности расселения
конкретных видов по поверхности планеты, выяснялись причины, способы и
пути их миграции, изучались пищевые цепи.
Французский натуралист Жорж Бюффон высказывал мысли о единстве
животного и растительного мира, об их жизнедеятельности, распространении
и связи со средой обитания, отстаивал идею изменяемости видов под влиянием условий среды. Он обратил внимание современников на поразительное
сходство в строении человека и обезьяны. Однако, опасаясь обвинения в ереси со стороны католической церкви, Бюффон был вынужден воздержаться от
высказываний относительно их возможного происхождения от единого предка.
Значительным вкладом в дело формирования истинного представления о
месте человека в природе стало составление шведским естествоиспытателем
Карлом Линнейем системы классификации растительного и животного мира,
по которой человек включался в систему животного царства и относился к
классу млекопитающих, отряду приматов, в результате человеческий вид получил название Homo sapiens.
23
II этап (с 60-х гг. XIX в. до 50-х ХХ в.) – оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний.
Работы русских ученых: зоолога К.Ф. Рулье, зоогеографа Н.А. Северцева, почвоведа В.В. Докучаева, палеонтолога В.А. Ковалевского и др. внесли
большой вклад в развитие экологии. Эти ученые впервые обосновали ряд
принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до
настоящего времени.
Американский эколог Юджин Одум считает В.В. Докучаева одним из
основоположников экологии.
В конце 70-х гг. XIX в. немецкий гидробиолог Мебиус (1877) вводит
важнейшие понятия о биоценозе как закономерном сочетании организмов в
определенных условиях среды.
Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Чарльз Дарвин (18091882), вскрывший основные факторы эволюции органического мира.
К числу важнейших проблем экологии, исследованных Чарльзом Дарвиным, принадлежит проблема борьбы за существование, в которой согласно
предложенной концепции выигрывает отнюдь не сильнейший вид, а тот, который сумел лучше приспособиться к специфическим обстоятельствам жизни.
То, что Ч. Дарвин называл «борьбой за существование», с эволюционных позиций можно трактовать как взаимоотношения живых существ с
внешней, абиотической средой и между собой, т.е. биотической средой.
В 1866 г. немецкий зоолог-эволюционист Эрнест Геккель (1834-1919 гг.)
в своей работе «Общая морфология организмов» предложил весь круг вопросов, связанных с проблемой борьбы за существование и влияния на живые
существа комплекса физических и биотических условий, назвать термином
экология.
Как самостоятельная наука экология окончательно оформилась вначале
ХХ столетия. В этот период американский ученый Ч. Адамс (1913 г.) создает
первую сводку по экологии.
24
Крупнейший русский ученый ХХ в. В.И. Вернадский создает фундаментальное учение о биосфере.
В 30-40 гг. экология поднялась на более высокую ступень в результате
нового подхода к изучению природных систем.
Сначала Тенсли (1935 г.) выдвинул понятие об экосистеме, а несколько
позже русский ученый В.Н. Сукачев обосновал близкое этому представление
о биогеоценозе (1940 г.).
Во второй половине ХХ в., в связи с прогрессирующим загрязнением
окружающей среды и резким усилением воздействия человека на природу,
экология приобретает особое значение.
Начинается III этап (50-е гг. ХХ в. – по наст. время) – превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной
и окружающей человека среды.
Современный период развития экологии в мире связан с именами таких
ученых: отечественные ученые: И.П. Герасимов, А.М. Гиляров, Н.Н. Моисеев, Н.Ф. Реймерс и др.; зарубежные ученые: Ю. Одум, А. Швейцер, Т. Миллер, Б. Небел и др.
Первые природоохранные акты на Руси известны с Х века (например,
свод законов Ярослава Мудрого «Русская правда» – охрана охотничьих угодий).
История сохранила более 60 природоохранных указов Петра I. При нем
же началось изучение богатейших природных ресурсов России.
В конце XIX в. возникло движение за охрану редких объектов природы.
В начале ХХ в. в современной России зарождается и получает законодательное выражение «вид природоохранной деятельности» – охрана природы. Позже – рациональное использование природных ресурсов.
В 50-е гг. ХХ в. дальнейшее развитие производственных сил в стране, усиление негативного влияния человека на природу обусловили необходимость
создания еще одной формы, регулирующей взаимодействие общества и природы – охраны среды обитания человека.
В 60-80-е гг. в СССР практически ежегодно принимались правительственные постановления об усилении охраны природы (охрана бассейна р.
Волги, Урала, Азовского и Черного морей, Ладожского озера, Байкала…).
Эти постановления и принятые законы, как показала практика их применения, не дали необходимых результатов – губительное антропогенное воздействие на природу продолжалось.
В 1986 г. на Чернобольской АЭС произошла крупнейшая за всю историю
развития человечества экологическая катастрофа. Сегодня Россия переживает тяжелый экологический кризис.
25
Тема 3. Значение экологического образования
Экологическое образование должно нести в себе такую идею, которая
бы стала основополагающей мировоззренческой идеей и психологической
установкой, вооружающей человека на борьбу с надвигающейся экологической катастрофой.
Сегодня такой идеей считается идея любви к природе. Она излагается в
разных вариантах вплоть до благоговения перед жизнью и природой. Но современному человеку, мыслящему рационально, во всем ищущему доказательств, недостаточно одной проповеди. В самом деле, а почему, собственно,
надо любить природу? Следует ответ: потому что иначе мы погибнем. На это
есть возражение: не погибнем, просто нужны технически более грамотные
средства защиты окружающей среды. Именно окружающей среды, а не природы. Природа превратилась в окружающую человека среду – в материю.
Для рационально мыслящего современного человека выход всегда
усматривается в естественных науках, в научной картине мира. Поэтому идея
экологического образования должна покоиться на современной научной картине мира. Но, чтобы быть воспринятой, идея экологического образования
должна учитывать особенности менталитета современного человека, его глубинные стремления и интересы.
Покажем мировоззренческие представления современного молодого
человека, опираясь на опросы студентов дневного и вечернего отделений
Московского геолого-разведочного института разных специальностей и разных возрастов. Профессиональная ориентация здесь не имеет значения, важен общий культурный уровень (ЭиЖ №3 (44), 2005 г.).
Мировоззренческая картина современного молодого человека не может
быть разноликой и многоплановой. И все же в ней проступают некоторые
общие особенности. Это прежде всего – удручающая мировоззренческая неграмотность. Молодежь, воспитанная школой, не имеет даже самого общего
26
начального представления о мировоззрении, о картине мира. Эта проблематика в школьной программе вообще отсутствует.
Мировоззренческая позиция обучаемого формируется преподаванием,
в первую очередь, естественнонаучных дисциплин.
Мир современного человека — это мертвый мир, природа в нем
как квартира, она нас окружает, но своей жизнью она не живет.
В целом молодежь находится в состоянии мировоззренческой растерянности, ничего определенного в представлениях о мире нет. Идея преображения всего — мира, природы, всей реальности в том числе и реальности
социальной, — присутствует в сознании.
Эта идея удивительно точно была отражена в песнях советского периода: мы покоряем пространство и время, мы молодые хозяева земли. С тех пор
многое изменилось.
Откуда берется эта интуиция господства и покорения? Она вытекает из
понимания природы как материи – это главная первопричина. И отсюда, из
нее — вторичное чувство природы как окружающей среды. Это значит, что
сама собой природа ничего не представляет, в ней нет собственных активных сил. Активен субъект, воздействующий на нее.
Это чувство чрезвычайно глубоко в современном человеке. Ведь идея,
активности и господства над природой имеет устойчивые корни в сознании
европейского человека, она нашла свое наиболее яркое выражение в эпоху
Возрождения. Бэконовский лозунг «Знание – сила» стал символом науки Нового времени и до сих пор торжественно прописан на титульном листе популярного журнала того же названия. Можно сколько угодно рассуждать о
любви к природе, о защите природы, но в глубинах психики устойчиво покоится это ощущение: мы хозяева 3емли и вообще жизни. Всё — мы.
Мировоззренческая позиция молодежи нетвердая, шаткая, неустойчивая. И вот эту мировоззренческую и психологическую установку должно
учитывать экологическое образование.
27
И все-таки молодежь остается открытой добрым и светлым чувствам,
она раскрывается навстречу добрым призывам, не отвергает их, она их ищет
и хочет их принять.
Состояние проблемы развития экологической ответственности
у студентов вуза в теории и практике педагогики
Идея экологической ответственности личности исходит из гуманистических философских течений этики.
Термин «этика» ввёл древнегреческий философ Аристотель. Этика есть
практическая наука, исследующая пути достижения человеком желанных целей, блага, а ответственность – это как кардинальный вопрос жизни, которую
нужно прожить хорошо (здесь выбор делается с позиций блага для себя).
Немецкий философ Иммануил Кант рассматривает этику как философию доброй воли, а не только доброго действия. Добровольная ответственность, как высшая этическая ценность, по мнению Канта, и есть проявление
морали «... человек действует морально, т.е. ответственно».
Одним из первых исследователей проблемы ответственности среди
представителей утилитаризма, признающих пользу или выгоду критерием
нравственности, следует признать английского философа Джона Стюарта
Милля. Для него ответственность – внутренняя характеристика личности,
угрызения совести, своего рода внутреннее наказание и самонаказание за
причинённый вред, за неумение принести пользу обществу.
Утилитарный подход к ответственности был характерен и для представителей прагматизма. Американский философ-прагматист Уильям Джеймс
утверждал, что ответственность имеет прагматический характер. Если личность действует целесообразно своим практическим целям, то она действует
морально и ответственно.
Фридрих Ницце, представляя, по его выражению "длинную историю
происхождения ответственности и её логическое развитие", подчёркивал: "...
феномен ответственности становится наиболее значимым лишь в научную
28
эпоху, при ускорении темпов научно-технического прогресса". Это означает,
что именно этика ответственности наиболее органично связана с образованностью и воспитанностью человека. Чем выше образованность и воспитанность человека, тем выше степень его ответственности.
С давних времён люди понимали, что проявление социальной ответственности напрямую связанно с развитием научно-технического прогресса.
Весьма значительным моментом в понимании ответственности считается следующий вывод немецкого учёного Макса Вебера: " Мы должны уяснить себе, что всякое этическое ориентированное действование может быть
ориентировано либо на "этику убеждения", либо на "этику ответственности".
Только во втором случае этика становится практической и надо расплачиваться за последствия своих действий.
В связи с усилением антропогенного и техногенного влияния на природную среду, выдвижение проблемы социальной ответственности на передний план, позволило некоторым философам сделать достаточно смелые выводы.
Так, в классических трудах американского эколога и природоохранника Олдо Леопольда "Календарь песчаного графства" (1949 г.) и немецкого
врача и философа Альберта Швейцера "Культура и этика" (1923 г.), "Учение о благоговении перед жизнью" (1963 г.) идея о социальной экологической ответственности личности получила дальнейшее развитие. Ученые
призывает человека к "благоговейному отношению к жизни", к пересмотру
традиционных этических норм только в отношении "человек-человек" на новые этические отношения "человек-природа" (экологическая универсальная
этика).
В отечественной философии родоначальником главной идеи о коэволюции общества и природы стал Н.Ф. Фёдоров. Коэволюция биосферы и человека, в его понимании – это, по существу, высокая степень ответственности человека перед природой и обществом.
29
Особенно отчётливо эта тема звучит в научных трудах В.И. Вернадского. Несмотря на появление представлений о единстве природы и человека,
эти два мира в сознании отечественных философов и учёных XIX века ещё не
были взаимосвязаны.
Таким связующим звеном стало учение В.И. Вернадского о ноосфере.
«... воздействие человека на окружающую природу растёт столь быстро, что
человек становится «геолого-образующей силой», и, как следствие, он должен будет принять на себя ответственность за будущее развитие природы».
В период с 1930 по 1980 г. в основе государственной экологической
политики СССР имел место антропоцентрический подход по отношению к
природе. Такому подходу чужда эстетическая ценность природных объектов,
если их хозяйственная ценность не очевидна. Понятие социальной экологической ответственности личности в контексте такой политики исчезло, как
социально-этический феномен.
В
1957 году на Международной конференции в Париже, по-
священной специально проблеме ответственности, английский философ
Ричард Маккион в своём докладе предложил несколько видов социальной
ответственности личности (ответственность учёного, врача, педагога, субъекта власти, субъекта деятельности...).
Важный момент в логику развития идеи социальной экологической ответственности внёс немецкий философ Ганс Йонас. В своих работах он расширяет понятие "социальной ответственности" экологическим аспектом.
Этика социальной ответственности – это этика для техногенной цивилизации, и на смену "человеку разумному" должен прийти "человек ответственный".
Вышеизложенное расширило первоначальное понятие социальной ответственности. Наряду с социальным аспектом к оценке деятельности человека добавился экологический и профессиональный аспекты, которые между
собой сливаются, т.к. именно в профессиональной деятельности человек ак-
30
тивно взаимодействует с природными объектами, порой нанося последним
экологический вред.
В 1967 году идея социальной экологической ответственности личности
зазвучала в одном из официальных документов " Римского клуба" "Первая
глобальная революция".
Его авторы А.Кинг и Б.Шнайдер выделили отдельно экологический аспект в хозяйственной деятельности человека, назвав его главным фактором в
развитии экологического кризиса в глобальном масштабе. "Никогда ещё
прежде в истории цивилизации на человека не возлагалась столь большая
экологическая ответственность, ибо он никогда не обладал столь большой,
многократно возросшей властью над другими людьми и природой и над всеми живыми организмами на Земле".
В 1992 году в Рио-де-Жанейро состоялась конференция ООН по окружающей среде и развитию, итогом которой стала суперпрограмма "Повестка
на 21 век", в которой ответственность и толерантность признаются важнейшими качествами личности 21 века.
На саммите в Йоханнесбурге (ЮАР) в 2002 году данная программа получила дальнейшее развитие.
В настоящее время кодоминируют две концепции: связывать отношение к природе с нравственностью, либо с прагматизмом и утилитаризмом.
Российскими учёными, последователями первой концепции, являются:
Н.Н. Моисеев, В.Е. Борейко, С.Н. Глазачев, С.Д. Дерябо, В.Я. Ясвин.
С 80-х годов 20 века в отечественных научных трудах стала утверждаться концепция о так называемой позитивной социальной ответственности и негативной социальной ответственности, которые рассматриваются как
две производные от социальной ответственности личности.
Экологическая ответственность студентов будущих специалистов
определяется как интегральное, интерактивное этическое и профессионально
значимое качество личности, проявляющееся в свободном выборе позитивной (полезной в отношении человека, общества и природы), экологически
31
целесообразной, безопасной, компетентной деятельности будущего специалиста в системе «человек-общество-природа».
Все изменения понятия "ответственность" связаны с ростом
научно-технического прогресса, изменившего силу взаимодействия и
характер взаимоотношений в системе "человек-общество-природа",
что и привело к появлению экологического кризиса.
Для преодоления экологического кризиса необходимо новое
экологическое сознание. Это возможно через внедрение новых моделей образования, базирующихся на принципах единства
природы и человека, экологической (универсальной) этики.
Основным показателем экологического сознания личности является её высокая ответственность перед природой и обществом,
что обеспечит переход к устойчивому развитию России.
Вопросы для обсуждения
1. Что такое экология и предмет ее изучения?
2. В чем состоят функциональные различия и задачи теоретической и
прикладной экологии?
3. Этапы исторического развития экологии как науки. Роль общественных ученых в ее становлении и развитии.
4. Что такое природоохранная деятельность и каковы ее основные виды?
5. Почему необходимы каждому члену общества экологическая культура и экологическое образование?
Творческое задание
1. Упражнение: заполните таблицу.
Я вижу
1
2
3
Я хочу видеть
1
2
3
На основе данных таблицы сделайте выводы.
32
Резюме: «Если не можешь получить желаемое, измени свои действия»
(древняя китайская пословица).
2. Анкета «Определение готовности к обучению».
3. Диагностические задания:
- методика диагностики мотивации взаимодействия с природой «Альтернатива»;
- методика диагностики экологических установок личности «ЭЗОП»;
- методика диагностики доминантности субъективного отношения к
природе «Доминанта»;
- методика диагностики доминантности субъективного отношения к
природе «Натурфил».
На основе полученных данных прорефлексируйте свое личное отношение к природе.
4. Экологическое эссе «Я и экология». Обоснуйте свою позицию.
5. Семантическое поле учебной дисциплины. Древа понятий основных
терминов.
6. Проверь себя (терминологический диктант).
7. Семинарское занятие «Значение экологического образования».
Темы для творческой работы
1. Античная экология. Работы Аристотеля.
2. Ч.Дарвин и его учение об эволюции органического мира.
3. Жизнь и творчество великого русского ученого В.И.Вернадского.
4. В.В.Докучаев – основоположник современной теории почвоведения.
5. Вклад современных ученых в историю экологии (Н.Н.Моисеев).
33
Литература
1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. – М., 1998.
2. Вернадский В. Жизнеописание. Избранные труды /Сост. Г.П. Аксенов.
– М., 1993.
3. Стадницкий Г.В. Экология: Учебник для вузов. – СПб., 1999.
4. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов н/Д., 2001.
5. Петров К.М. Общая экология. – СПб., 1997.
6. Энциклопедии и справочники.
34
Модуль 2. Природный мир
Цели модуля
Темы модуля
Рекомендуемые
процедуры оценки
 Осознать роль биоразнообразия в окружающей
природной среде
 Определить биоразнообразие как важнейший
природный ресурс для выживания человека
 Понимать и объяснять взаимосвязь человека (как
биологического существа) с природными сообществами и окружающим миром в целом
 Организмы. Взаимодействие организмов и среды. Популяции. Сообщества
 Лимитирующие факторы. Ресурсы живых существ как экологические факторы
 Биотические сообщества
 Экологические системы
Выпускной письменный тест (реферат) по окончании курса
Оценка усвоения модулей (по вопросникам,
упражнениям, заданиям и т.д.)
Природа так обо всем позаботилась,
что повсюду ты находишь, чему учиться
Леонардо да Винчи
Тема 4. Организмы. Взаимодействие организмов и среды.
Популяции. Сообщества
Ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество (биоценоз) –
главные уровни организации жизни (рис. 1). Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем. В основе экологии лежит теория эволюционного развития органического мира Ч. Дарвина.
В упрощенном виде ее можно представить так: в результате борьбы за существование выживают наиболее
приспособленные организмы, которые передают выгодные
признаки, обеспечивающие выживание своему потомству.
Если условия применяются, то выживают организмы с более благоприятными признаками, переданными им по
наследству… и т.д.
35
Гены - Клетки - Органы - Организмы - Популяции - Сообщества
≈
Экосистемы
системы
Популяционные
организмов
ЭНЕРГИЯ
Системы
органов
Системы
системы
Клеточные
системы
Генетические
ВЕЩЕСТВО
Рис. 1. Спектр уровней биологической организации (по Ю.Одуму, 1975 г.)
Роль среды, т.е. физических факторов, в эволюции и существовании
организмов, не вызывает сомнений. Среда делится на абиотическую (воздух, вода, температура, влажность, течение реки…) и биотическую (представлена живым веществом).
Уровни биологической организации жизни отражают иерархию природных систем, при которой меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являются подсистемами более крупных систем.
Свойства каждого отдельного уровня значительно сложнее и многообразнее предыдущего. Но объяснить это можно лишь частично на основе
данных о свойствах предшествующего уровня. Такое явление называют
эмерджентностью.
Эмерджентность – наличие у системного целого особых свойств, не
присущих его подсистемам (или синергетический эффект). Например,
О2+Н2→Н2О нельзя предсказать свойство воды из свойств водорода и кислорода.
В экологии организм рассматривается как целостная система, которая
взаимодействует с внешней средой (абиотической+биотической).
36
Биологический вид – совокупность сходных особей, но как индивиды, отличающихся друг от друга. Биологический вид объединяет единый генофонд. Не может быть потомства от особей различных видов.
Поскольку, каждый индивид (особый, уникальный и неповторимый)
имеет свои специфические особенности, то и отношение их к состоянию
среды различное. Например, повышение температуры часть особей может
не выдержать и погибнуть, но популяция всего вида выживет за счет других,
более приспособленных.
Популяция – это совокупность особей одного вида, способных к самовоспроизведению, занимающих относительно изолированную территорию.
Биоценоз – совокупность совместно обитающих популяций разных
видов микроорганизмов, растений и животных. Этот термин ввел ученый
Мёбиус (1877).
Экосистема (биогеоценоз) – совокупность комплексов организмов с
комплексом физических факторов их окружения (рис. 2).
БИОГЕОЦЕНОЗ
Микроклимат
Растительность
Почва, грунт
Животный мир
Рельеф
Воды
Микроорганизмы
БИОЦЕНОЗ
БИОЦЕНОЗ
Рис. 2. Схема биогеоценоза по Г.А. Новикову (1979)
Антропогенный фактор
БИОТОП
37
Особе значение для выделения экосистем имеют трофические (пищевые) взаимоотношения организмов, регулирующие всю энергетику экосистемы. Все организмы делятся на две большие группы:
Автотрофы (самопитающиеся) используют неорганические источники для своего существования. Создают органическую материю из неорганической (фотосинтезирующие зеленые растения, сине-зеленые водоросли, некоторые бактерии).
Гетеротрофы (питающиеся другими) потребляют только готовые органические вещества (все животные, человек, грибы).
Гетеротрофы, потребляющие мертвую органику называются сапротрофами (например, грибы), а способные жить и развиваться в живых организмах за счет живых тканей (паразитами).
Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и формам
питания, то они вступают между собой в сложные трофические взаимодействия, тем самым, выполняя важнейшие экологические функции в биологических сообществах. Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи – преобразуют ее в неорганическую форму.
Классификация организмов по экологическим функциям

продуценты – производители продукции (наземные зеленые рас-
тения, микроскопические морские и пресноводные водоросли).

консументы – потребители органического вещества. Среди них
есть животные, потребляющие только растительную пищу (травоядные) или
питающиеся только мясом (плотоядные, хищники) и всеядные (человек,
медведь).

редуценты (деструкторы) – восстановители. Они возвращают ве-
щества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (например, СО2,
Н2О, N2О).
Микроорганизмы, бактерии и др. более сложные формы в зависимости
от среды обитания подразделяют на:
38
- аэробные – живущие при наличии О2;
- анаэробные – живущие в бесхимиродной среде.
Развитие организма как живой целостной системы
Организм – любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, присущих только живой материи:
- клеточная организация;
- обмен веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот,
обеспечивающих гомеостаз организма.
Гомеостаз – самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды.
Живым организмам присуще движение, раздражимость, рост, развитие, размножение, наследственность, приспособленность (адаптация).
Живые организмы обладают обменом веществ или метаболизмом, при
этом происходит множество химических реакций. Примером таких реакций
могут служить дыхание или фотосинтез, посредством которого зеленые растения связывают солнечную энергию.
Химическое уравнение фотосинтеза выглядит так:
6СО2+12Н2О
солнечная энергия С6Н12О6+6О2+6Н2О
богатая энергией
молекула глюкозы
Практически вся двуокись углерода (СО2) поступает из атмосферы и
днем ее движение направлено вниз, к растениям, где осуществляется фотосинтез и выделяется О2.
Дыхание – процесс обратный, и движение СО2 ночью направлено
вверх и идет поглощение кислорода.
Обмен веществ в организме регулируется и ферментами, и витаминами,
и гормонами. Отсутствие или изменение фермента ведет к мутации, отсутствие витаминов ведет к болезням, гормоны осуществляют в любом орга-
39
низме общую химическую координацию обмена веществ и помогают,
например, нервной системе человека и животных.
У каждого организма индивидуальный путь развития. Этот путь от
зарождения до конца жизни называется онтогенезом.
Онтогенез – совокупность физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом за весь период жизни.
В онтогенезе различают рост, развитие и старение. Примеры онтогенеза: по типу прямого развития (цыпленок – курица, головастик – лягушка).
Система организмов и биота Земли
В настоящее время на Земле насчитывается более 2,2 млн. видов организмов. Когда-то основу этой системы создал шведский ученый Карл Линней (середина XVII в.)
Издавна органический мир делится на два царства: животные и растения.
В наше время его уже следует делить на две империи: доклеточные
(вирусы, фаги) и клеточные (все остальные организмы).
Всю совокупность растительных организмов данной территории планеты называют флорой, а совокупность животных организмов – фауной.
Флора и фауна на данной территории составляют биоту.
Все организмы (по эволюционному признаку) делятся на следующие
группы:
Прокариоты – являются древнейшими организмами. В настоящее
время их более 5000 видов. Например, бактерии. Их размеры от десятых долей до 2-3-х микрометров.
Некоторые из бактерий являются автотрофами, например серобактерии, которые образуют органическое вещество за счет хемосинтеза на основе серы. Большинство бактерий – гетеротрофы, среди которых преобладают
сапротрофы, редуценты.
40
Бактерии распространены повсеместно, но больше всего их в почвах –
сотни миллионов на 1 грамм почвы, а в черноземах более 2 млрд.
Микрофлора почв весьма разнообразна. Здесь бактерии выполняют
различные функции и подразделяются на бактерии гниения, азотфиксирующие, серобактерии… В атмосфере воздуха бактерий значительно меньше.
Сине-зеленые водоросли – фотосинтезирующие автотрофы могут привести к цветению воды, загрязнению воды; обитают преимущественно в поверхностном слое пресноводных водоемов, хотя есть и в морях.
Эукариоты – все остальные организмы Земли.
Растения – это практически единственные организмы, которые создают органическое вещество за счет физических ресурсов (солнечный свет
+ хим. элементы, извлекаемые из почв).
Грибы – низшие организмы. Их более 1000 тыс. видов. Грибы не содержат хлорофилла, размеры их от микроскопических до крупных, типа
дождевиков. Тело гриба состоит из нитчатых образований, которые формируют грибницу.
Все грибы – гетеротрофы. Около ¾ всех грибов – сапротрофы, питающиеся гниющими растениями. Низшие почвенные грибы играют основную
роль в процессах почвообразования.
Соотношение количества видов организмов: на суше – 92-93%, в воде
– 8-7% – выход организмов на сушу дал мощный толчок эволюционному
процессу в направлении увеличения видового разнообразия, что ведет к повышению устойчивости экосистем.
Взаимодействие организма и среды.
Понятие о среде обитания и экологических факторах
Среда обитания организма – это совокупность абиотических и биотических условий его жизни.
Свойства среды постоянно меняются, и любое существо, чтобы выжить, приспосабливается к этим изменениям. Земной биотой освоены три
41
основные среды обитания: водная, наземно-воздушная и почвенная вместе с
горными породами поверхностной части литосферы.
Экологические факторы – это определенные условия и элементы
среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм.
Они делятся на абиотические, биотические и антропогенные (рис. 3).
Абиотические факторы
Температура
Природная
среда
Факторы
взаимодействия
между особями
одного и того же вида
Свет
Биотические факторы
Групповой и
массовый эффект
Внутривидовая
конкуренция
Нейтрализм
Вода
Температура +
влажность
Физические и
химические факторы
Мутуализм
Биогенные
вещества
Атмосферные
газы
Течения и
ветры
Межвидовая
конкуренция
Симбиоз
Факторы взаимодействия между особями различных видов
Комменсализм
Аменсализм
Пожары
Паразитизм
Почвы
Эдафические
факторы
Хищничество
Экологические
факторы
почв
Рис. 3. Классификация экологических факторов (по Ю.Одуму, 1975 г.)
42
Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов
неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и
растений: физические факторы (температура, течение воды, ветер, влажность…), химические факторы (соленость воды, содержание О2), эдафические факторы (почвенные: структура почвы, влажность, содержание гумуса).
Биотические факторы – влияние 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», где по
сравнению с открытым местообитанием создается свой температурновлажностный режим: зимой здесь на несколько градусов теплее, летом –
прохладнее и влажнее. Особый микроклимат (или микросреда) создается в
дуплах деревьев, в норах, пещерах (температура там относительно постоянна).
Межвидовые взаимоотношения разнообразны:
- нейтрализм – оба вида независимы и не оказывают никакого действия друг на друга;
- конкуренция – каждый из видов оказывает на другой неблагоприятное воздействие;
- мутуализм – виды не могут существовать друг без друга (симбиоз
между копытными и бактериями, обитающими в их рубце);
- протокооперация (сообщество) – оба вида образуют сообщество, но
могут существовать и раздельно, хотя сообщество приносит им пользу (крабы – кишечнополостные организмы);
- комменсализм – один вид, комменсал, извлекает пользу от сожительства, а другой – вид – хозяин не имеет никакой выгоды (взаимная терпимость);
43
- аменсализм – один вид, аменсал, испытывает от другого угнетения
роста и размножения (в водной среде – сине-зеленые водоросли, вызывая
цветение воды, отравляют ее. Скот может быть отравлен на водопое);
- паразитизм – паразитический вид тормозит рост и размножение
своего хозяина и даже может вызвать его гибель (вши, клещи);
- хищничество – хищный вид питается своей жертвой.
Межвидовые отношения лежат в основе существования биотических
сообществ (биоценозов).
Антропогенные факторы – факторы, порожденные человеком и воздействующие на окружающую среду.
Различают также:
- факторы, изменения которых во времени повторяются регулярно,
называются периодическими (например, приливы, отливы, некоторые океанские течения…);
- факторы, возникающие неожиданно, называются непериодическими (извержение вулканов, нападение хищников…).
Основные представления об адаптации организмов
Адаптация (лат. – приспособление) – организмов к среде. Этот процесс охватывает строение и функции организмов (особей, видов, популяций
и их органов).
Адаптация развивается под воздействием трех основных факторов –
изменчивости, наследственности и естественного отбора (равно как и искусственного, осуществляемого человеком).
Организмы адаптированы к постоянно действующим периодическим
факторам (работы ученого А.С. Мончадского), но среди них важно различать первичные и вторичные факторы.
Первичные факторы – это те факторы, которые существовали на
Земле до возникновения жизни: температура, освещенность, приливы, отливы. Адаптация организмов к этим факторам наиболее древняя и совершенная.
44
Вторичные периодические факторы являются следствием изменения первичных: влажность воздуха, зависящая от температуры; растительная пища, зависящая от цикличности в развитии растений. Эти факторы возникли позднее, и адаптация к ним не всегда четко выражена.
В нормальных условиях в месте обитания должны действовать
только периодические факторы, непериодические – отсутствовать.
Непериодические факторы обычно воздействуют катастрофически:
могут вызвать болезни или даже смерть живого организма.
Человек использовал это в своих интересах, искусственно вводя непериодические факторы. Например, химическая отрава уничтожает вредные
для него организмы (паразитов, вредителей культур…). Но оказалось, что
длительное воздействие таких факторов может вызвать адаптацию. Источником адаптации являются генетические изменения в организме – мутации,
возникающие в результате влияния на организм.
На историко-эволюционном пути развития известны успешные (например, эволюция лошади: от низкорослого предка до современного быстроногого животного с высотой в холке до 1,6 м.)
и безуспешные адаптации (вымирание мамонтов: субарктический
климат оледенения привел к исчезновению растительности, которой питались эти животные, кстати, хорошо приспособленные к низким температурам. Правда, существуют версии, что и
первобытный человек повинен в их исчезновении).
В приведенном примере с мамонтами недостаток растительной пищи вначале ограничивал количество мамонтов, а ее исчезновение привело к их гибели.
Растительная пища выступала в виде лимитирующего
фактора.
Эти факторы играют важнейшую роль в выживании и
адаптации организмов.
Популяции
Популяция – любая, способная к самовоспроизведению совокупность
особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей одного и того же вида (М.С.
Гиляров).
45
Популяция – именно та «ячейка» биоты – которая является основой
ее существования; в ней происходит самовоспроизводство живого вещества,
она обеспечивает выживание вида, благодаря наследственности адапционных качеств; она дает начало новым популяциям и процессам видообразования, то есть популяция является элементарной единицей эволюционного
процесса.
Известно, что важнейшими являются количественные характеристики,
которые позволяют решить большинство проблем качественного характера.
Выделяют две группы количественных показателей – статические и
динамические.
Статические показатели популяций характеризуют состояние популяций на данный момент времени.
К статическим показателям популяций относятся их численность,
плотность и показатели структуры.
I. Численность – это поголовье животных или растений, например,
деревьев, в пределах некоторой пространственной (хорологической) единицы – ареала, бассейна реки, области, района.
II. Плотность – число особей, приходящихся на единицу площади,
например, плотность населения – количество человек, приходящихся на 1
км2, или для гидробионтов (жителей водной среды) – это количество особей
на единицу объема, на 1 м3 или 1 л.
III. Показатели структуры:
- половой – соотношение полов;
- размерный – соотношение количества особей разных размеров;
- возрастной – соотношение количества особей различного возраста в
популяции.
Численность тех или иных животных определяется различными методами. Например, подсчетом с самолета или вертолета при облетах территории.
46
Численность гидробионтов определяется путем отлавливания их сетями (рыбы), для микроскопический (фитопланктон, зоопланктон) применяют
специальные мерные емкости.
Численность человеческой популяции определяют путем переписи
населения всего государства, его административных подразделений. Знание
численности и структуры (этнической, профессиональной, возрастной, половой и т.д.) населения имеет большое экономическое и экологическое значение.
Плотность популяции определяется без учета неравномерности распространения особей на площади или в объеме, то есть получаем среднюю
плотность животных, деревьев, людского населения на единицу площади
или микроскопических водорослей на единицу объема.
Каждое животное соблюдает баланс энергии, затрачиваемой на охрану
территории, добывание пищи и получаемой от съедания пищи.
При сокращении количества корма животные расширяют свою территорию. Такое поведение животных называют территориальным поведением.
Чем крупнее животное, тем больше ему нужна площадь на добычу
пищи, поэтому, чем больше размеры тела особи, тем меньше плотность популяции (например: два фитофага – лось и тля – занимают несопоставимые
по площади пространства и длительность их жизни также несопоставима).
Территориальные границы могут быть весьма подвижны.
Достаточно надежно определяются границы у немигрирующих животных (грызуны, моллюски), которые создают так называемые локальные
популяции. У подвижных – границы определить трудно. Например, у лося, а
тем более у птиц, которые легко мигрируют и расселяются на больших территориях.
Ограничивают возможность расселения абиотические и биотические
факторы.
Из биотических факторов среды такими являются прежде всего пресс
хищников и конкурентов, нехватка пищевых ресурсов.
47
Влияние абиотических определяется толерантностью популяции к
факторам среды.
Пресс хищников особенно силен, когда в коэволюции «хищникжертва» равновесие смещается в сторону хищника и ареал жертвы сужается.
Конкурентная борьба тесно связана с нехваткой пищевых ресурсов,
она может быть и прямой борьбой, например, хищников за пространство как
ресурс, но чаще всего это просто вытеснение вида, которому на данной территории пищи не хватает, видом, которому этого же количества пищи
вполне достаточно. Это уже межвидовая конкуренция.
Динамические показатели популяций характеризуют процессы, протекающие в популяции за какой-то промежуток (интервал) времени.
Основными динамическими показателями (характеристиками) популяций являются рождаемость, смертность и скорость роста популяций.
Рождаемость или скорость рождаемости – это число особей, рождающихся в популяции за единицу времени.
Смертность или скорость смертности – это число особей, погибших
в популяции за единицу времени.
Рождаемость или скорость рождаемости, выражает отношение:
N n
, где
t
N n - число особей, родившихся за t некоторый промежуток време-
ни.
Но, для сравнения рождаемости в различных популяциях пользуются
величиной удельной рождаемости:
N n
, где
N  t
N – исходная численность популяции.
Смертность, величина, обратная рождаемости и вычисляемая по аналогичной формуле:
N m
, где
N  t
48
N m - число погибших особей.
Если при t  0, имеем
N n
 b (мгновенная удельная рождаемость).
N  t
Если при t  0, имеем
N m
 d (мгновенная удельная смертность).
N  t
Скорость изменения численности популяции, то есть изменения N
за, при t  0 можно определить как мгновенную скорость изменения численности, которая может быть рассчитана как:
r=b-d, r – мгновенная скорость изменения численности.
Анализ уравнения показывает, если:
1) b=d, то r=0 – популяция находится в стационарном состоянии;
2) b>d, то имеем численный рост популяций;
3) b<d, имеем снижение численности популяции.
Продолжительность жизни
Продолжительность жизни вида зависит от условий (факторов) жизни.
Различают физиологическую и максимальную продолжительность жизни.
Физиологическая продолжительность жизни – это такая продолжительность жизни, которая определяется только физиологическими возможностями организма. Теоретически она возможна, если допустить, что в период всей жизни организма на него не оказывают влияние лимитирующие
факторы.
Максимальная продолжительность жизни – это такая продолжительность жизни, до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях среды.
Эта величина варьируется в широких пределах: от нескольких минут у
бактерий до нескольких тысячелетий у древесных растений (секвойя).
Обычно, чем крупнее растение или животное, тем больше их продолжительность жизни, хотя бывают исключения (летучие мыши доживают до
30 лет, это дольше, чем, например, жизнь медведя).
Смертность и рождаемость у организмов весьма существенно изменяется с возрастом. Только увязав смертность и рождаемость с возрастной
49
структурой популяции, удается вскрыть механизмы общей смертности и
определить структуру продолжительности жизни. Такую информацию можно получить с помощью таблиц выживания.
Таблицы выживания (демографические таблицы) – содержат сведения о характере распределения смертности по возрастам.
Возрастная
группа
Количество человек в каждой
группе
Число умерших
в группе
Смертность в
расчете на 1000
чел.
Демография изучает размещение, численность, состав, динамику
народонаселения, а эти таблицы она использует для определения ожидаемой
продолжительности жизни человека.
Данные таблиц выживания позволяют построить кривые выживания, в
них отражается зависимость количества доживших до определенного возраста особей от продолжительности этого интервала с самого момента рождения организмов.
Выделяют три основных кривых выживания, к которым в той или
иной мере приближаются все известные кривые (рис. 4).
Дрозофила
Человек
Число выживающих
особей
I
Диагональная
II
Устрица
III
Рис. 4. Разные типы кривых выживания
время
50
Дрозофилы – плодовые мушки, длина 2:3,5 мм, приблизительно 1000 видов. В России встречаются около 25 видов. Мухи
питаются соком растений, гниющими веществами, личинки питаются микроорганизмами. Данный вид очень удобен для генетических исследований, так как он имеет короткий жизненный
цикл и малое число хромосом.
Основоположником генетических исследований были ученые Г. Мендель, Т. Морган и др. В лаборатории в основном разводят вид melanogaster.
Кривая I типа, когда на протяжении всей жизни смертность ничтожно мала, резко возрастая в конце ее, характерна для насекомых, которые
обычно гибнут после кладки яиц (ее и называют «кривой дрозофилы», к ней
приближаются кривые выживания человека в развитых странах, а также некоторых крупных млекопитающих.
Кривая III типа – это случаи массовой гибели особей в начальный
период жизни.
Например, гидробионты и некоторые другие (растения) организмы, не
заботящиеся о потомстве, выживают за счет огромного числа личинок, икринок, семян.
Моллюски прежде чем закрепиться на дне, проходят личиночную стадию в планктоне, где личинки гибнут в огромных количествах, потому кривую III называют «кривой устрицы».
Кривая II типа (диагональная) характерна для видов, у которых
смертность остается примерно постоянной в течение всей жизни. Такое распределение смертности не столь уж редкое явление среди организмов.
Встречаются они среди рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних
травянистых растений.
Резюме: реальные кривые выживания часто представляют собой некоторую комбинацию указанных выше «основных типов».
51
Например, у крупных млекопитающих, да и у людей, живущих в отсталых странах, кривая I типа вначале круто падает за счет повышенной
смертности сразу после рождения.
Динамика роста численности популяций
Еще в XVII веке было установлено, что численность популяций растет
по закону геометрической прогрессии, а уже в конце XVIII Томас Мальтус
(английский священник, экономист, демограф) выдвинул свою теорию о росте народонаселения. Тамасом Мальтусом был сформулирован так называемый «закон народонаселения», согласно которому народонаселение увеличивается в геометрической прогрессии, тогда как средства к существованию
(прежде всего пища) могут увеличиваться лишь в арифметической прогрессии. С перенаселением Мальтус предлагал бороться при помощи регламентации и браков и ограничении рождаемости. Он также призывал всячески
«способствовать действиям природы, вызывающим смертность…»: перенаселять дома, делать в городах узкие улицы, создавая тем самым благоприятные условия для распространения смертельных болезней (таких как, чума).
Взгляды Мальтуса были подвергнуты суровой критике еще при жизни за их
антигуманность.
Закономерность роста численности в геометрической прогрессии выражается кривой.
N
ln
60
50
40
30
20
10
0
8
16
24
Время, ч
N t  N o  e rt
Nt – численность популяции в момент времени t,
N0 – численность популяции в начальной момент времени t0,
52
e – основание натурального логарифма (≈ 2.7),
r – показатель, характеризующий темп размножения особей в данной популяции (r=b-d).
∆N/∆t=rN, a r=const
Таким образом, экспоненциальный рост численности популяции – это
рост численности ее особей в не изменяющихся условиях.
Условия, сохраняющиеся длительное время постоянными,
невозможны в природе.
Если бы это было не так, то, например, обычные бактерии
могли бы дать такую массу органического вещества, которая
могла покрыть весь земной шар слоем толщиной в 2 метра за 2
часа.
В природе происходит так: экспоненциальный рост наблюдается какое-то достаточно короткое время, после чего ограничивающие факторы его
стабилизируют, и дальнейшее развитие популяции идет по логической модели, что и описывается S-образной или логической кривой (рис. 5).
численность
«N»
время, t
N0
Рис. 5. Кривая роста численности N
Важна роль биологической емкости среды – степени способности
природного или природно-антропогенного окружения обеспечивать нормальную жизнедеятельность (дыхание, питание, размножение, отдых) определенному числу организмов и их сообществ без заметного нарушения самого окружения (рис. 6).
53
Число
особей
Повышение популяцией
потенциальной емкости
«Крах» популяции, или вымирание
Потенциальная емкость
Время
Рис. 6. Колебания численности популяций
Эти колебания называются флуктуациями численности, которые могут
быть сезонными и годовыми. Флуктуации вызывают природные факторы и
антропогенные факторы.
Например, ученый А.М. Гиляров приводит сведения о размножении северных оленей, вселенных в местообитания, где они раньше
не проживали, например, на островах Берингова моря.
С небольших когорт, состоящих из нескольких десятков особей, в течение ряда лет рост численности по экспоненциальному закону приводил к возникновению популяций оленей, состоящей из нескольких тысяч голов. Затем наблюдалось резкое падение точки численности до нескольких десятков голов за короткое время 1:3 года.
Причина стабилизации численности: полный расход пищевых
ресурсов, которыми обладали эти острова.
Экологические стратегии выживания
Экологическая стратегия выживания – стремление организмов к
выживанию.
54
Экологических стратегий выживания множество. Например, еще в
30-х годах ученый Л.Г. Раменский среди растений различал три основные
типа стратегий выживания, направленных на повышение вероятности выжить и оставить после себя потомство: виоленты, патиенты и эксплеренты.
Виоленты (силовики) – подавляют всех конкурентов, например, деревья, образующие коренные леса.
Патиенты – виды, способные выжить в неблагоприятных условиях
(«тенелюбивые», «солелюбивые»).
Эксплеренты (наполняющие) – виды, способные быстро появляться
там, где нарушены коренные сообщества: на вырубках, гарях, на отмелях и
т.д.
Все многообразие экологических стратегий заключено между двумя
типами эволюционного отбора, которые обозначаются: r-стратегия и Кстратегия.
Тип r-стратегия определяется отбором, направленным прежде всего
на повышение скорости роста популяции и, следовательно, таких качеств,
как высокая плодовитость, ранняя половозрелость, короткий жизненный
цикл, способность быстро распространяться на новые места обитания и пережить неблагоприятное время в покоящейся стадии.
К-стратегия направлена на повышение выживаемости в условиях уже
стабилизировавшейся численности. Это отбор на конкурентоспособность,
повышение защищенности от хищников и паразитов, повышение вероятности выживания каждого потомка.
Очевидно, что каждый организм испытывает на себе комбинацию r и
К-стратегий, но r-стратегия преобладает на ранней стадии развития популяции, а К-стратегия – уже характерна для стабилизированных систем.
Регуляция плотности популяции
Факторы, регулирующие плотность популяции, делятся на зависимые
и независимые.
55
Зависимые (биотические) – смертность, зависимая от плотности, может регулировать численность.
Независимые (абиотические) – влияние независимых факторов прослеживается на сезонных колебаниях численности планктонных водорослей.
Например, в системе водохранилищ (Северное Предкавказье) диатомовые
водоросли дают два пика численности – весной и осенью, а в остальное время действуют зависимые факторы (конкурентная борьба на выживание с
сине-зелеными и зелеными водорослями).
Существует еще саморегуляция популяций, при которой на численности популяции сказывается изменение качества особей.
Пример 1. При большей скученности особей происходят физиологические изменения (стресс – реакция или дистресс). У самок-грызунов происходит воспаление надпочечников, что ведет к сокращению рождаемости.
Пример 2. Нехватка пищи заставляет особей эмигрировать на новые
участки, приводящие к их гибели в пути и на новых участках, что повышает
смертность и сокращает численность.
Вывод: саморегуляция обеспечивается механизмами торможения роста численности. Таких гипотетических (предполагаемых) механизмов три:
1) при возрастании плотности и повышенной частоте контактов между особями возникает стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и
повышающее смертность;
2) при возрастании плотности усиливается миграция в новые местообитания, где условия менее благоприятны и повышается смертность;
3) при возрастании плотности происходят изменения генетического
состава популяции – замена быстро размножающихся на медленно размножающихся особей.
Это свидетельствует о важнейшей роли популяции как в эволюционном смысле, так и в экологическом как элементарной единицы эволюционного процесса; о понимании процессов, происходящих на этом уровне био-
56
логической организации с целью возможности управления процессами,
определяющими существование видов в Биосфере.
Примером, подтверждающим саморегуляцию, является известные с незапамятных времен насекомые – саранча.
У Саранчевых имеются две разнокачественные группы размножения: одиночная и стадная формы.
В благоприятные по влажности года преобладают особи
одиночной формы и популяция находится в равновесии.
В результате же нескольких подряд засушливых лет создаются условия для развития особей стадной фазы.
У стадной формы молодые особи (нимфы) быстрее двигаются, лучше обеспечены водой и запасами питательных веществ,
и хотя у них плодовитость меньше, за счет лучшей выживаемости, более быстрого развития и ярко выраженной способности
собираться в группы, процесс размножения идет очень быстро и
с нарастающей скоростью.
Образовавшиеся огромные стаи переносятся ветром на
огромные расстояния. Так стаи красной саранчи могут занимать
площадь в 1500 раз превышающую области обитания одиночной
фазы. Если во время миграции будет найдено место благоприятное по условиям для размножения, размер стаи может увеличиться до невероятных значений. Так, стая красной саранчи, совершившая налет в Сомали в 1957 г., состояла из 1,6∙10 10 особей и
ее масса достигала 50 тыс. тонн. Если учесть, что за день одна
саранча съедает столько, сколько весит сама, то можно представить масштабность бедствия.
Именно такие нашествия насекомых рассматривались как
стихийные бедствия на Международном конгрессе в Иокогаме
(1994 г.).
Тема 5. Лимитирующие факторы.
Ресурсы живых существ как экологические факторы
Впервые на значение лимитирующих факторов указал немецкий агрохимик Ю. Либих в середине ХIХ в. Он установил закон минимума: (урожай/продукция) зависит от фактора, находящегося в минимуме. Например,
если в почве полезные компоненты в целом представляют уравновешенную
систему и только какое-то вещество, например, фосфор, содержится в количествах, близких к минимуму, то это может снизить урожай.
57
Лимитирующими экологическими факторами следует называть такие
факторы, которые ограничивают развитие организмов из-за недостатка или
избытка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием).
Но вообще урожай зависит от совокупного действия всех факторов
жизни растений, включая температуру, влажность, освещенность – закон
Митчерлиха. Например, действие отрицательных температур усиливается
ветром и высокой влажностью, но, с другой стороны, высокая влажность
ослабляет действие высоких температур.
Существует еще закон Вильямса – закон независимости факторов:
условия жизни равнозначны, ни один из факторов жизни не может быть заменен другим. Например, нельзя действие влажности (воды) заменить действием углекислого газа или солнечного света и т.д.
Наиболее полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком
или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может
оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два
предела называют пределами толерантности.
Относительно действия одного фактора можно проиллюстрировать
этот закон так: некий организм способен существовать при температуре от 50С до +250С, т.е. диапазон его толерантности лежит в пределах этих температур. Организмы, для жизни которых требуются условия, ограниченные узким диапазоном толерантности по величине температуры, называется стенотермными (стено – узкий), а способных жить в широком диапазоне температур эвритермными (эври – широкий). Подобно температуре, действуют и другие лимитирующие факторы.
Характер действия экологических факторов при определенных условиях может меняться. И сами организмы способны снизить лимитирующее
действие факторов, создав, например, определенный микроклимат (микросреду).
58
Активность
Стенотермны
Эвритермны
холод
(оптимум)
Стенотермны
тепло
(оптимум)
оптимум
min
max
min
Температура
max
Рис. 7. Сравнение относительных пределов толерантности стенотермных и эвритермных организмов (по Ф. Руттнеру)
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.
59
Значение физических и химических факторов среды
в жизни организмов
Температура – важнейший из лимитирующих факторов. Пределами
толерантности для любого вида является max и min летальные температуры,
за пределами которых вид смертельно поражает жара или холод (рис. 8).
Высокая численность
организмов
Верхняя граница
стойкости
Закон смерти
Пониженная
жизнедеятельность
Оптимальный интервал
Пониженная
жизнедеятельность
Закон смерти
Нижняя граница
стойкости
Градиент
Рис. 8. Общий закон биологической стойкости (по М. Ламотту)
Если не принимать во внимание некоторые уникальные исключения,
все живые организмы способны жить при температуре от 00 до 500С, что
обусловлено свойствами протоплазмы клетки.
На рис. 8 показаны температурные пределы жизни видовой группы,
популяции.
В «оптимальном интервале» организмы чувствуют себя комфортно,
активно размножаются и численность популяции растет. К крайним участкам температурного предела жизни – «пониженной жизнедеятельности» организмы чувствуют себя угнетенно.
При дальнейшем похолодании в пределах «нижней границы стойкости» или увеличении жары в пределах «верхней границы стойкости», организмы попадают в зону смерти и погибают.
Подавляющее большинство животных является пойкилотермными,
т.е. температура их собственного тела меняется с изменением температуры
среды (земноводные, пресмыкающиеся, насекомые…).
60
Меньшая часть животных – гомойотермные, т.е. имеют постоянную
температуру тела, не зависящую от температуры внешней среды (млекопитающие, в т.ч. человек), имеющие температуру тела 36-370С и птицы – с
температурой тела 400С.
Не меньшее значение температура играет в жизни растений. При повышении температуры на 100С интенсивность фотосинтеза увеличивается в
2 раза, но лишь до 30-350С, затем его интенсивность подает, и при 40-450С
фотосинтез вообще прекращается.
Жизненные формы животных одного вида, например, могут сформироваться под воздействием низких температур, от -20 до -400С, при которых
они вынуждены накапливать питательными веществами и увеличивать массу тела: из всех тигров самый крупный амурский тигр, живущий в наиболее
северных и суровых условиях.
Эта закономерность называется правилом Бергмана: у теплокровных
животных размер тела особей в среднем больше у популяций, живущих в
более холодных частях ареала распространения вида.
В жизни животных большое значение имеет физиологическая адаптация. Например – акклиматизация – физиологическое приспособление к перенесению жары или холода. Существуют и более радикальные формы защиты от холода: миграция, зимовка…
Свет – это первичный источник энергии, без которого невозможна
жизнь на Земле.
Свет участвует в фотосинтезе, обеспечивая создание органических соединений из неорганических растительностью Земли, и в этом его важнейшая энергетическая функция.
В фотосинтезе участвует лишь часть спектра от 380 до 760 нм (нанометров), которую называют областью физиологически активной радиации
(ФАР). Желто-зеленые лучи отражаются, что и придает хлорофиллоносным
растениям зеленую окраску.
61
Свет не только энергетический ресурс, но и важнейший экологический
фактор, существенно влияющий на биоту, адаптационные процессы и явления в организмах.
Важное значение для организмов имеет интенсивность освещения. Растения по отношению к освещенности подразделяются на:
- светолюбивые (луговые травы, сорняки, хлебные злаки);
- тенелюбивые (таежные ельники, дубравы, тропические леса);
- теневыносливые (черника).
Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регуляторные
адаптации организмов. Фотопериодизм – реакция организма на сезонные
изменения длины дня.
Суточные ритмы помогают человеку чувствовать время
и это называется «биологическими часами». Птицам «биологические часы» помогают при перелетах ориентироваться по
солнцу и вообще ориентируют организмы в более сложных
ритмах природы (задача о растении в подвале).
Человек научился использовать явления фотопериодизма
(изменять искусственно длину светового дня, изменяя сроки
цветения и плодоношения растений).
Вода – физиологически необходима любой протоплазме и с экологической точки зрения является лимитирующим фактором.
В наземно-воздушной среде этот абиотический фактор характеризуется величиной количества осадков, влажности, иссушающими свойствами
воздуха и доступной площадью водного запаса.
Количество
атмосферных
осадков
обусловлено
физико-
географическими условиями и неравномерно распределено на земном шаре.
Вода расходуется растениями на фотосинтез, всего около 0,5% всасывается клетками, а 97-99% уходит на испарение через листья. В зависимости
от способов адаптации растений к влажности выделяют несколько экологических групп:
- гигрофиты – наземные растения, живущие в очень влажных почвах
(папирус, рис);
62
- мезофиты – переносят незначительную засуху (большинство культурных растений, растительность дубрав);
- суккуленты – растения сухих степей и пустынь, способные накапливать влагу в лесистых стеблях и листьях (кактус, алоэ).
У животных по отношения к воде выделяют свои экологические группы:
- гигрофилы (влаголюбивые);
- мезофиллы (средне влаголюбивые);
- ксерофилы (сухолюбивые).
Способы регуляции водного баланса у животных различают:
- поведенческие (периодическое посещение водоемов, переход к ночному образу жизни);
- морфологические (приспособления, задерживающие воду в теле:
раковины, роговые покровы у рептилий);
- физиологические, за счет обмена веществ, позволяющего обходится
без питьевой воды длительное время (верблюд – потеря воды может быть
примерно 27%, овца – 23%, собака – 17%). Человек погибает при 10% потере воды в организме.
Вода – достаточно плотная среда, оказывающая ощутимое сопротивление движению животных. Поэтому для гидробионтов характерна обтекаемая форма тела (акула, дельфин).
Воздушная среда имеет малые плотности и подъемную силу, незначительную опорность. Поэтому в ней нет постоянно живущих организмов и
все ее обитатели связаны с поверхностью Земли.
Но воздушная среда оказывает на организм не только физическое, но и
химическое воздействие, обеспечивая им движение и фотосинтез. Например,
ветер, подобно течениям в реках, может оказывать и прямое воздействие на
растения, на их рост. Пример: флаговая форма сосны на побережье Балтийского моря.
63
Атмосферное давление оказывает весьма существенное экологическое воздействие на позвоночных животных, которые из-за этого не могут
жить выше 6000 м над уровнем моря.
Химические факторы воздушной среды: N2 – 78,8%, О2 – 20,8%, аргона – 0,9% (инертных газов), CО2 – 0,03%.
По современным данным концентрации СО2 и О2 в значительной степени лимитирующие факторы даже в наземных
условиях: содержание СО2 находится в min, а О2 – в max толерантности растений по этим факторам (Ю. Одум, 1986 г.).
Тем не менее, пока в приземной части атмосферы нет перетока О2 или избытка СО2.
В почвах и в подстилающих их породах, вплоть до уровня грунтовых
вод, углекислого газа уже 10%, а – О2 становится лимитирующим фактором
для аэробных организмов, что приводит к замедлению размножения отмершей органики.
Совместное действие температуры и влажности
Температура и влажность, действуя в непрерывном единстве, определяют «качество» климата: высокая влажность в течение года сглаживает сезонные колебания температур – это морской климат; высокая сухость воздуха приводит к резким колебаниям температур – это континентальный климат.
Разнообразие климата на просторах России создает большое разнообразие экологических условий, и, как следствие, флора и фауна нашей страны
отличается широким видовым разнообразием и пока еще остается одной из
богатейших в мире.
Водная среда
Здесь основные экологические факторы – течения и волнения в реках,
морях, океанах, действующие практически постоянно.
Эти факторы могут косвенно влиять на организм, изменяя ионный состав и минерализацию воды, тем самым, изменяя состав и концентрацию
питательных веществ, а также оказывать и прямое воздействие, вызывающее
64
адаптацию животных и растений к течению. Например: рыбы в спокойных
реках имеют сплюснутое с боков тело (лещ, плотва), а в быстрых – округлое
сечение (форель).
В воде О2 в 20 раз меньше, чем в атмосфере, и здесь он является лимитирующим фактором. Источники О2 в воде – диффузия из атмосферного
воздуха и фотосинтез водорослей.
Лимитирующее действие СО2 в воде выражено не явно, но его высокое содержание ведет к гибели рыб и других животных.
При растворении СО2 в воде образуется слабая угольная кислота
Н2СО3, легко образующая карбонаты и бикарбонаты. Карбонаты – источник
питательных веществ для построения раковин и костной ткани.
Своеобразным комплексом физического и химического воздействия на
биоту в наземно-воздушных условиях являются пожары.
Пожары различают верховые (уничтожают всю растительность и
большинство животных) и низовые (обладают избирательностью, способствуют развитию адаптирования к огню организмов).
Человек использует искусственные палы как фактор управления средой. Они играют большую роль в обновлении и оздоровлении лесов в районах умеренной зоны.
Биогенные вещества как экологические факторы
Биогенные соли и элементы являются лимитирующими факторами.
Одни из элементов требуются организмам в относительно больших дозах
(макроэлементы), другие – в малых дозах (микроэлементы). Растения получают их из почвы, реже – из воды, а животные и человек – с пищей.
Первостепенное значение имеют азот (N) и фосфор (Р). Фосфор – это
важнейший и необходимый элемент протоплазмы. Азот – входит во все
белковые молекулы. Основной источник азота – атмосферный воздух, а
фосфора – лишь горные породы и отмершие организмы.
Лишь немногим по своему значению этим элементам уступают калий,
кальций, сера и магний.
65
Калий входит в состав клеток, играет важную роль в работе нервной системы животных и человека, способствует росту растений. Кальций является
составной частью раковин и костей животных, необходим растениям. Сера –
входит в состав некоторых аминокислот, витаминов, коферментов. Магний –
необходимая часть молекул хлорофилла, входит в состав рибосом растений
и животных. Для растений также необходимы железо, марганец, медь, цинк,
бор, хлор.
Ресурсы живых существ как экологические факторы
Ресурсы живых существ – это вещества, из которых состоят их тела;
энергия, вовлекаемая в процессы жизнедеятельности, а также места, где
протекают фазы их жизненного цикла.
Например, зеленое растение создается из Н2О, СО2, О2, биогенных веществ (пищевой ресурс) и солнечной радиации (ресурс энергетический).
Территория, где организмы размножаются, проходят стадии своего
развития – это ресурс среды.
Классификация ресурсов:
Ресурсы живых существ делятся на незаменимые и взаимозаменяемые.
Незаменимые ресурсы – это когда один не в состоянии заменить другой.
Взаимозаменяемые ресурсы – это когда любой из двух ресурсов
можно заменить другим.
Например, добычу у плотоядных животных (одну косулю) можно заменить несколькими зайцами.
Экологическое значение пищевых ресурсов – это сами организмы.
В пищевой цепи каждый предшествующий потребитель превращается в пищевой ресурс для следующего потребителя. Хищнику необходимо отыскать,
изловить, умертвить и съесть добычу.
Питательная ценность растений и животных различна. Отличие растительной пищи в том, что растительные клетки окружены станками, состоя-
66
щими из целлюлозы, представляющие собой волокна, не усвояемые консументами.
Травоядным животным, чтобы переварить растительную пищу, необходимо ее тщательно пережевывать (жвачные животные), а птицы перетирают ее в своем мускулистом желудке. В пищеварительном тракте травоядных, рубце, поселяются микроорганизмы, которые помогают расщеплять
целлюлозу. Плотоядным же вообще жевать ничего не нужно, так как в мясе
жертвы все компоненты, необходимые для жизни, содержатся в готовом виде. Поэтому корм можно заглотнуть целиком. У них проблема – изловить
«обед».
Любой организм стремится оградить себя от своего потребителя. Эти
«средства защиты» есть и у растений и животных. Они делятся на физические, химические, морфологические, поведенческие.
Эти средства оказывают воздействие и на организмы – потребители –
наиболее приспособленные «пожиратели» разрабатывают все более изощренные средства нападения, а «пожираемые» все более изощренные средства защиты. В результате возникает эволюционное давление одного организма на другой и эволюция каждого зависит от эволюции другого. Такие
явления называют сопряженной эволюцией или коэволюцией.
В дикой природе существует разные способы защиты.
Использование химических веществ для защиты или нападения встречается на всех уровнях эволюционного развития:
 В романе Томаса Манна «Волшебная гора» описываются злоключения путника, который имел неосторожность заснуть под сенью анчара. Листья этих больших деревьев выделяют мелкие капельки, образующие в окружающем воздухе ядовитый аэрозоль.
 В центральной Америке произрастает ядовитое дерево, которое местные жители называют «мансенилья». У этого дерева ядовиты не только плоды, но и едкий латекс, стекающий с ветвей и
оставляющий на коже долго не заживающие язвы.
 Еще Плиний Старший отмечал в свои трудах, что тень от дерева грецкого ореха отравляет те растения, на которые она падает.
Сегодня ученые знают, что фитотоксическим началом является вещество (юглон) вместе с дождем оно попадает из листьев в почву.
 Корни персикового дерева содержат в большом количестве
67
вещество (амигдалин), которое может распадаться с образованием
синильной кислоты. И люди, и домашний скот часто становились
жертвами этого явления.
Достаточно сложен вопрос взаимоотношений насекомых и
растений. Привлечение насекомых душистыми веществами (аттрактантами) способствует опылению и является классическим
примером межвидовых взаимодействий.
 Пчелы, собирая пищу (пыльцу и нектар), как правило, стараются избегать те растения, пыльца которых либо мало питательна
(хвойные), либо представляет для них опасность. Но при неблагоприятных условиях они бывают вынуждены собирать пыльцу с лютиков, конского каштана и серебристой липы и погибают массами
от ядовитой для них пищи.
 Травоядные животные – тоже частные жертвы ядовитых растений вроде болиголова или лютика. В Западных штатах США в некоторых стадах наблюдается удивительная извращенность вкуса:
животные ищут и поедают именно ядовитые бобовые растения
(напрашивается сравнение с алкоголизмом и наркоманией у человека). Известно, что козы с удовольствием поедают табак, так как они
не чувствительны к никотину. Они также любят рододендроны, которые для них ядовиты.
Химическое оружие действует как средство нападения в
тех случаях, когда животные имеют усовершенствованный орган для нанесения, разбрызгивания и впрыскивания яда.
Агрессивное поведение – явление редкое в природе (исключение представляет человек), и у большинства животных нападение – это лишь защитная реакция.
Пространство как ресурс
Растения и животные конкурируют в занимаемом ими пространстве
прежде всего за ресурсы, а не за некую площадь, где они могут размножаться.
Пространство может стать и лимитирующим ресурсом, если при избытке пищи оно не сможет вместить в свои размеры все организмы, которые
могли бы успешно жить в этом пространстве за счет избытка его ресурсов.
Например: скальная поверхность может быть настолько плотно заселена мидиями, что другим моллюскам, потенциально способным еще прокормится на этой площади, места уже не останется. Таким образом, пищевой
ресурс – может быть «отнят» одним видом организмов у другого.
68
Тема 6. Биотические сообщества
Под биотическим сообществом понимается биоценоз, поскольку сообщество представляет собой население биотопа – места жизни биоценоза.
Биоценоз – это надорганизменная система, состоящая из трех компонентов: растительности, животных, микроорганизмов.
Стабильность биоценоза (сообщества) определяется количественной
регуляцией численности одних видов другими, а его размеры зависят от
внешних причин – от величины территории с однородными абиотическими
свойствами, то есть биотопа. Функционируя в непрерывном единстве, биоценоз и биотоп образуют биогеоценоз или экосистему. Границы биоценоза
совпадают с границами биотопа и, следовательно, с границами экосистемы.
Биотическое сообщество (биоценоз) – это более высокий уровень организации, чем популяция, которая является его составной частью.
Биоценоз обладает сложной внутренней структурой. Выделяют видовую и пространственную структуры биоценозов.
Видовая структура биоценоза
Для существования сообщества важна не только величина численности организмов, но еще важнее видовое разнообразие, которое является основой биологического разнообразия в живой природе. Согласно Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро) 1992 г. под
биоразнообразием понимается разнообразие в рамках вида, между видами
и разнообразие экосистем.
Разнообразие в рамках вида является основой стабильности в развитии
популяций, разнообразие между видами и, следовательно, популяциями –
основа существования биоценоза, как основной части экосистемы.
Видовая структура биоценоза характеризуется видовым разнообразием и количественным соотношением видов, зависящих от ряда факторов.
69
Главными лимитирующими факторами являются температура, влажность и недостаток пищевых ресурсов. Поэтому биоценозы (сообщества) экосистем высоких широт,
пустынь и высокогорий наиболее бедны видами.
Богатые видами биоценозы – тропические леса, с разнообразным животным миром и где трудно найти даже два
рядом стоящих дерева одного вида.
Богатство видового состава биоценозов зависит от возраста сообщества: молодые, только начинающие развиваться – бедны видами по сравнению со зрелыми сообществами.
Видовое разнообразие – это число видов в данном сообществе или
регионе.
Видовое разнообразие взаимосвязано с разнообразием условий среды
обитания. Чем больше организмов найдут в данном биотопе подходящие им
условия для себя, тем больше видов там поселятся.
Важным показателем является количественное соотношение числа видов между собой.
Одно дело, когда среди ста особей содержат пять видов
в соотношении 96:1:1:1:1 и другое, если они соотносятся как
20:20:20:20:20. Последнее, явно предпочтительнее, так как
первая группировка значительно однообразнее.
Наиболее благоприятные условия для существования множества видов характерны для переходных зон, называемых экотонами. Ярким примером является «лесная опушка», на которой пышнее и богаче растительность,
гнездится больше птиц, больше насекомых, чем в глубине леса.
Виды, которые преобладают по численности, называются доминантами данного сообщества. Они определяют микросреду (микроклимат) всего сообщества и их удаление грозит полным разрушением биоценоза (полная вырубка леса).
70
«Второстепенные виды» – малочисленные и даже редкие – тоже очень
важны в сообществе. Их наличие – это гарантия устойчивого развития сообщества.
При оценке биоразнообразия биоценоза нужно учитывать размеры организмов. В биоценоз входят и бактерии, и микроорганизмы. Поэтому возможны следующие направления:
- с точки зрения систематики (птицы, насекомые);
- с точки зрения экологоморфологии (деревья, травы, мхи);
- с точки зрения размера (микрофауна, мезофауна).
Внутри биоценоза существуют особые структурные объединения –
консорции.
Консорция – группа разнообразных организмов, поселяющихся на теле или в теле особи какого-либо определенного вида – центрального члена
консорции – способного создавать вокруг себя определенную микросреду.
Биоценоз – это система связанных между собой консорций.
Пространственная структура биоценоза
Виды в биоценозе образуют и определенную пространственную
структуру. Прежде всего четко определяется вертикальное ярусное строение
в лесах умеренного и тропического поясов.
Например, в широколиственных лесах можно выделить 5-6 ярусов:
I – деревья первой величины (дуб, липа, вяз);
II – деревья второй величины (рябина, яблоня, груша, черемуха);
III – подлесок кустарниковый (крушина, жимолость);
IV - состоит из высоких трав;
V, VI – состоит из низких трав.
Ярусность позволяет растениям более полно использовать световой
поток – в верхних ярусах – светолюбивые, в нижних – теневыносливые, и в
самом низу – улавливающие остаток света – тенелюбивые растения. Ярусность выражена и в травянистых сообществах, но не столь явно, как в лесах.
71
В вертикальном направлении, под воздействием растительности, изменяется микросреда, повышается температура, изменяется газовый состав.
Изменения микросреды способствует образованию и определенной
ярусности фауны – от насекомых, птиц и до млекопитающих.
Экологическая ниша. Взаимоотношения организмов в биоценозе
Экологическая ниша – место вида в природе, преимущественно в
биоценозе, включающее как положение его в пространстве, так и функциональную его роль в сообществе.
Важно подчеркнуть, что ниша не просто физическое
пространство, занимаемое организмом, но и его место в сообществе, определяемое его экологическими функциями.
Ю. Одум (1975 г.) образно представил экологическую
нишу как занятие, «профессию» организма в той системе видов, к которой он принадлежит, а его местообитание – это
«адрес» вида.
Значение экологической ниши позволяет ответить как,
где и чем питается вид, чьей добычей он является, каким образом и где он отдыхает, размножается.
Модель экологической ниши: для наземного растения
t
влажность
Двухмерная ниша, так как для существования наземного растения достаточно определенного сочетания температуры и влажности.
Для морского животного уже необходимо, кроме температуры, еще,
как минимум, два фактора – соленость и концентрация кислорода. И речь
уже пойдет о трехмерной нише.
t
влажность
соленость
72
Реализованная ниша – это часть фундаментальной ниши, которую
данный вид в состоянии «отстоять» в конкурентной борьбе.
Устойчивость экосистемы поддерживается взаимоотношениями организмов разных видов (табл. 1).
Таблица 1
Классификация биотических взаимодействий популяций двух видов
(по Ю. Одуму)
Тип
взаимодействия
Нейтрализм
Виды
1 2
0 0
Конкуренция (непосредственное взаимодействие)
Конкуренция (взаимодействие из-за ресурсов)
Аменсализм
-
-
-
-
-
0
Паразитизм
+
-
Хищничество
+
-
Комменсализм
+
0
Протокооперация
(содружество)
Мутуализм
+
+
+
+
Общий характер взаимодействия
Ни одна популяция не влияет на другую (белки-лоси, обезьяны-слоны)
Прямое взаимное подавление обоих
видов
Непрямое подавление при дефиците
внешнего ресурса
Популяция 2 подавляет популяцию 1,
но сама не испытывает отрицательного воздействия (сине-зеленые водоросли)
Популяция-паразит 1 состоит из
меньших по величине особей, чем популяция 2 (вши, клещи)
Особи хищника 1 обычно крупнее,
чем особи жертвы 2
Популяция 1, комменсал получает
пользу от объединения; популяция 2 –
это объединение безразлично
Взаимодействие благоприятно для
обоих видов, но не обязательно
Взаимодействие благоприятно для
обоих видов и обязательно
Условные обозначения:
«0» - означает, что популяция не испытывает никакого влияния при взаимодействии видов;
«+» - что она получает пользу от взаимодействия видов;
«–» - что она испытывает отрицательное влияние такого взаимодействия.
73
У экологов принято различать отношения горизонтальные – между
организмами одного трофического уровня, то есть одного типа питания и
вертикальные – между организмами разных трофических уровней, то есть
с разным типом питания.
Вертикальные взаимоотношения более разнообразны и объединяются
в два типа: мутуализм (взаимопомощь) и антагонизм (уничтожение) одних
особей другими в процессе питания.
Главный тип горизонтальных отношений – это конкуренция. Принципиальных отличий у внутривидовой и межвидовой конкуренции нет. В
обоих случаях виды соревнуются в искусстве потреблять ограниченный ресурс.
Между организмами разных видов одного трофического уровня возможна и взаимопомощь, и помощь в одностороннем порядке. Однако такая
помощь всегда временна и сменяется конкуренцией.
74
Пример: взаимоотношения «растений и нянь» и их «подопечных». Береза и ольха могут быть «нянями» для ели: «няня» защищает всходы ели от прямых солнечных лучей, на открытом месте
елочки не смогут вырасти. Однако после того как «подопечный»
повзрослеет, характер отношений меняется, возникает конкуренция, в ходе которой «няня» погибает. При этом устойчивость экосистемы не нарушается, так как семена березы и ольхи легкие, и за
время, пока деревья работают «нянями», будут перенесены ветром
в другое место. Все начинается сначала.
Для устойчивости экосистем большую роль играет мутуализм, частный случай симбиоза, то есть устойчивого сосуществования организмов.
Наиболее распространены следующие варианты мутуализма:
взаимовыгодные отношения с грибами свойственны большинству
видов сосудистых растений (папоротник, хвощ, цветковые), которые формируют микоризу («грибокорень»).
Грибы не способны к фотосинтезу и получают из корней
растений органические вещества. За это они «расплачиваются» с
растениями, играя роль насосов, которые всасывают воду и растворенные в ней питательные элементы.
Общеизвестны мутуалистические отношения растений с
насекомыми-опылителями; млекопитающих с микроорганизмами,
населяющими их пищеварительный тракт.
Экологическое равновесие устанавливается и между популяциями, которые связаны антагоническими отношениями в пищевых
цепях, когда один из участников этих отношений поедает другого
(«растение»-«фитофаг»), «жертва-хищник». Равновесие поддерживается за счет того, что поедаемый вырабатывает оборонительные приспособления (медленно растущие растения – горькие
или колючие), жертвы убегают, прячутся и маскируются, хотя и
поедающий учится догонять и находить жертву и кроме того
может надеть «маскировочный халат» (полосатые тигры и щуки).
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 выживании.
75
Не существует двух различных видов, занимающих одинаковые экологические ниши, но есть близкородственные виды, часто настолько сходные,
что им требуется, по существу, одна и та же ниша. В этом случае, когда ниши частично перекрываются, возникает особо жесткая конкуренция, но в
конечном итоге нишу занимает один вид.
Явление экологического разобщения близкородственных (или сходных
по иным признакам) видов получило название принципа конкурентного исключения, или принципа Г.Ф. Гаузе в честь русского ученого, доказавшего
его существование в 1934 г.
Г.Ф. Гаузе экспериментально исследовал конкуренцию двух видов инфузорий: paramecium caudatum, paramecium аurelia. Их культировали раздельно и вместе, используя строго дозированную бактериальную пищу.
При раздельном культивировании их численность росла по обычной Sобразной кривой:
1 paramecium caudatum
2 paramecium аurelia
При совместном – побеждала в конкурентной борьбе – вторая. Поражение первой объясняется тем, что она плохо переносила накопление в среде
продуктов метаболизма бактерий и размножалась медленнее.
Но при смене пищи, например, при замене ее на дрожжи, побеждала
уже первая, так как в благоприятных для обоих видов условиях она имела
преимущество за счет способности к более быстрому размножению и увеличению своей численности.
К «положительным видам взаимодействия» относят комменсализм, кооперацию и мутуализм. Эти взаимодействия можно рассматривать как стадии последовательного совершенствования взаимодействий в ходе эволюции.
76
Ю. Одум призывает человека к установлению мутуалистических отношений с природой, поскольку человек является гетеротрофом, зависящим от
имеющихся ресурсов. В противном случае он, подобно «неразумному» и
«неприспособленному» паразиту, может довести эксплуатацию своего «хозяина» до такой степени, что погубит себя.
В 90-х годах ХХ века английские и канадские ученые пришли к
выводу, что в лесах деревья и кустарники помогают друг другу
благодаря действию законов всеобщей поддержки. Информация,
которая обеспечивает такое взаимодействие, передается под
землей, благодаря грибку микориза, имеющемуся на корнях всех
растений.
Устойчивость (гомеостаз) зависит прежде всего от изменений в структуре сообщества, от динамики видового разнообразия, от изменений в трофической цепи и т.д.
Комменсализм (от лат. com – вместе, mensa – стол, трапеза) – сотрапезничество.
Основой для комменсальных отношений может быть общее пространство, субстрат, кров, передвижение, чаще пища.
Комменсализм встречается в природе реже, чем паразитизм. Классический пример: обитание рыбы средиземноморского
карапуса в полости тела некоторых видов голотурий (морские
огурцы, класс иглокожих), которых она использует как убежище.
Паразитизм (греч. para – нахлебник, sitos – хлеб, пища). Он
известен на всех уровнях организации живого, начиная с вирусов и
бактерий, кончая высшими растениями и многоклеточными животными.
Паразиты делятся на обязательных и необязательных (факультативных).
Различают временный паразитизм (только для питания) и
стационарный (проводят на хозяине большую часть жизни).
77
Тема 7. Экологические системы
Концепция экосистем
Ю. Одум: «Любая биосистема, включающая все совместно функционирующие организмы (биотические сообщества) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ
между живой и неживой частями, представляют собой экологическую систему».
Главным предметом исследования при экосистемном подходе в экологии становятся процессы трансформации вещества и энергии между биотой
и физической средой, то есть возникающий биогеохимический круговорот
веществ в экосистеме в целом (рис. 9).
Солнце
Продуценты
Консументы
I порядка
Консументы
II порядка
Редуценты
Минеральные
вещества
Рис. 9. Схема переноса вещества (сплошная линия) и энергии (пунктирная линия) в природных экосистемах
Распространению идеи экосистемы способствовала 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.
78
В связи с этим выделяют: микроэкосистемы (подушка лишайника),
мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь), макроэкосистемы (континент, океан) и,
наконец, глобальную экосистему (биосфера Земли).
Типичным примером экосистемы может быть подушка лишайника на
стволе дерева. Замкнутость круговорота в такой системе невелика: часть
продуктов распада выносится за пределы лишайника дождевыми водами.
Границы этой экосистемы очерчены границами лишайника, но ее существование будет достаточно стабильным, если вынос вещества будет
компенсироваться поступлением вещества.
Но есть экосистемы, в которых 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.
Запасы веществ, усваиваемые организмами, и, прежде всего, продуцентами, в природе небезграничны. Если бы эти вещества не использовались
многократно, не были бы вовлечены в вечный круговорот, то жизнь на Земле была бы вообще невозможна.
Такой бесконечный круговорот биогенных компонентов возможен
лишь при наличии функционально различных групп организмов, способных
осуществлять и поддерживать поток веществ, извлекаемых ими из окружающей среды.
79
Сегодня каждый студент знает, что Лавуазье был одним из
основателей химии. Но даже самые серьезные эрудиты, возможно, не знают, что незадолго до того, как его жизнь оборвалась под
ножом гильотины, Лавуазье закончил небольшой, но исключительный по насыщенности идеями труд под названием «Кругооборот
элементов на поверхности земного шара». Появление этой работы
можно также считать днем рождения экологии (по мнению французского ученого-химика Мишеля Барбье).
Приведем несколько цитат:
«Растения получают из окружающего их воздуха, из воды и из
всей неживой природы в целом вещества, необходимые для их организма.
Животные питаются либо растениями, либо другими животными, так что, в конечном счете, вещества, из которых строится их
организм, берутся из воздуха или из минерального царства.
Наконец, брожение, гниение и сгорание непрерывно возвращают в воздух атмосферы и в минеральное царство те исходные
вещества, которые из них позаимствовали растения или животные.
Какими путями осуществляет природа этот изумительный круговорот веществ между тремя своими царствами?»
Если бы останки прекративших свое существование растений и животных не разрушались, то поверхность Земли была
бы перенасыщена органической материей, и жизнь была бы невозможной, потому что круг ее превращений не смог бы замкнуться.
С точки зрения пищевых взаимодействий организмов трофическая
структура экосистемы делится на два яруса: 1) верхний – автотрофный ярус,
или «зеленый пояс», включающий фотосинтезирующие организмы, создающие сложные органические молекулы из неорганических простых соединений; 2) нижний – гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» почв и
осадков, в котором преобладают разложение отмерших органических веществ до простых минеральных образований (С, N, СО2, Н2О, Р, О2).
Гомеостаз экосистемы
Гомеостаз – способность биологических систем (организма, популяции и экосистем) противостоять изменениям и сохранять равновесие.
Исходя из кибернетической природы экосистем – гомеостатический
механизм – это обратная связь. Например: у пойкилотермных животных
(ящерица) изменение температуры тела регулируется специальным центром
80
в мозге, куда постоянно поступает сигнал обратной связи, содержащий данные об отклонении от нормы, а от центра поступает сигнал, возвращающий
температуру к норме.
Для управления экосистемами не требуется регуляция извне – это саморегулирующие системы. Один из примеров такой системы – субсистема
«хищник-жертва».
а)
Рост
популяции
хищника
–
+
Рост
популяции
жертвы
Переменная системы
Положительная обратная связь «усиливает отклонения», например,
увеличивает чрезмерно популяцию жертвы.
Отрицательная обратная связь «уменьшает отклонение», например,
ограничивает рост популяции жертвы за счет увеличения численности популяции хищника.
Если в эту систему не вмешиваются другие факторы (например, человек уничтожил хищника), то результат саморегуляции будет описываться
гомеостатическим плато – областью отрицательных связей, а при нарушении системы начинают преобладать обратные положительные связи, что
может привести к гибели системы (рис. 10).
б)
Гибель
Верхний предел положительной
обратной связи
Гомеостатическое плато
Область отрицательной
обратной связи
Гибель
Нижний предел положительной
обратной связи
Стресс
Рис. 10. Элементы кибернетики по Ю. Одуму (1975 г.)
81
Наиболее устойчивы крупные экосистемы и самая стабильная из них –
биосфера, а наиболее неустойчивы – молодые экосистемы.
Это объясняется тем, что в больших экосистемах создается саморегулирующий гомеостаз за счет взаимодействия круговоротов веществ и потоков энергии.
Энергия экосистемы
Жизнь на земле существует за счет солнечной энергии.
Свет – единственный на Земле пищевой ресурс, энергия которого, в
соединении с углекислым газом и водой, рождает процесс фотосинтеза.
Фотосинтезирующие растения создают органическое
вещество, которым питаются травоядные животные, ими
питаются плотоядные и т.д., в конечном итоге растения
«кормят» весь остальной живой мир, то есть солнечная
энергия через растения как бы передается всем организмам
Энергия передается от организма к организму, создающему пищевую
или трофическую цепь: от автотрофов (продуцентов) к гетеротрофам (консументам) и так 4-6 раз с одного трофического уровня на другой.
Трофический уровень – это места каждого звена в пищевой цепи
(табл. 2):
Таблица 2
Взаимосвязи организмов в биогеоценозе
Продуценты
Консументы
Консументы
Консументы
I порядка
II порядка
III порядка
Деревья, ели, ку-
Кузнечики, заяц,
Ящерица, змея
Орел, бекрут,
старники
мышь
ястреб
Редуценты, разлагающие органические вещества
I трофический уровень – это продуценты;
II трофический уровень – это растительноядные консументы;
82
III трофический уровень – это плотоядные консументы, питающиеся
растительноядными консументами;
IV трофический уровень – это консументы, потребляющие других
плотоядных.
Энергетические затраты связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание, оцениваемое
общим количеством СО2, выделяемого организмом.
Значительно меньшая часть идет на образование тканей и некоторого
запаса питательных веществ, то есть на рост.
Значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических
реакциях в организме и, особенно, при активной мышечной работе.
Таким образом, большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой, более высокий, теряется. Потери составляют около 90%, на каждый следующий уровень передается не более 10% энергии от
предыдущего уровня.
Пример: калорийность продуцента 1000 Дж, при попадании в тело фитофага остается 100 Дж, в теле хищника уже 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на него останется лишь 1Дж, то есть 0,1% от калорийности растительной пищи.
Однако такая строгая картина перехода энергии с уровня на уровень
не совсем реальна, поскольку трофические цепи экосистем сложно переплетаются, образуя трофические сети. Но конечный итог: рассеивание и потеря
энергии, которая, чтобы существовала жизнь, должна возобновляться.
Биологическая продуктивность экосистем
Продуктивность экологической системы – это скорость, с которой
продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фото (хемо) синтеза,
образуя органическое вещество, которое затем может быть использовано в
качестве пищи.
Различают разные уровни продуцирования, в которых создается первичная и вторичная продукция.
83
Органическая масса, создаваемая продуцентами в единицу времени
называется первичной продукцией, а прирост за единицу времени массы
консументов – вторичной продукцией.
Биологическая продуктивность
Первичная биомасса и
Вторичная биомасса и
энергия, производимые
энергия, производимые
продуцентами
всеми консументами
Валовая –
Чистая,
общее количество
оставшаяся после расхода
созданного органического
на дыхание и корневые
вещества
выделения
Растения тратят на дыхание от 40 до 70% валовой продукции. Меньше
(40%) тратят планктонные водоросли. Та часть валовой продукции, которая
не израсходована «на дыхание», называется чистой первичной продукцией:
она представляет собой величину прироста растений, и именно эта продукция потребляется консументами и редуцентами.
Все живые компоненты экосистемы – продуценты, консументы и редуценты составляют общую биомассу (живой вес). На образование биомассы расходуется не вся энергия. В стабильных сообществах практически вся
продукция тратится в трофических сетях, и биомасса остается постоянной.
Экологические пирамиды
Функциональные взаимосвязи, то есть трофическую структуру, можно
изобразить графически, это так называемые экологические пирамиды.
Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие
уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.
Известны три основных типа экологических пирамид:
1) пирамида чисел (пирамида Элтона) – отражает численность организмов на каждом уровне;
84
2) пирамида биомассы – характеризует массу живого вещества;
3) пирамида продукции (энергии) – показывает изменение первичной продукции (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 лежат:
1) тот факт, что для уравновешивания массы большего тела необходимо много маленьких тел;
2) от низших трофических уровней к высшим теряется количество
энергии (примерно 90%);
3) чем мельче организм, тем интенсивнее обмен веществ, тем выше
скорость роста численности и биомассы.
В наземных экосистемах действует следующее правило пирамиды
биомасс: суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их
масса превышает всю биомассу хищников (рис. 11).
ПК
РК
П
Коралловый риф
ПК
РК
П
Залежь
З
Ф
Пелагиаль океана
П – продуценты; РК – растительноядные консументы;
ПК – плотоядные консументы; Ф – фитопланктон;
З – зоопланктон.
Рис. 11. Пирамиды биомасс некоторых биоценозов (по Ф.Дре, 1976 г.)
Для океана приведенное правило пирамиды биомасс недействительно
– пирамида имеет перевернутый вид.
85
Для экосистем океана характерна тенденция накапливания биомассы
на высоких уровнях у хищников. Хищники живут долго, и скорость оборота
их генераций (воспроизводство) мала, но у продуцентов – фитопланктонных
водорослей – оборачиваемость в сотни раз может превышать запас биомассы.
В природе, в стабильных системах биомасса изменяется незначительно, то есть природа стремится использовать полностью валовую продукцию.
Динамика экосистем
Экосистема испытывает те же динамические процессы, что и ее популяции и сообщества: цикличность, смену популяций и биоценозов и др.
Цикличность
Суточная, сезонная и многолетняя периодичность внешних условий и
проявление внутренних ритмов организмов, флуктуации популяций отражаются в цикличности всего сообщества – биоценоза.
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).
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, опадении листвы. Это в слабой форме выражено даже во
влажных тропических лесах.
Многолетняя цикличность проявляется благодаря флуктуациям
(воздействием) климата. Многолетняя периодичность в изменении численности биоценоза, вызванная резко неравномерным выпадением осадков по
86
годам, с периодическим повторением засух хорошо иллюстрируется повторением массовых размножений животных, например, саранчи.
Многолетняя цикличность может быть связана с особенностями развития растений – эдификаторов. Например, в буковых лесах сомкнутые кроны многолетних деревьев угнетают растительность нижних ярусов, но, как
только бук упадет, начинают бурно расти молодые деревья и крона восстанавливается. Так происходит обновление букового леса, на которое в естественных условиях требуется цикл 250 лет.
Экологическая сукцессия
Ю. Одум под экологической сукцессией понимает вообще весь процесс развития экосистемы. Более конкретное определение дает Н.Ф. Реймерс.
Сукцессия – последовательная смена биоценозов, преемственно возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов или воздействием человека.
Изменения в сообществе в результате сукцессии носят закономерный
характер и обусловлены взаимодействием организмов между собой и с
окружающей средой.
Экологическая сукцессия происходит в определенный отрезок времени, в который изменяется видовая структура сообщества и абиотическая
среда его существования, вплоть до возникновения стабилизированной системы. Такую стабилизированную экосистему называют климаксной.
В таком 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 приходит через ряд стадий развития, первые из которых часто называют стадией первых поселенцев.
В более узком смысле, сукцессия – это последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе.
87
В зависимости от первоначального состояния различают первичную
(это, если формирование сообществ начинается на первоначально свободном субстрате (пространстве) и вторичную (это последовательная смена одного сообщества другим, более совершенным для данных абиотических
условий) сукцессии.
Первичная сукцессия может возникнуть на склоне после оползня или
обвала, на образовавшейся отмели при отступлении моря и изменении русла
рекой, на антропогенных участках (свежая лесосека, намывная полоса морского берега, искусственные водохранилища).
В качестве примера первичной сукцессии приведем зарастание еловым лесом новых территорий на севере нашей страны.
Ельник – это последняя климаксная (стабилизированная) стадия развития экосистемы в климатических условиях Севера, то есть коренной биоценоз.
Вначале здесь развиваются березняки, ольховники, осинники, под пологом которых растут ели.
Постепенно, они перерастают березу и вытесняют ее,
захватывая пространство.
Семена обеих древесных пород легко переносятся ветром, но, если даже они прорастут одновременно, береза растет намного быстрее – к 6-10 годам ель едва достигает 5060 см, а береза – 8-10 м.
Под уже сомкнутыми кронами берез возникает уже свой
микроклимат, обилие опада листьев способствует формированию особых почв, поселяются многие животные, появляется разнообразный травянистый покров, создаются консорции
берез с окружающей средой.
А ель продолжает расти в столь благоприятной обстановке, и, наконец, береза не выдерживает конкуренции с ней
за пространство и свет и вытесняется елью.
Классическим примером природной сукцессии является «старение»
озерных экосистем – эвтрофикация. Она выражается в зарастании озер растениями от берегов к центру. В конечном итоге озеро превращается в торфяное болото, представляющее собой устойчивую экосистему. Эвтрофика-
88
ция водоема в значительной степени определяется превносом извне биогенных элементов.
Антропогенная сукцессия проявляется в эвтрофикации. Бурное «цветение» водоемов, особенно искусственных водохранилищ, обусловлено деятельностью человека. «Пусковым механизмом» процесса обычно является
обильное поступление фосфора, азота, углерода и кремния.
Ключевую роль в эвтрофикации играет фосфор. При поступлении
биогенов резко возрастает продуктивность водоемов за счет роста численности и биомассы водорослей и прежде всего сине-зеленых (из царства дробянок). Многие из них могут фиксировать молекулярный азот из атмосферы,
тем самым, снижая лимитирующее действие азота, а некоторые способны
освобождать фосфор из продуктов метаболизма различных водорослей. Водоросли захватывают водоем и доминируют в биоценозе. Биоценоз практически полностью перерождается. Наблюдаются массовые заморы рыб.
В особо тяжелых случаях вода приобретает цвет и консистенцию горохового супа, неприятный гнилостный запах: жизнь аэробных организмов
исключена.
Сукцессия наблюдается в природе не только в лесах, болотах, прудах,
но и на стволах отмирающих деревьев и в пнях, где происходит закономерная смена сапрофитов и сапрофагов, то есть сукцессии разномасштабны,
иерархичны, так же как и экосистемы.
Сукцессионные процессы и климакс
Первые поселенцы, которые приживаются на новом участке – это организмы, которые толерантны к абиотическим условиям нового для них местообитания. Они чрезвычайно быстро размножаются (саранча, эфемерная
растительность), то есть на ранних этапах в эволюции экосистемы преобладает r-стратегия (рост численности). Но постепенно возрастает видовое разнообразие за счет достаточно быстрой смены и увеличения количества популяций, и начинает возрастать К-стратегия.
89
Наконец, действия r- и К-стратегий уравновешиваются, и сообщество
становится стабильным или климаксным.
В климаксных экосистемах очень важно знать величину чистой продукции, которую можно изъять из системы и сохранить тем самым способность к самовозобновлению. Например, вырубку лесов надо вести на локальных участках. Это сократит время восстановления фитоценозов, так как
сукцессионные серии сократятся до нескольких десятилетий (30:50 лет).
Сплошная рубка приведет к разрушению всей экосистемы. Восстановление лишь почв потребует тысячелетия.
Более того, сукцессионная серия может пойти и не по пути формирования прежнего лесного сообщества, а по пути формирования пустыни и болот или других малопродуктивных систем.
Полнота сукцессий и видовое разнообразие возможны в случае
надежной «работы» круговорота питательных веществ.
Полным биологическим разнообразием обладает биосфера, которая и
является самой стабильной глобальной экосистемой. Биологическое разнообразие – это прежде всего разнообразие стабильных природных экосистем.
Системный подход и моделирование в экологии
Системный подход в экологии обусловлен формированием целого
направления – системной экологии.
Системный подход – это направление в методологии познания объектов как систем.
Система – это множество взаимосвязанных элементов, образующих
определенную целостность, единство.
Ее состав, структуру и свойства изучают посредством системного анализа, являющегося основой системного подхода и представляющего собой
совокупность методологических средств, используемых для решения сложных научных проблем.
В эту совокупность средств входит комплекс методов от простых описательных, логических до весьма сложных математических.
90
Основными системными принципами являются:
- целостность;
- структурность;
- взаимозависимость системы и среды;
- иерархичность;
- множественность описания каждой системы.
Целостность – обобщенная характеристика системы, свойства которой не сводимы к сумме свойств ее элементов и не выводимы из этих
свойств (целостность организмов более полной будет в популяции, популяции – в биоценозе).
Структурность – установление структуры и взаимозависимости
структурных элементов, обусловленности поведения системы ее структурой
(структура биоценоза, трофическая структура экосистемы и установление
измеримых связей между трофическими уровнями).
Взаимозависимость системы и среды выражается в формировании и
проявлении ее свойств в результате этого взаимодействия (взаимодействие
биоценоза и биотопа, популяций в биоценозе).
Иерархичность – это когда каждый компонент системы может рассматриваться как самостоятельная система, а сама исследуемая система является составной частью более широкой системы (уровни биологической
организации).
Экосистемы – это весьма сложные самоорганизующиеся системы со
сложной иерархической структурой, требующие множественного описания
каждой системы, что требует использования методов моделирования при
исследовании.
Построение обобщенных моделей, отражающих все факторы и взаимосвязи в системе, являются центральной процедурой системного анализа.
Понятие «модель» широко используется, например, на бытовом уровне: модель самолета, автомобиля.
91
Традиционная схема научного исследования: исследователь-объект.
Например, биолог изучает видовой состав фитопланктона под микроскопом.
Но для исследования более сложной экосистемы необходимо моделирование. Схема: исследователь – модель – объект исследования.
Например, чтобы получить представление об энергетических потоках
в экосистеме, необходимо представить модель в виде пирамиды энергий или
хотя бы пирамиды Элтона.
Модель – это вспомогательный объект, находящийся в определенном
объективном соответствии с познаваемым оригиналом и способный замещать его на отдельных этапах познания.
Моделирование – это разработка, исследование модели и распространение модельной информации на оригинал.
Достоинства моделирования проявляются там, где возможности традиционного подхода оказываются ограниченными, например, в экологии.
I этап моделирования – качественный анализ. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели.
Модели делятся на материальные (они могут быть геометрическим
подобием оригиналу, физическое моделирование) и абстрактные (вербальные, схематические, математические).
II этап моделирования – это математическая реализация логической
структуры модели.
III этап моделирования – предусматривает верификацию модели (проверку соответствия модели оригиналу).
IV этап – это изучение модели, экспериментирование с моделью и
экологическая интерпретация модельной информации.
Основная цель этапа – управление поведением моделируемой системы, пригодность модели для прогнозирования.
В экологии модели предлагается разделить на:
- популяционные модели. Описывают особенности отдельных популяций;
92
- модели биоценотического уровня. Отражают динамику биоценоза;
- модели экосистемного уровня. Отражают целостные свойства экосистем.
Резюме: биология – одна из первых наук, в которой приоритетное
значение приобрел системный подход в изучении природы, впервые в научной форме использованный Ч. Дарвиным. Особенно широко используются
системные идеи в экологии.
На новую, более высокую ступень идеи системного подхода поставлены в учении В.И. Вернадского и биосфере и ноосфере, где научному познанию предложены новый тип объектов – глобальные системы.
Такой глобальной экосистемой является биосфера, объединяющая на
основе иерархического принципа все экосистемы Земли более низких уровней.
Вопросы для обсуждения
1. Какие уровни биологической организации являются объектами
изучения экологии?
2. Как подразделяются организмы по характеру источника питания и
по экологическим функциям в биотических сообществах?
3. Какое значение имеют гомеостаз и адаптация для взаимодействия
организмов со средой?
4. На какие две крупные совокупности организмов подразделяется
биота?
5. Понятие об экологических факторах.
6. Адаптационные процессы. Значение периодических и непериодических факторов.
7. Закон минимума Либиха. Закон толерантности Шелфорда. Что понимается под диапазоном толерантности?
8. Что отражают статические и динамические показатели популяции?
9. Кривые выживания.
93
10. Саморегуляция плотности популяций.
11. Экологическая ниша.
12. Почему, по мнению Ю. Одума, человек должен строить мутуалистические отношения с природой?
13. Значение продуцирования и разложения в природе.
14. Экологические пирамиды.
Творческое задание
1. Составьте таблицу с конкретными примерами межвидовых взаимодействий организмов.
2. Составьте экологический кроссворд.
3. Составьте опорные карты по основным темам.
4. Проверь себя.
5. Решение задач и упражнений по модулю.
6. Подготовка к игре «Мозговой штурм».
7. Проверочный тест по модулю
Литература
1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. – М., 1998.
2. Барбье М. Введение в химическую экологию. – М.: Мир, 1978.
3. Бигон М., Харпер Дж., Таундсенд К. Экология – особи, популяции, сообщества. – М., 1988.
4. Гиляров А.М. Популяционная экология. – Ростов н/ Д., 2000.
5. Биологический энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1989.
6. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. – М., 1993.
94
Модуль 3. Биосфера
Цели модуля
Темы модуля
Рекомендуемые
процедуры оценки
Иметь представления о биосфере как глобальной экосистеме
Осознать роль биосферы в жизни человека и общества
 Биосфера – глобальная экосистема Земли
 Классификация природных экосистем биосферы
 Эволюция биосферы
Выпускной письменный тест (реферат) по окончании
курса
Оценка усвоения модулей (по вопросникам, упражнениям, заданиям и т.д.)
Биосфера – это среда нашей жизни, это та природа, которая нас окружает, о которой мы говорим в
разговорном языке. Человек – прежде всего – своим
дыханием, проявлением своих функций, неразрывно
связан с этой «природой», хотя бы он жил в городе
или уединенном домике.
В.И. Вернадский
Тема 8. Биосфера – глобальная экосистема Земли
Биосфера (греч. bios – жизнь, sphaira – шар, сфера) – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты.
Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.
В Солнечной системе нет другой планеты, на которой мог бы выжить
человек. Необходимым условием для жизни белковых тел является наличие
атмосферы, которая бы позволила живым существам дышать и защищала бы
планету от смертоносной коротковолновой радиации, приходящей из космоса.
Положение Земли в Солнечной системе, ее размер, плотная масса явились причиной образования у нее атмосферы особого типа, единственной в
своем роде, поэтому Земле такая радиация не угрожает, поскольку она поглощается в верхнем слое атмосферы озоновым слоем (поясом).
95
В создании атмосферы Земли огромную роль играет масса Земли.
Будь она больше, Земля, как Юпитер и Сатурн, удерживала бы часть первоначального водорода, и атмосфера ее была бы другой.
Меньшая масса способствовала бы тому, что улетучились бы не только водород, но и все другие газы.
Атмосфера Земли отличается низким содержанием углекислого газа и
высоком содержанием молекулярного кислорода.
Два фактора позволяют формировать такую атмосферу: вода океанов
и морей хорошо поглощает углекислый газ, а биосфера насыщает атмосферу
молекулярным кислородом, образующимся в процессе фотосинтеза.
Определенное расстояние Земли от Солнца позволяет создать ту температуру, которая необходима для существования белковых тел.
Ближайшие соседи Земли уже не могут поддерживать
подобную температуру: на Марсе, который расположен
дальше от Солнца, чем Земля, отмечены очень холодные ночи,
а на Венере, расположенной ближе к Солнцу, зарегистрирована температура +4850С.
Сегодня Земля – единственная известная нам планета
Солнечной системы, на которой существует белковая жизнь.
Судя по набору химических элементов, присутствующих на
Земле, она является планетой второго поколения Вселенной
(гипотеза).
Только на этой планете самоорганизация вещества достигла необычайно высокой степени развития, совершив качественный скачок к высшим формам упорядоченности.
В настоящее время кодоминируют две концепции эволюции Вселенной:
1) концепция самоорганизации Вселенной;
2) концепция креационизма (жизнь сотворена Богом).
Впервые термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии
Эдуардом Зюссом в 1875 г. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности.
96
Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько велики, что уже в первой половине ХХ века возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании – учение о
биосфере, основоположником которого явился великий русский ученый
В.И. Вернадский.
Земля и окружающая ее среда сформировалась в результате закономерного развития всей Солнечной системы.
Около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась
планета Земля.
Как и другие планеты, Земля получает энергию от
Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения.
Солнечное тепло – одно из слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов.
По новейшим данным, масса Земли составляет 6∙1021 т, объем –
1,083∙1012 км3, площадь поверхности – 510,2 млн. км2.
Размеры, а, следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты
ограничены. Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних.
К внутренним относятся ядро, мантия. К внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка земли – биосфера.
I. Литосфера (греч. литос – камень) – каменная оболочка земли,
включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 км (под океаном) до
80 км (горные породы).
Земная кора сложена горными породами:
- ≈ 70% приходится на базальты, граниты;
- ≈ 17% - преобразованные давлением и высокой температурой породы;
- ≈ 12% - осадочные породы.
Земная кора – важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горные сланцы), рудные (желе-
97
зо, алюминий, медь, олово), нерудные (фосфориты, апатиты), естественные
строительные материалы (известняки, пески, гравий).
II. Гидросфера (от греч. «гидор» - вода) – водная оболочка Земли.
Поверхностная гидросфера – водная оболочка поверхностной части
Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ,
болот, ледников, снежных покровов. Эти воды постоянно или временно располагаются на земной поверхности.
Подземная гидросфера – включает воды, находящиеся в верхней части
земной коры.
Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью земли, нижнюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко
проникает в толщу земной коры.
Основную часть гидросферы составляет Мировой океан (≈ 96,53%).
На долю подземных вод приходится 1,69% от общего объема гидросферы,
остальное (≈ 2%) – воды рек, озер, ледников.
На долю пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится
0,3% объема гидросферы.
Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды
нашей планеты.
Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание,
охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой).
III. Атмосфера (греч. «атмос» - пар) – газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли.
Первичная атмосфера сильно отличалась от современной. Она была
более плотной и состояла в основном из углекислого газа.
Резкое изменение состава атмосферы произошло приблизительно 2
млрд. лет назад и связано с зарождением жизни. Растения каменноугольного
периода в истории Земли поглотили большую часть углекислого газа и
насытили атмосферу кислородом.
98
Последние 200 млн. лет состав земной атмосферы практически остается неизменным. Сегодня атмосфера Земли обладает массой приблизительно
5,15∙1018 т, это меньше миллионной доли массы планеты.
Вблизи поверхности она содержит 78,08% – N2, азота, 20,95% – О2,
0,94% инертных газов, 0,03% углекислого газа и незначительное количество
других газов. Давление и плотность в атмосфере убывает с высотой.
На высоте 95 км плотность воздуха в миллион раз меньше, чем у поверхности. На этом уровне высоты уже растет доля легких газов и преобладающими становятся водород и гелий. Часть молекул разлагается на ионы,
образуя ионосферу.
Важную для человека часть атмосферы составляет озоносфера, содержащая очень тонкий (всего несколько см) слой озона. Она сосредотачивается на высоте 20-25 км. Озоносфера поглощает опасное для всего живого
жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, благодаря чему на Земле
сформировалась и существует жизнь.
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.
В формировании природной среды Земли велика роль тропосферы
(нижнего слоя атмосферы) и в меньшей степени стратосферы.
Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканическая пыль, а в прошлом и продукты ядерных взрывов
в атмосфере.
99
Ионосфера
95 км
Стратосфера
50 км
20 км Тропосфера
Поверхность Земли
В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные
перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды,
теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений.
К атмосферным явлениям относят: осадки, облака, туманы, грозу, гололед, пыльную (песчаную бурю), шквал, метель, изморось, иней, обледенение, полярное сияние.
Атмосфера, гидросфера, литосфера тесно взаимодействуют между собой (взаимодействие – основной механизм развития).
Практически все поверхностные геологические процессы обусловлены
этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере.
Резюме:
Биосфера – внешняя оболочка Земли, в которую входит часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), почти вся гидросфера и
верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км.
Особенность этих частей – они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты.
100
Состав и границы биосферы
Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая
экосистема состоит из абиотической и биотической частей.
Абиотическая часть представлена:
1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них есть
живые организмы;
2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни;
3) водной средой океанов, рек, озер.
Биотическая часть состоит из живых организмов, осуществляющих
важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама
жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток
атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая
обмен веществом между всеми частями биосферы (рис. 12).
Солнечная радиация
АВТОТРОФЫ
(зеленые растения)
Литосфера
Почвы
Атмосфера
Гидросфера
Гетеротрофы
(животные и микроорганизмы)
Рис. 12. Взаимосвязи живых организмов с компонентами биосферы
101
Альбедо Земли = 26% + 7% = 33%
отраженный поток лучистой энергии
Альбедо Земли = ко всему упавшему на поверхность потоку
Рис. 13. Поступление и распределение солнечной энергии в пределах
биосферы Земли
В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа:
1) стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности жизни»;
2) обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию (перемещение).
Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых
организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни
пространства. Но любая экосистема имеет границы и биосфера в том числе.
Под живым веществом В.И. Вернадский понимал все количество живых организмов планеты как единое целое.
102
Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей
массе геосфер Земли.
По подсчетам ученых, его масса составляет 2420 млр. т.,
что более чем в 2000 раз меньше самой легкой оболочки земли –
атмосферы.
Но эта ничтожная масса живого вещества встречается
практически повсюду – в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в ватерах
действующих вулканов.
«Всюдность жизни» в биосфере обязана потенциальным возможностям и масштабу приспособляемости организмов, которые постепенно, захватив моря и океаны, вышли на суши и захватили ее.
Границы биосферы – от высот атмосферы, где царят холод
и низкое давление, до глубины океана, где давление достигает 12
тыс. атм.
Это стало возможным потому, что пределы толерантности (способность организма переносить неблагоприятное влияние факторов среды, терпимость) температур от абс. 0 до
1800С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме.
Широк диапазон химический условий среды для ряда организмов – от
жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии
в котлах ядерных реакторов).
Однако все организмы выживают еще и потому, что везде существует
биогенный ток атомов. Этот ток не смог бы иметь места, если бы не было
почвы.
Почвы обеспечивают питание биогенными веществами растениям, которые кормят весь мир гетеротрофов. Почвы на Земле разнообразны и их
плодородие тоже разное.
Круговорот веществ в природе
Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический) (рис. 14).
103
Магматические
породы
Солнечная энергия
Магматические
породы
Кристаллизация
Выветривание, перенос,
отложение, окаменение
Осадочные
породы
Магма
Метаморфизм
Переправление
Метаморфические
породы
Энергия радиоактивного
распада
Рис. 14. Большой круговорот веществ
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
магнетических пород, в подвижных зонах земно
коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений.
Так они переплавляются и образуют магму. После поднятия
этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходят их трансформация в новые осадочные породы.
Символом круговорота веществ является спираль, а не круг.
Это означает, что новый цикл круговорота не повторят 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 (на что затрачивается почти половина поступающей к
поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде
поверхностного и подземного стока. Подсчитано, что круговорот
воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды.
104
Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) – совершается только в пределах биосферы. Сущность: образование живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращение
органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения (СО2, Н2О).
Этот круговорот для жизни биосферы – главный, и он является порождением жизни.
Главными источниками энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез (рис. 15).
Рис. 15. Схема биогеохимического круговорота веществ на суше
Круговороты 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 называются биофильными. Этими циклами и круговоротом
105
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 первое 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 вещества земной коры, в том
числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др.
Глобальные круговороты различны по сложности, но природа обеспечила их беспрерывность и безотходность, а то, что выпадает из круговорота,
уходит в геологический запас природы.
Наличие круговоротов веществ в биосфере приводит к саморегулированию биосферы в целом и ее частей, что придает им устойчивость, которая
выражается в относительно постоянном составе химических элементов в
живых организмах.
Основные свойства биосферы
I. Биосфера – централизованная система, где центральным звеном системы является живое вещество.
106
II. Биосфера – открытая система. Ее «вход» – образованные в процессе
жизнедеятельности вещества (некоторые из них вышли из биогеохимического круговорота и образовались запасы полезных ископаемых).
III. Биосфера – саморегулирующаяся система.
В настоящее время это свойство принято называть гомеостазом, при
этом под ним понимается способность возвращаться в исходное состояние и
гасить возникающие возмущения.
Пример саморегулирующейся системы: Мировой океан. Реки
ежегодно вносят в него 2,5 млн. т карбоната кальция, а солевой
состав (СаСО3) воды не меняется.
Это связано с тем, что морские обитатели используют
большую часть растворенных карбонатов для построения своих
скелетов, а после отмирания организмов карбонаты в нерастворенной форме осаждаются на дно.
Так стабилизируется состав океанических вод.
IV. Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием.
Разнообразие – основное условие устойчивости биосферы (А.Е. Чижевский).
V. Важнейшее свойство биосферы – наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ.
При отсутствии круговорота давно бы был исчерпан основной составляющий компонент всего живого – углерод.
Итак, биосфера как глобальная открытая система обладает совокупностью свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры, целостность которой поддерживается в результате постоянного круговорота вещества и потока энергии.
Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных биогенных
веществ
Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых в
основном состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.
107
Биогеохимические циклы С, Nu, О2 наиболее совершенны, способны к
быстрой саморегуляции.
В круговороте углерода, точнее – в наиболее подвижной его
форме СО2, четко прослеживается трофическая цепь:
- продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе;
- консументы, поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков;
- редуценты, возвращающие углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО2 составляет порядка 300 лет (полная замена его
в атмосфере).
В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) – консументы (зоопланктон, рыбы) – редуценты (микроорганизмы) – осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и
участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте
вещества.
Главным резервом биологически связанного углерода являются
леса, они содержат до 500 млр. т этого элемента, что составляет
2/3 его запаса в атмосфере.
Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере.
Скорость круговорота кислорода – 2000 лет, именно за это
время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество.
Основной поставщик кислорода на Землю – зеленые растения.
Ежегодно они производят на суше 53∙109 т кислорода, а в океанах - 414·109 т.
Главный потребитель кислорода – животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания.
Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужны ежегодно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе
фотосинтеза.
Предполагается, что в ближайшее время весь продуцированный
кислород будет сгорать в топках, а, следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.
Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем С и О2 и
охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено,
так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и
108
кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы
(78% от ее объема).
Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества, аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и
загрязняет их.
Опасность заключается так же и в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям.
Азот возвращается в атмосферу с выделенными при гниении газами.
Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только 12 их
видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится (данные американских ученых).
Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо О2, С и N, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ –
сера, фосфор, железо и др.
Биогеохимические циклы фосфора и серы важнейших биогенных элементов значительнее совершенны, так как основная их масса содержится в
резервном фонде земной коры, в «недоступном» фонде.
Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые
геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность
суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море
в виде минерала – апатита. Общий круговорот фосфора можно разделить на
две части: водную и наземную.
В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается
по трофической цепи консументам III-ого порядка – морским птицам.
Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.
109
В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв, и далее
он распространяется по трофической цепи. Возвращается в почву после отмирания животных и растений. Теряется фосфор из почв в результате их
водной эрозии.
Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, цветение водоемов и
эвтрофикацию (обогащение биогенными элементами, увеличение их продуктивности).
Сера – также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве,
но и в атмосфере.
В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. Одни
из них – восстановители, другие – окислители.
В горных породах сера встречается в виде сульфатов FeS2, в
растворах – в форме иона SO42- и в газообразной форме в виде сероводорода Н2S или сернистого газа SO2.
В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде
(S2) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.
В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы.
В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H2S. Другие организмы и воздействие самого
кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся
сульфаты растворяются и поглощаются растениями из почвы –
так продолжается круговорот.
Однако круговорот серы, как и азота, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому является сжигание ископаемого топлива, особенно угля. Сернистый газ (SO2) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности (рис. 16).
110
Рис. 16. Круговорот серы (по Ю. Одуму, 1975 г.)
«Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановления ®, благодаря которым происходит обмен серы между фондом
доступного сульфата (SO4) и фондом сульфитов железа, находящихся глубоко в почве и в осадках.
Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Добывая минеральные удобрения, человек загрязняет воду и воздушную среду. В воду
попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию. Круговорот становится не циклическим, а ациклическим.
Таким образом, гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в природе.
Но, являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех
уровней, поэтому первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных экосистем.
111
Тема 9. Классификация природных экосистем биосферы
Природные экосистемы Земли как хорологические
единицы Биосферы
Хорология – наука об областях распространения (ареалах) отдельных
видов, растений, животных.
Классификация природных систем биосферы базируется на ландшафтном подходе, так как экосистемы – неотъемлемая часть природных
географических ландшафтов, образующих географическую (ландшафтную)
оболочку Земли. Биогеоценозы (экосистемы) образуют на поверхности Земли так называемую биогеосферу, являющуюся основой биосферы, которую
В.И. Вернадский называл «пленкой жизни», а академик В.Н. Сукачев –
«биоценотическим покровом».
«Биогеоценостический покров» В.Н. Сукачева – это не что иное, как
ряд природных экосистем, представляющих собой пространственные (хорологические) единицы (части, элементы) биосферы.
Эти единицы, как правило, совпадают своими границами с ландшафтными элементами географической оболочки Земли.
Ландшафт – природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (верхние горизонты литосферы, рельеф, климат, воды,
почвы, биота) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную
по условиям развития единую систему.
Ландшафтный подход в экологии имеет прежде всего большое значение для целей природопользования. По происхождению выделяют два основных типа ландшафтов – природный и антропогенный.
 Природный ландшафт формируется исключительно под влиянием
природных факторов и не преобразован хозяйственной деятельностью человека. Выделяют следующие природные ландшафты:
- геохимический ландшафт – участок, выделенный на основе состава и
количества химических элементов;
112
- элементарный ландшафт – находится на одном элементе рельефа
(например, одинаковое залегание грунтовых вод, одинаковый тип почв);
- охраняемый ландшафт.
 Антропогенный ландшафт – это бывший природный ландшафт,
преобразованный хозяйственной деятельностью человека настолько, что изменена связь его природных компонентов. Выделяют следующие антропогенные ландшафты:
- агрокультурный (сельское хозяйство);
- техногенный (индустриальный);
- городской (урбанистический).
Границы географической (ландшафтной) оболочки Земли совпадают с
границами биосферы, но поскольку в географическую оболочку входят и
участки, где нет жизни, можно условно принимать, что биосфера входит в ее
состав.
Главный источник энергии для ландшафтной оболочки, как и для биосферы – солнечная радиация.
Для биосферы солнечная энергия – это прежде всего «двигатель» биогеохимических циклов биофильных элементов и главный компонент фотосинтеза – источника первичной продукции.
Но энергия Солнца, обеспечивая эту продуктивность, состоит лишь на
2-3% от всей его энергии, достигшей поверхности Земли.
Остальная солнечная энергия расходуется на абиотическую среду, если не считать достаточно активное участие ее в процессах физикохимического разложения, опада и др.
Продуктивность различных типов экосистем далеко не одинакова, и
занимают они разные по величине территории на планете.
Различия в продуктивности связаны с климатической зональностью,
характером среды обитания (суша, вода), с влиянием экологических факторов, классифицированных на принципах «биомного подхода».
113
По Ю. Одуму биом – крупная региональная или субконтинентальная
экосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта.
Опираясь на эти представления, Ю. Одум предложил следующую
классификацию природных экосистем биосферы:
1. Наземные биомы:
 Тундра: арктическая и альпийская.
 Бореальные (северные) хвойные леса.
 Листопадный лес умеренной зоны.
 Степь умеренной зоны.
 Тропические степи и саванны.
 Чапараль – районы с дождливой зимой и засушливым летом.
 Пустыня: травянистая и кустарниковая.
 Полувечнозеленый тропический лес: выраженный влажной и сухой
сезоны.
 Вечнозеленый тропический дождевой лес.
2. Типы пресноводных экосистем:
 Лентические (лат. – спокойный): озера, пруды.
 Лотические (лат. – омывающие): реки, ручьи, родники.
 Заболоченные угодья: болота и болотистые леса.
3. Типы морских систем:
 Открытый океан (пелагическая).
 Воды континентального шельфа (прибрежные воды).
 Районы апвелинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством).
 Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек).
Границы распространения биомов определяются ландшафтными компонентами материков.
114
В водных экосистемах растительные организмы не доминируют, поэтому за основу взяты физические признаки среды обитания («стоячая»,
«текучая» вода, открытый океан).
Биом состоит из тех же компонентов, что и ландшафт, но главный
компонент его – биота, и основное внимание здесь уделяется процессам, создающим органическое вещество, и биохимическому круговороту веществ.
Наземные биомы (экосистемы)
Стабильная экосистема характеризуется равновесным состоянием взаимосвязей между живыми организмами и окружающей физической средой.
Всеобщий гомеостаз такой системы позволяет ей противостоять внешнему
воздействию в довольно широком диапазоне толерантности по отношению,
например, к климатическим факторам.
Тундры характеризуются суровыми условиями для произрастания:
вегетационный период 2-2,5 мес., осадков мало, сильные ветры и ночью
температура <00С даже летом, плюс к этому – вечная мерзлота на глубине в
нескольких десятков см. летом, а зимой – все полностью промерзает.
В тундре отсутствуют деревья и преобладают мхи и лишайники. Кустарники многолетние зимне-зеленые для более полного использования
светлой части года, преимущественно стелющейся формы (брусника, вероника).
Продуктивность наземных экосистем тундры значительно ниже других систем, но вместе с океаном они способны прокормить перелетных
птиц, насекомых, северных оленей, медведей, волков, песцов.
Бореальные хвойные леса – распространены в северной части умеренной климатической зоны.
Это хвойные леса северной части умеренного пояса северного полушария с суровыми зимними температурами – тайга. Таежные сообщества
представлены темнохвойными породами деревьев – ель, пихта, сибирский
кедр и светлохвойными (листвиница, сосна).
115
Темнохвойные леса отличаются особой микросредой – нет ветра, температура выше, чем на открытом месте, много снега зимой, что поможет
выживать животному населению в суровую зиму. Самые крупные животные
в тайге: из хищников – медведь, волк; из травоядных – лось.
Большое значение в хвойных лесах имеет семенной фонд, хвоя: сменами питаются птицы, белки, бурундуки, хвойные насекомые. Хвойные леса
– самые крупные в мире поставщики лесоматериалов. Они весьма продуктивны, несмотря на низкую температуру в течение полугода, так как сплошной зеленый покров, содержащий хлорофилл, сохраняется круглый год.
Листопадные леса умеренной зоны (широколиственные леса), расположенные южнее тайги, не имеют сплошного распространения.
В листопадных лесах среди древесной флоры доминируют бук и дуб.
Благодаря опаду листьев формируются мощная лесная подстилка, позволяющая перезимовать многим беспозвоночным животным.
Ярусная структура широколиственных лесов намного сложнее, чем у
хвойных: до 3-х ярусов деревьев (дубравы), 2-х ярусов кустарников и 2-3
ярусов трав.
Раскидистая крона, высокая дуплистость деревьев и хорошо выраженная ярусность широколиственных лесов позволяют птицам занимать свои
экологические ниши на различных уровнях. Очень разнообразна орнитофауна. Крупные животные – лоси, медведи, рыси, лисицы.
Листопадные леса – это те районы суши, где человеческая цивилизация получила наибольшее развитие. Поэтому сейчас трудно найти широколиственные нетронутые леса. Большая часть их заменена культурными сообществами.
Степи умеренной зоны – открытые пространства между лесами и пустынями. Они занимают обширные пространства в Евразии, в Северной
Америке (прерии), на юге Южной Америки (пампасы), а Австралии, Новой
Зеландии.
116
В степях преобладают дерновины (образовавшиеся вследствие скученности стеблей). Много в степи эфемеров (греч. мимолетный, скоропреходящий), после отмирания наземных частей которых остаются клубни, луковицы, корневища. Для степей характерны кустарники, которые поедаются
животными.
Главную роль в биоценозе степей играют копытные – сайгаки, тарпаны (дикие лошади).
При умеренном выпасе животные копытами разбивают скопления
мертвой листвы на поверхности почвы, что способствует дальнейшему росту трав.
При перевыпасе происходит деградация (ухудшение) степной растительности и возникает исчезновение многолетних трав, а затем опустынивание степей (появляются малосъедобные полыни).
Большая часть степей в настоящее время занята под посевы зерновых
культур, пастбищами, культивируемой человеком.
Пустыня травянистая и кустарниковая наибольшие площади занимает в Азии, Африке, Австралии, Северной и Южной Америках, встречается
и в Европе.
Главный критерий пустыни – выпадение осадков <200 мм/год, очень
высокое испарение с открытой водной поверхности. Пустыни подразделяются по породам, на которых они сформированы: глинистые, солончаковые,
песчаные, каменистые.
Животные пустыни по-разному адаптированы к нехватке воды: обладают особыми покровами. Они могут образовывать и сохранять метаболическую (связанную) воду. Например, верблюды. Земледелие в пустынях невозможно без орошения.
Чапараль – это территория с мягким, умеренным климатом. Количество осадков 500-700 мм.
Сообщества чапараля состоят из деревьев (лавр, вечнозеленые, кустарниковые, дубы) и кустарников с толстыми вечно зелеными листьями.
117
Это территории Средиземноморья, Калифорнии и Мексики. Чапараль возникает на местах пожаров, и часть их рассматривают как стадию деградации
дубовых вечнозеленых лесов.
Тропические
степи
и
саванны
–
это
обычно
древесно-
кустарниковый тип растительности теплых областей в центральной и восточной Африке, в Южной Америке.
Температура здесь достаточно высока круглый год и сезонность определяется только распределениями осадков (сезоны влажные и сухие). Деревья: баобабы, акации, пальмы. Травы представлены высокими труднопроходимыми для человека густыми злаками.
Саванна не имеет себе равных по разнообразию и численности популяций копытных – антилопы, зебры, жирафы. Хищники – львы, гепарды.
Птицы: хищники и падальщики (грифы). Самая крупная из птиц – страус.
Здесь множество рептилий: змей, ящериц, а также насекомых.
Среди насекомых много кровососущих (например, муха-цеце) и возбудителей тяжелых болезней, поражающих центральную нервную систему
человека и животных.
Полувечнозеленые сезонные (листопадные) тропические леса распространены в областях с осадками 800-1300 мм/год. Леса характерны для
тропической части Азии, центральной Америки. Хараткерно, что в них доминируют деревья верхнего яруса, которые сбрасывают листья в сухой сезон, соответствующий зимнему периоду. Нижний ярус представлен уже
большей частью вечнозелеными деревьями (например, пальма).
Вечнозеленые тропические дождевые леса расположены вдоль экватора. Осадков >2000 мм/год. Дождевые леса расположены в 3-х основных
областях:
1) массивы в бассейнах Амазонки;
2) в бассейнах рек Конго, Нигера, Замбези в Африке и на острове Мадагаскар;
3) острова Борнео Новой Гвинеи.
118
Влажные тропические леса – это достаточно древние экосистемы, в
которых круговорот питательных веществ доведен до совершенства.
В дождевых тропических лесах деревья образуют три яруса:
1) редкие высокие деревья;
2) полог, образующий сплошной вечнозеленый покров на высоте 2535 м;
3) нижний ярус, который четко проявляется как густой лес лишь в местах просвета в пологе.
Травянистая растительность и кустарники практически отсутствуют.
Но зато большое количество лиан и эпифитов (растения, поселяющиеся на
других растениях, главным образом стволах и ветвях деревьев; возникновение эпифитов связано с условиями их обитания в тенистых влажных лесах,
где они пробиваются к свету). Очень разнообразен животный мир: обезьяны,
буйволы, слоны, павлины, попугаи.
Для тропического леса характерна высокая скорость эволюции и видообразования. Многие виды вошли в состав более северных сообществ.
Поэтому очень важно сохранить эти леса как «ресурс генов».
Влажные тропические леса обладают большой биомассой и самой высокой продуктивностью из биоценозов суши. Уровень биологической продуктивности 3500 г/м2 в год. Покрывая приблизительно 6% поверхности суши, тропические леса дают 28% общей продукции органического вещества.
Дождевые леса связывают в органические вещества 460∙109 т СО2. Первичные тропические леса почти на ½ естественного ареала заменены вторичными лесами или травянистыми сообществами. Главная причина исчезновения
– подсечно-огневое земледелие, выжигание лесов под пастбища, лесоразработки (по разным оценкам от 5 до 25 млн. га в год). При растущих темпах
лесозаготовок леса Юго-Восточной Азии и центральной Америки едва ли
сохраняться до конца столетия.
119
Учитывая исключительную роль тропических лесов в нормальном
функционировании и развитии всей биосферы, очень важно сохранять эти
леса.
Пресноводные экосистемы
Пресные воды на поверхности континентов образуют реки, озера, болота. Человек создает для своих нужд искусственные пруды и крупные водохранилища.
Пресные воды могут находится в текучем и стоячем состоянии. Пресноводные местообитания делятся на:
- лентические экосистемы (стоячие воды): озера, пруды;
- лотические экосистемы (текучие воды): реки, ручьи, родники;
- заболоченные участки (с колеблющимся уровнем по сезонам и годам):
болота.
Составляя весьма малую часть от всех экосистем биосферы, пресноводные экосистемы для человека имеют непреходящее значение вследствие
следующих особенностей:
1)
пресные воды – практически единственный источник для быто-
вых и промышленных нужд;
2)
пресноводные экосистемы представляют собой самую удобную и
дешевую систему переработки отходов;
3)
уникальность термодинамических свойств воды, способствующих
уменьшению температурных колебаний среды.
Лимитирующие факторы водной среды – температура, прозрачность,
течение, соленость и др.
Многие животные, живущие в воде, стенотермны вследствие чего
опасно даже небольшое тепловое загрязнение.
Для жизни в водоемах очень важна прозрачность воды, мерой для которой служит глубина зоны, в которой возможен фотосинтез при проникновении солнечного света. Прозрачность может быть от нескольких сантиметров до 30-40 метров в чистых горных озерах.
120
Течение – также важный лимитирующий фактор в лотических экосистемах – влияет на распространение организмов и содержание газов и солей.
Важным лимитирующим фактором в водных экосистемах является
концентрация кислорода, чего нельзя сказать о концентрации двуокиси углерода, которая часто бывает даже в избытке за счет антропогенного влияния.
На численности и расселении водных организмов (особенно рыб) сказывается пространственное разделение пресных водоемов: в разных водоемах одни и те же экологические ниши занимают рыбы разных видов. Весьма
существенна разница в концентрации солей у гидробионта и в окружающей
водной среде, приводящая к осмотическим явлениям на границе «организмвода». В зависимости от различий в концентрации солей в рыбе и воде, жидкость в рыбе может быть гипертонична или гипотонична (повышающая или
понижающая давление в теле рыбы), и то и другое ведет к гибели животного.
Это главная причина, почему пресноводные рыбы не могут жить в море, а морские – в реке или пресном озере.
Но есть рыбы, способные жить в обеих средах (лосось), потому что у
этих животных есть специальные механизмы осмотической регуляции
(осморегуляция – совокупность физико-химических процессов, обеспечивающих относительное постоянство концентрации осмотических активных
веществ во внутренней среде организма).
Пищевые цепи в водоемах хорошо развиты и представлены организмами всех трофических уровней. Продуценты представлены фото- и хемосинтезирующими микроорганизмами и водными растениями; консументы –
полным набором от растительноядных и хищников различных порядков до
паразитов; редуценты (сапротрофы) отличаются значительным разнообразием, которое связано с природой субстрата.
Водные организмы можно классифицировать и по местам обитания в
водоемах:
121
 Бентос – организмы, прикрепленные ко дну, живущие в илистых
осадках.
 Перифитон – животные и растения, приспособленные к листьям и
стеблям водных растений или другим выступам над дном водоема.
 Планктон – организмы, плавающие, зоопланктон даже активно
может перемещаться сам, но в целом, они перемещаются с помощью течения.
 Нектон – свободно перемещающиеся в воде организмы – рыбы,
амфибии.
Особое значение имеет распределение организмов по трем зонам водоема (рис. 17).
Лимническая зона –
толща воды до глубины,
куда проникает всего 1%
солнечного света и где
затухает фотосинтез
Литоральная зона –
толща воды, где солнечный свет доходит до
дна
Компенсационный
слой
Профундальная зона – дно и
толща воды, куда не проникает
солнечный свет
Рис. 17. Три главные зоны в озере
Литоральная зона – толща воды, где солнечный свет доходит до дна.
Лимническая зона – толща воды до глубины, куда проникает всего 1%
солнечного света и где затухает фотосинтез.
122
Продундальная зона – дно и толща воды, куда не проникает солнечный свет.
В проточных водоемах последние три зоны не выражены, хотя их элементы встречаются.
Перекаты – мелководные участки с быстрым течением, дно без ила,
преимущественно прикрепленные формы перефитона и бентоса.
Плёсы – участки глубоководные, течение медленное, на дне мягкий
илистый субстрат и роющие животные.
Лентические экосистемы в литоральной зоне содержат два типа продуцентов: укрепившиеся на дне цветковые растения и плавающие зеленые
растения – водоросли, некоторые высшие.
Растения, укрепленные в дне, образуют три концентрические зоны:
- зона надводной вегетации (камыши, рогозы), находящиеся над водой, а биогенные элементы извлекаются из донных осадков;
- зона укрепленных в зоне растений с плавающими по воде листьями
(кувшинки) – у них та же роль, что и у растений первой зоны, но они могут
затенять нижние толщи воды;
- зона подводной вегетации – укорененные и прикрепленные растения,
полностью находящиеся под водой и осуществляющие фотосинтез и минеральный обмен в водной среде (прикрепленные водоросли).
Животные, консументы более разнообразны в литоральной зоне, чем в
других зонах водоема. Перифитон представлен моллюсками, коловратками,
личинками насекомых. Многие животные нектона дышат кислородом атмосферного воздуха (лягушки, саламандры, черепахи).
Рыбы большую часть жизни проводят в литорали и здесь же размножаются. Зоопланктоны представлены ракообразными, имеющими большое
значение для питания рыб (дафнии).
В сообществах лимнической зоны продуцентом является фитопланктон. В водоемах умеренного пояса плотность его популяции заметно изменяется по сезонам. Весной «цветение» связано с массовым развитием при-
123
способленных к прохладной воде диатомитовых водорослей, летом – зеленых, осенью – азотфиксирующих сине-зеленых водорослей.
Зоопланктон представлен растительноядными ракообразными и коловратками, все другие – хищники. Нектон лимнической зоны – это только
рыбы.
Сообщества профундальной зоны существуют без света. Фауна и флора здесь – в зоне поверхностного раздела воды – ил, где накапливается органический материал, – представлена бактериями и грибами (редуценты), а
также бентоносными формами – личинками насекомых, моллюсками, кольчатыми червями (консументами).
Озера – естественные пресноводные водоемы, образовались геологически сравнительно недавно – за последние несколько десятков тысяч лет, и
лишь возраст некоторых из них исчисляется миллионами лет (например, оз.
Байкал).
Наличие у большинства озер профундальной зоны сказывается на температурном режиме водной толщи, на ее «перемешивании» и распределении кислорода в ней.
Зимой, когда температура воды подо льдом становится ниже 40С, что снижает ее плотность и приводит к перемешиванию
воды.
Весной, после таяния льда температура воды достигает
0
+4 С, она тяжелеет и происходит перемешивание. Это классическая схема для водоемов Евразии и Северной Америки.
Пруды обладают хорошо развитой литоралью и практическим отсутствием перемешивания воды, образуются они в различных понижениях, часто временно пересыхают летом или в засушливые годы.
Фауна прудов способна переживать сухие периоды в покоящемся состоянии или перебираться в другие водоемы (земноводные). Естественные
пруды высокопродуктивны. В искусственных прудах, в основном, человек
сам подкармливает рыб.
124
Водохранилища создаются человеком при возведении гидроэнергетических и гидромелиоративных комплексов. Это уже не природная система, а природно-техническая система.
Распределение тепла и биогенов в ней зависит от типа плотины. Если вода сбрасывается придонная, то в этом случае водохранилище аккумулирует (накапливают) тепло и экспортирует биогенные
вещества, если сброс идет поверх плотины, то экспортируется
тепло и аккумулируются биогены. Через глубоководные шлюзы в реку
поступает и более соленая вода, а биогены вызывают эвтрофикацию участка реки.
Лотические системы – реки – отличаются от стоячих водоемов тремя
основными условиями:
1)
течения – важный лимитирующий и контролирующий фактор;
2)
обмен между водой и сушей значительно более активен;
3)
распределение кислорода более равномерно, так как практиче-
ски отсутствует стратификация (распределение температуры по вертикали).
Скорость течения влияет на распределение рыб в реках – они могут
жить и под камнями, и в заводях, по перекатами, но это будут разные виды,
адаптированные к конкретным условиям.
Река – открытая система, в которую поступает с прилегающих пространств большое количество органического вещества.
Детритное питание – основа трофических цепей лотических экосистем: более 60% энергии консументы получают от привнесенного материала.
Зато кислорода в реках достаточно и содержание его в воде постоянно,
что обусловило узкую толерантность организмов по отношению к кислороду.
Заболоченные пресноводные участки, обычно, собственно болота, –
низинные и верховые.
Низинные имеют, как правило, питание подземными водами; а верховые – атмосферными осадками. Верховые болота могут встречаться в любом
понижении или даже на склонах гор, низинные возникают вследствие зарас-
125
тания озер и речных стариц. Они покрыты водными макрофитами, болотными растениями и кустарниками.
Болотные почвы и торфяники содержат много углерода (14-20%),
сельскохозяйственная обработка которых приводит к выделению в атмосферу большого количества углекислого газа, что усугубляет СО2 – проблему.
Морские экосистемы
Морская среда занимает >70% поверхности земного шара. В отличие
от суши и пресных вод – она непрерывна. Глубина океана огромна. Жизнь в
океане – во всех уголках, но наиболее она богата вблизи материков и островов. В океане практически отсутствуют абиотические зоны, несмотря на то,
что барьерами для передвижения животных являются температура, соленость, глубина. Благодаря постоянно действующим ветрам – пассатам, в
океанах и морях происходит постоянная циркуляция воды за счет мощных
течений (Гольфстрим – теплое, Калифорнийское – холодное и др.), что исключает дефицит кислорода в глубинах океана.
Наиболее продуктивны в Мировом океане области апвелинга. Апвелинг – это процесс подъема холодных вод с глубины океана там, где ветры
постоянно перемещают воду прочь от крутого материкового склона, взамен
которой поднимается из глубины вода, обогащенная биогенами. Там, где нет
этого подъема, биогенные элементы из погрузившихся органических остатков на длительное время теряются в донных отложениях.
В прибрежной зоне весьма велика роль приливов, вызванных притяжением Луны и Солнца. Они обуславливают заметную периодичность в
жизни сообществ («биологические часы»).
Средняя соленость океана 35 г/л. Около 25% в ней приходится на долю NaCl (хлористого натрия), остальные соли – кальция,
магния, калия. Другие соли составляют <1%.
Для морских водоемов характерна устойчивая щелочная среда: рН=8,2; но соотношение солей и сама соленость изменяются.
Главным фактором, который дифференцирует морскую биоту, является глубина моря (рис. 18).
126
Литоральная
Неритическая
Океаническая
Афотическая зона
1000
3000
4000
5000
Материковый склон
2000
Материковый
шельф
Рвы, каньоны
и хребты
Материковое
подножие
Эвфотическая зона
Срединноокеанический хребет
Абиссальная равнина
6000
7000
Рис. 18. Горизонтальная и вертикальная зональность в море
Материковый шельф – резко сменяется материковым склоном, плавно
переходящим в материковое подножие, которое опускается ниже к ровному
ложу океана – абиссальной равнине.
На побережье, в часы отлива, обсыхает узкая, шириной в десятки и
сотни метров полоса, называемая литоралью. Она обычно населена. По
образу жизни литоральных животных называют амфибиальными, то
есть способными существовать в двух средах: водной и воздушной.
Ушла с литорали вода, и жизнь в ней замерла до нового прилива: ракушки плотно закрыли свои створки; все, кто мог, заползли в укромные
уголки – в щели скал, под камни, а те, кто не может уползти, сжались в
комочек и втянули свои отростки и щупальца. Но, как только волна прилива зальет побережье, жизнь просыпается, все обитатели литорали
выходят из укрытия.
Есть моря, у которых приливно-отливные колебания ничтожно малы, например Черное, Азовское моря. Но и здесь легко обнаружить амфибиальную фауну: под камнями прячутся крабы; у самой воды – грозди
черных ракушек – мидий, прикрепленных к камням прочными нитями. На
камнях, нередко в несколько метрах от воды, сидят кучками твердые белые ракушки – это домики ракообразных. В молодом возрасте эти ракообразные накрепко прирастают к твердому грунту и камням. Их домики
не оторвет никакой шторм. На Севере во время отлива на литораль, в
поисках добычи прилетают журавли, кулики, чайки и др., а также из леса выходят мелкие грызуны и даже медведи.
127
Выделяют следующие зоны океана: неритическая – приливноотливная зона; батиальная – материковый склон и его подножие; абиссальная – область океанических глубин от 2000 до 5000 м.
Абиссальная область разрезается глубокими впадинами и ущельями,
глубина которых более 6000 м. Область открытого океана за пределами
шельфа называется океанической.
Планктон состоит из животных и растений, малоспособных к
самостоятельному передвижению. Они передвигаются пассивноморскими течениями и ветром; в основном это мелкие водоросли и
животные.
К нектону относятся более крупные животные – рыбы, морские млекопитающие.
Настоящие хозяева водной толщи океанов и морей – мелкие
ракообразные, голоногие моллюски, медузы, а из позвоночных – рыбы и китообразные.
В океанах и морях – водоросли – основа животной жизни.
Обитателями моря ими питаются.
Крупные водоросли – ламинарии, фукусы – растут у побережья, а мелкие, одноклеточные – плавают в тоще воды. В море
растительность может существовать только в верхнем освещенном солнцем слое. На больших глубинах (приблизительно до 200 м)
водоросли можно найти лишь там, где вода остается прозрачной.
Глубже обитают только животные.
Одноклеточными водорослями обычно могут питаться самые
мелкие животные и личинки крупных.
Настоящая же пища для морских и океанических животных пелагические ракообразные. Ими кормятся все: и другие беспозвоночные, и рыбы, и даже киты. Глубже 200 м растительной пищи
уже нет, и почти все пелагические глубоководные – хищники.
Почему же гиганты моря приспособились питаться мелким
планктоном?
Дело в том, что по мере увеличения размеров тела животному
требуется все больше и больше пищи, а если такой гигант будет
хищником, вряд ли найдет нужное ему количество жертв.
А планктона в море всегда очень много, нужно только найти
места его скопления и приспособиться отцеживать его из воды.
Киты отцеживают планктон специальным фильтрованием, так
называемым «усом».
128
Характеристика морских экосистем
Область континентального шельфа, неритическая область, если ее
площадь ограничена глубиной до 200 м, составляет примерно 8% площади
океана (29 млн. км2) и является самой богатой в фаунистическом отношении
в океане.
Прибрежная зона благоприятная по условиям питания, даже в дождевых тропических лесах нет такого разнообразия жизни как здесь. Очень богат кормом планктон за счет личинок бентосной фауны. Личинки, которые
остаются не съеденными, оседают на субстрат и образуют либо прикрепленную, либо закапывающуюся фауну.
Области апвелинга расположены вдоль западных пустынных берегов
континентов. Они богаты рыбой и птицами, живущими на островах.
Но при изменении направления ветра приходит спад «цветения»
планктона и наблюдается массовая гибель вследствие развития безкислородных условий (эвтрофикация).
Лиманы – это полузамкнутые прибрежные водоемы, они представляют собой экотоны между пресноводными и морскими экосистемами. Лиманы обычно входят в литоральную зону и подвержены приливам и отливам.
Лиманы высоко продуктивны. Они являются ловушками биогенных
веществ. На протяжении круглого года активны автотрофы: болотные и
морские травы, водоросли, донные водоросли, фитопланктон. Лиманы служат для откорма молоди, богаты целым комплексом морепродуктов (рыба,
крабы, креветки, устрицы). Попадя в сферу хозяйственной деятельности человека, они могут потерять свою продуктивность, вследствие загрязнения
водной среды.
Океанические области, эвфотическая зона открытого океана бедны
биогенными элементами и, в известной степени, можно сказать – эти воды
«пустыни» по сравнению с прибрежными. Арктические и антарктические
зоны намного продуктивнее, так как плотность планктона растет при пере-
129
ходе от теплых морей к холодным и фауна рыб и китообразных здесь значительно богаче.
Крупные животные, и прежде всего рыбы, здесь являются преимущественно вторичными консументами, питающимися зоопланктоном.
Видовое разнообразие фауны снижается с глубиной и, тем не менее, разнообразие рыб в абиссальной зоне велико, несмотря на то, что она практически лишена продуцентов.
Рыбы имеют причудливую форму, большие рты и растягивающиеся животы – все, что приспособлено к глотанию пищи любого размера в полной
темноте. Чем глубже проникает в море дневной свет, тем быстрее он слабеет. У воды в верхних 50 м – зеленая окраска, на 60 м – зеленовато-синяя, на 180
м – синий цвет, на 300 м – черновато-синий. На глубине 580 м – последние следы света. Глубже 1500 м свет совсем не проникает. Но животные обитают и
на глубине более 1500 м. Они существуют в полном мраке, в котором лишь коегде теплятся призрачные огни «живого света». На глубине более 11 тыс. м
животные испытывают чудовищное давление. Здесь почти нет колебаний
температуры и солености.
Глубоководная фауна создавалась постепенно, начиная с древнейших геологических эпох. В Тихом океане было выловлено 10 экземпляров моллюска
неопилина. Это представитель особого класса моллюсков, который был распространен в древнейшие геологические эпохи. Очевидно, что условия жизни в
океанических глубинах почти не изменились, чего не могло быть в поверхностных слоях. Интересны и разнообразны приспособления у глубоководных животных для существования в океанических глубинах. Внешний вид говорит об
образе жизни: у них громадные пасти с длинными загнутыми назад острыми
зубами: кажется, что все животное состоит из одной пасти. Туловище же
обычно непропорционально тонкое, короткое.
У рыбы-удильщика для привлечения жертв следующее приспособление: перед пастью качается фонарик – совсем как светофор. Жертва, привлекаемая
светом, платиться за любопытство жизнью.
Есть еще грунтоеды. Они серые, бесцветные, набивают свой кишечник
большими порциями грунта, то есть используют органические вещества и
бактерии, содержащиеся в грунте. В океане живет самое длинное (длиннее
кита) животное – это червь лонгиссимус, длиной 35 м.
Экосистемы глубоководных рифтовых зон океана находятся на глубине
3000 м и более, в сплошной темноте, где невозможен фотосинтез, преобладает сероводородное заражение, есть выходы горячих подземных вод, высокие
концентрации ядовитых металлов, живые организмы здесь представлены гигантскими червями, живущими в трубах, крупными двухстворчатыми моллюсками, креветками, крабами и отдельными экземплярами рыб.
Продуцентами здесь выступают сероводородные бактерии, живущие в
симбиозе с моллюсками. Хищники представлены крабами, брюхоногими моллюсками и некоторыми рыбами.
130
Резюме: Океан – является колыбелью жизни на планете и еще много
загадок хранят его водные толщи и океаническое ложе.
Появление жизни в океане более 3 млрд. лет тому назад положило
начало формированию биосферы.
И сейчас, занимая более 70% поверхности Земли, океан во многом
определяет, в сочетании с материковыми экосистемами целостность современной биосферы Земли.
Целостность биосферы как глобальной экосистемы
Закон целостности биосферы: биогенный ток атомов между компонентами биосферы связывает их в единую материальную систему, в которой
изменение даже одного звена влечет за собой сопряженное изменение всех
остальных. Следовательно, целостность биосферы обусловлена непрерывным обменом вещества и энергии между ее составными частями.
С экологической позиции представления о целостности организма как
индивидуума с большей полнотой можно говорить, рассматривая его (организм) на популяционном уровне, а наиболее целостные представления можно выявить только на основе их взаимоотношений в биоценозе.
Если рассматривать эту цепочку дальше, то окажется, что нельзя получить достаточно целостную картину взаимоотношений сообществ, если не
изучать биоценоз в одной системе с биотопом, то есть мы придем к системе
с еще большей экологической информацией – биогеоценозу или экосистеме.
Примером действия закона целостности являются процессы, происходящие в экосистемах пустыни Атакама и прилагающие к ней части океана.
131
Пустыня Атакама находится на западном побережье Южной
Америки и пустынность ее обусловлена холодным Перуанским течением. Холодные же океанские воды богаты фито- и зоопланктоном,
и, конечно, рыбой, но примерно раз в 8-12 лет от экватора начинает
распространяться теплое течение Эль-Ниньо.
Приход этих бедных кислородом малопродуктивных вод приводит к катастрофическому изменению экосистемы: рыба (анчоусы),
которую здесь вылавливают до 12 млн. т/год, практически исчезает
(улов падает до 1,8 млн. т) морские птицы, питающиеся рыбой, гибнут или улетают.
Особенно отрицательно влияние Эль-Ниньо на морских животных сказалось в 1982 г.: в районе Галапагоских островов на 30-40%
сократилось число птиц, на 78% галапагосских пингвинов, почти
полностью погибли морские котики.
В этот же период над Пустыней Атакама разражаются тропические ливни, вызывающие мощные наводнения, появляются растения – эфемеры и масса насекомых. Пустыня «цветет», такое состояние может продолжаться 3-4 (даже 5-6) месяцев, но затем
снова теплое течение Эль-Ниньо отодвигается к экватору, в районы
Галапагосских островов, а холодное, Перуанское, – занимает свое
обычное место.
И все природные процессы развиваются в обратном направлении.
Вывод: Изучение этого явления в течение многих десятилетий
показало, что оно влияет на значительно большую часть биосферы –
выпадение осадков в Атакаме приводит к засухе, например в Судане,
Эфиопии.
Тема 10. Эволюция биосферы
Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере.
Основные направления эволюции биосферы
По современным представлениям, биосфера – это особая оболочка
Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
132
Эти представления базируются на учение В.И. Вернадского (18631945) о биосфере, являющимся крупнейшим из обобщений в области естествознания в ХХ веке.
Исключительная значимость учения В.И. Вернадского во весь рост
проявилась лишь во второй половине ХХ века. Этому способствовало развитие экологии и прежде всего глобальной экологии, где биосфера является
основополагающим понятием.
Судьбы великих открытий складываются по-разному, поразному складываются и судьбы великих идей. К одним признание
приходит сразу, и авторы еще при жизни бывают вознаграждены
признанием благодарных современников. Таким путем пришли открытия периодического закона Д.И. Менделеева, механизма эволюции Ч.Дарвина.
Иная судьба у идей, опережающих свое время. Судьба научных
идей В.И. Вернадского относится к такого рода идеям. Особенно
идея ноосферы, глубина которой лишь во второй половине ХХ в.
начинает осознаваться обществом.
По представлению В.И. Вернадского биосфера включает живое вещество (то есть все живые организмы), биогенное (уголь, известняки, нефть),
косное (в его образовании живое не участвует, например, магматические
горные породы), биокосное (создается с помощью живых организмов), а
также радиоактивное вещество, вещество космического происхождения
(метеориты) и рассеянные атомы. Все эти семь различных типов веществ
геологически связаны между собой.
Сущность учения В.И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты.
По словам В.И. Вернадского «на земной поверхности нет химической
силы, более постоянно действующей, а потому более могущественной по
своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».
Вторым главным аспектом учения В.И. Вернадского является разработанное им представление об организованности биосферы, которая проявля-
133
ется в согласованном взаимодействии живого и не живого, взаимной приспособленности организма и среды.
«Организм – писал В.И. Вернадский – имеет дело со средой, к которой
он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему» (1934 г.).
Важнейшей частью учения о биосфере является представление о ее
возникновении и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия
абиотических и биотических факторов.
Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль
живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов – цианобактерий и синезеленых водорослей (прокариотов), затем и настоящих водорослей и
наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для
формирования современно биосферы.
Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного О2, что рассматривается как один из важнейших
этапов эволюции. Параллельно развивались и гетеротрофы, и прежде всего – животные. Главными датами их развития является выход
их на сушу и заселение материков (к началу третичного периода) и,
наконец, появление человека.
В сжатом виде идеи В.И. Вернадского об эволюции биосферы могут
быть сформированы следующим образом (табл. 3):
1. В начале сформировалась литосфера – предвестник окружающей
среды, а затем, после появления жизни на суше, – биосфера.
2. В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались озойные геологические эпохи (то есть лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом
прошлых геологических эпох.
3. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в
своих существенных чертах обусловлено жизнью» (В.И. Вернадский,
1934г.).
134
4. Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.
5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере
является биохимическая энергия живого вещества.
Таблица 3
Эволюция биосферы и ее основных составляющих
Геологическая эпоха
Ранний
архей
Докембрий
Палеозойская
эра
Мезозойская
эра
Кайнозойская
эра
Эоцен
Олигоцен
Миоцен
Плиоцен
Четвертичный период
Биосфера
Литосфера
Формирование
солнечной системы
Наиболее древние
породы
Первые бактерии
Первые организмы
способные к фотосинтезу
Быстрый рост фитопланктона
Вулканизм
Докембрийское
оледенение
Появление многоклеточных.
Появление сосудистых растений и
насекомых
Оледенение Сахары.
Образование каменноугольных
отложений
Появление млекопитающих
Появление покрытосеменных растений
Появлении злаковых
Увеличение видового разнообразия
Первый примат по
линии антропоидов
Первый из известных человекообразных
Оледенение
Вулканизм
Отложения мела и
гипса в осадочных
породах
Гидросфера
Конденсация
океана
Появление
кислорода из
оксидов железа
Увеличение
объема океана
Атмосфера
Свободный
кислород отсутствует
Содержание
кислорода составляет 1% современного
значения. Образование озонового слоя
Содержание
кислорода составляет3-10%
современного
Содержание
кислорода увеличивается
Процентное содержание кислорода близко к
современному
Образование бурого угля
Вулканизм
Уровень моря на 120 м
ниже современного
Содержание
кислорода соответствует современному
135
Эволюция биосферы приводила к усложнению ее структуры в результате появления многоклеточных организмов и развития различных групп
растений и животных. Каждый шаг в эволюции жизни определял и развитие биосферы.
Менялось количество живого вещества биосферы, общая биомасса. И
эти изменения определялись не скоростью разложения организмов, а их видовым разнообразием.
В определенные периоды сбалансированность биотического круговорота веществ нарушалась: из круговоротов «выводились» излишки, которые
откладывались в виде нефти, каменного угля, газа, известняков и других минералов органического происхождения. Эти отложенные в прошлом «излишки» не засоряли атмосферу и не оказывали вредного влияния на течение
самого эволюционного процесса.
Стабильность постепенного режима биотического круговорота сложилась на основе высокого видового разнообразия живых организмов, для
каждого из которых характерны специфическое взаимоотношение со средой и своя роль в трансформации энергии и перенос веществ.
Резюме: в целом учение о биосфере заложило основы современных
представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.
В наши дни оно служит естественнонаучной основой рационального
природопользования и охраны окружающей природной среды.
Биоразнообразие биосферы как результат ее эволюции
В относительно короткие промежутки развития экосистем (сукцессий), так и в долговременной эволюции таких экосистем, как биосфера, на
протекающие в них процессы оказывают влияние:
1) аллогенные (внешние) факторы – геологические и климатические;
2) автогенные (внутренние) процессы, обусловленные только живым
компонентом.
Благодаря действию и взаимодействию этих факторов, сформировалось биологическое разнообразие на внутривидовом, межвидовом и на биосферном уровнях. Основа устойчивости биосферы – разнообразие составляющих ее экосистем.
Простейшие анаэробы, из которых состояли первые на Земле экосистемы, образовались из этих органических веществ и, возможно, других,
синтезируемых под действием мощного ультрафиолетового излучения. То-
136
гда еще не было кислорода в атмосфере и, следовательно, озонового слоя,
который сейчас является преградой для этого излучения.
Указанные выше простейшие анаэробы (дрожжеподобные) возникли
более 3,5 млрд. лет назад, жизнь в это время в бескислородной атмосфере
могла существовать только под защитой от ультрафиолетового излучения
слоем воды. Питались эти простейшие биофильными веществами, которые
содержались в избытке в горячих источниках мелких водоемов. Питательные же органические вещества для этих простейших создал космический
синтез.
Таким образом, древнейшая биосфера возникла в гидросфере, существовала в ее пределах и носила гетеротрофный характер. Но закон «всюдности жизни» диктовал свои условия и размножающиеся организмы осуществляли экспансию в различные области обитания. Экспансия и «давление» отбора, обусловленные еще и скудностью пищи, в конечном итоге привели к возникновению фотосинтеза около 3,5 млрд. лет назад.
Первыми автотрофами стали прокариоты – сине-зеленые водоросли и
цианобактерии. Затем 1,5-2 млрд. лет тому назад появились первые одноклеточные эукариоты и, в результате изначального господства r-отбора, произошел мощный популяционный взрыв автотрофных водорослей, что привело к избытку в воде кислорода и к его выделению в атмосферу. Произошел переход восстановительной атмосферы в кислородную, что способствовало развитию эукариотических организмов и появлению многоклеточных
около 1,4 млрд. лет назад.
В начале кембрийского периода, примерно 600 млн. лет назад, содержащие О2 в атмосфере достигло 0,6%, а затем произошел еще один эволюционный взрыв – появились новые формы жизни – губки. кораллы, черви,
моллюски.
Уже в середине палеозоя содержание кислорода впервые стало близко
к современному, и к этому времени не только заполнила все моря, но и вышла на сушу. Растительный покров, достаточное количество О2 и питатель-
137
ных веществ в дальнейшем привели к возникновению таких крупных животных, как динозавры, млекопитающие и, наконец, человек.
Но, несмотря на обилие автотрофов, в конце палеозоя, примерно 300
млн. лет назад, содержание О2 в атмосфере упало до 5% от современного
уровня и появилось содержание СО2. Это привело к изменению климата,
снижению интенсивности процессов размножения и, как следствие, к бурному накоплению массы отмерших органических веществ, что создало запасы ископаемого топлива (каменный уголь, нефть).
Затем содержание О2 стало снова повышаться и с середины мелового
периода, примерно 100 млн. лет назад, отношение О2/СО2 близко к современному, хотя и испытывало колебания в определенных пределах. Такое состояние легко изменить. Например, человек, создав избыток СО2, может
сделать это неустойчивое равновесие еще более нестабильным.
Из истории развития атмосферы ясно, что человек абсолютно зависим
от других организмов, населяющих среду, в которой он обитает. Только от
их жизнедеятельности и от их разнообразия зависит стабильность атмосферы и, следовательно, биосферы.
Ю. Одум (1975 г.) считал, что «с экологической точки зрения эволюция биосферы, можно сравнить с гетеротрофной сукцессией, за которой последовал автотрофный режим».
Но до сих пор, несмотря на 4 млрд. лет эволюции, таксономический
(установившийся) состав систем еще не стабилизировался. Биоразнообразие
экосферы продолжает совершенствоваться за счет большого резерва в эволюции сообществ. На этом уровне ведущая роль принадлежит сопряженной
эволюции и групповому отбору.
138
Сопряженная эволюция или коэволюция отличается тем,
что при ней обмен генетической информацией минимален. На
уровне сообществ можно рассматривать селективные воздействия между группами (отдельные) организмов, находящихся в
экологическом взаимодействии: растения и растительноядные
животные, крупные организмы и мелкие симбионты, паразит
хозяин, хищник-жертва и т.д. Особенно интересна сопряженность эволюции растений и насекомых фитофагов. Коэволюция
растений и насекомых приводит к тому, что растения синтезируют побочные вещества, совершенно ненужные для их роста и
развития, но необходимые для защиты от насекомых – фитофагов.
Эта способность растений, видимо, развивает у них устойчивость к
инсектицидам. В естественных условиях растения и фитофаги, которые тоже
приспосабливаются к их защите, эволюционируют вместе. Здесь работает
«обратная связь», которая ведет к высокому разнообразию растений (например, в тропиках), к гомеостазу популяций и сообществ внутри экосистемы.
Групповой отбор – это естественный отбор организмов. Он увеличивает разнообразие и устойчивость сообществ. Сопряженная эволюция и
групповой отбор повышают биоразнообразие экосистем, устанавливают
определенные взаимоотношения между ними, как между наземными, так и
водными, и даже между обоими типами.
Все это в целом ведет к повышению устойчивости биосферы как глобальной экосистемы.
О регулирующем воздействии биоты на окружающую среду
Эволюция биосферы убедительно свидетельствует, что при любом
воздействии на биосферу – природном или антропогенном – ее гомеостаз
обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия. Очевидно,
что экологические условия есть продукт взаимодействия биоты и окружающей среды, и лишь правильная оценка этого взаимодействия позволяет разрабатывать методологические подходы к сохранению или даже улучшению
139
экологической обстановки на всех экосистемных уровнях, вплоть до глобального.
Исследуя проблемы биологической регуляции окружающей среды,
российские ученые В.В. Горшков, В.Г. Горшков, В.И. Данилов-Данильян
пришли к выводу, что в настоящее время в экологической науке известны
две основные концепции взаимодействия биоты и окружающей ее среды.
Согласно первой концепции – традиционной – окружающая среда пригодна для жизни в силу уникальных условий на поверхности Земли, а естественная биота приспосабливается к любой окружающей ее среде, благодаря
главному свойству жизни – способности к эволюции и непрерывной адаптации к меняющимся условиям среды.
При этом любые виды организмов, способные адаптироваться к окружающей среде и производить наибольшее количество потомков, могут составлять зеленую биоту.
Согласно традиционной концепции – изменение окружающей среды
под воздействием человека – это определенный этап естественного эволюционного процесса – превращения биосферы в новую глобальную биосистему, а природное биоразнообразие – генетический ресурс человека, который следует сохранять лишь в заповедниках, зоопарках и генных банках.
При этом безостановочный экономический рост возможен лишь за счет непрерывного расширения использования ресурсов биосферы.
В традиционной концепции фактически игнорируются экологические
ограничения на численность популяций биологических видов (в том числе и
человека), а также причины образования естественных сообществ, устойчивость сообществ и их среды обитания.
Во второй концепции основная роль отводится биотической регуляции
окружающей среды. Биота Земли рассматривается как единственный механизм поддержания пригодных для жизни условий окружающей среды в локальных и глобальных масштабах. В случае прекращения регулирующего
воздействия биоты, физически неустойчивая окружающая среда быстро пе-
140
рейдет (приблизительно за 10 тыс. лет) в устойчивое состояние, такое как на
Марсе или Венере, где жизнь невозможна.
В этой концепции главным свойством жизни считается способность
видов к поддержанию тех условий окружающей среды, которые пригодны
для существования биоты на любом экоситемном уровне, а не способность к
непрерывной адаптации к изменяющимся условиям этой среды. Биотическая
регуляция окружающей среды возможна в результате скоррегулированного
(корреляция – лат. слово – соотношение, соответствие, взаимосвязь, взаимозависимость явлений или понятий) взаимодействия между организмами и
средой, которая подобна скоррелированности клеток и органов внутри многоклеточного организма.
Работу по обеспечению поддержания окружающей среды выполняют
виды с оптимальной, а не с максимальной численностью.
Переход любого вида к производству максимального количеств потомков относится к генетическому отклонению от нормы, и они немедленно
вытесняются из популяции. Механизм отбора в этом случае – конкурентное
взаимодействие однородных сообществ.
Жизнь на земле существует около 4 млрд. лет, причем альтернативность вышеописанных концепций сохраняется на протяжении всего этого
периода. Но за этот период изменился диапазон условий, пригодных для
жизни, от локальных до глобальных масштабов. Это значит, что жизнь все
время активно изменяла окружающую среду в благоприятном для себя
направлении, то есть биотическая регуляция среды имела место с самого
момента возникновения жизни.
Существование биотической регуляции окружающей среды доказывается рядом фактором, важнейшими из которых являются следующие:
1. Выбросы неорганического углерода из земных недр в атмосферу с
огромной точностью соответствуют содержанию органического углерода в
осадочных породах, что обеспечивает практически постоянное содержание
неорганического углерода в атмосфере в течение сотен миллионов лет.
141
2. Концентрация биогенных элементов (С,N, P, O2) в океане сформированы и поддерживаются биотой, о чем свидетельствует отношение С/N/ P/
O2, совпадающее с таковым при синтезе органического вещества.
3. Круговорот воды на суше также определяется биотой, так как 2/3
осадков связано с испарением воды на суше, в котором доминирующая роль
принадлежит биоте.
4. Незатронутая деятельностью человека биота океана поглощает избыток СО2, выбрасываемого в атмосферу человеком, то есть действует в соответствии с отрицательными обратными связями, в то время как измененная человеком биота суши утратила эту опасность.
5. Биотой океана поддерживается концентрация СО2 в океане в три
раза меньше, чем если бы ее воздействие отсутствовало, так как потеря неорганического углерода океаном в атмосферу компенсируется поступлением
в океан органического углерода.
Резюме: Биотическая регуляция окружающей среды – это механизм
управления окружающей средой, основанный на отобранных в процессе
эволюции видах, содержащих необходимую для управления средой информацию.
Возможность выживания человечества состоит в восстановлении
естественной биоты на территориях, достаточных для сохранения ее
способности к регуляции окружающей среды в глобальных масштабах.
Главной экологической задачей человечества должно считаться сохранение естественной биоты на Земле, которое должно сопровождаться полным прекращением дальнейшего освоения естественной биоты океана и ее восстановлением на значительной освоенной части суши.
Человек, став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на биосферу. Она, со своей стороны, через свои экологические законы, которые он вынужден соблюдать, чтобы выжить, в
том числе и закон о биотической регуляции окружающей среды, воздействует на человека.
Создаются условия, очень напоминающие сопряженную эволюцию
или коэволюцию «человек – биосфера». Продуктом такой коэволюции
может стать так называемая «ноосфера», то есть сфера разума.
142
Ноосфера как новая стадия эволюции биосферы
Ноосфера (сфера разума) – высшая стадия развития биосферы. Это
«сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная
человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором
развития» (БЭС).
Почему возникло понятие «ноосфера»? Оно появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы.
Сам термин «ноосфера» возник в 1926 г. в Париже во время обсуждения доклада В.И. Вернадского, где он изучал концепцию развития биосферы. Его предложил французский исследователь Леруа.
Ноосфера – это новое, эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее
развития.
В.И. Вернадский писал в письме своему другу: «… Я принимаю идею
Леруа о ноосфере. Он развил глубже мою биосферу. Ноосфера создалась в
эпоху, когда человеческая мысль охватила биосферу и меняет все процессы
по-новому, а в результате активная энергия биосферы увеличивается».
В 1937 г. В.И. Вернадский в другой статье писал: «… факторами последней перестройки биосферы являются научная мысль и коллективный
труд человечества, давно уже ставшего мощной геологической силой».
Условия, необходимые для становления и существования ноосферы:
1.
Заселение человеком всей планеты. Это условие вполне выпол-
нимо. Тайга Западной Сибири изрезана линиями дорог, нефте- и газопроводов, усеяна городами и поселками. Тайга Восточной Сибири освоена искателями и добытчиками алмазов; арктические пустыни Магаданской области
– искателями и добытчиками золота. Знойные пустыни Сахара и Саудовской
Аравии – место поиска и разработки нефтяных и газовых месторождений.
Антарктида покрыта сетью созданных разными странами постоянно действующих станций. На земле действительно не осталось места, не подвергавшегося в той или иной мере степени воздействия человека.
143
2.
Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.
Широкий обмен информацией (факсы, электронная почта, сеть «Интернет»,
сотовая связь). Эти средства непрерывно развиваются и совершенствуются.
3.
Усиление связей, в том числе политических между всеми госу-
дарствами Земли. Например, Организация Объединенных Наций (ООН), которая помимо участия в ряде локальных, конфликтных ситуаций, создала
ряд специальных международных организаций для сотрудничества в различных областях культуры.
4.
Преобладание геологической роли человека над другими геоло-
гическими процессами, протекающими в биосфере. Например, человеческая
деятельность изменила состав речных, озерных и морских вод, определила
глобальные климатические изменения, влияет на уровень мирового океана,
сохранность озонового слоя Земли.
5.
Расширение границ биосферы и выход в Космос. В.И. Вернад-
ский не считал границы биосферы постоянными. Нижняя граница определена температурными условиями Земли (≤ 1000С), и на глубине 3 км от поверхности Земли живые существа в их современном виде существовать не
могут. В.И. Вернадский предполагал, что в ХХ веке человек выйдет в Космос, что и произошло.
6.
Открытие новых источников энергии. Это условие выполнено. В
августе 1945 г. (в год смерти Вернадского) взрыв атомных бомб над японскими городами Хиросима и Нагасаки возвестил мир об открытии нового
мощного источника энергии – энергия атомного распада.
7.
Равенство людей всех рас и религий.
8.
Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и
внутренней политики. Это условие соблюдается в странах с парламентерской формой правления.
9.
Свобода научной мысли.
10.
Подъем благосостояния трудящихся. Процесс улучшения идет
очень неравномерно.
144
11.
Разумное преобразование первичной природы.
12.
Исключение войн из жизни общества. Иными словами, ноосфера
– окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии разумно контролируются обществом.
Ноосфера и развитие общества
Анализируя возможности все возрастающей мощи цивилизации,
В.И.Вернадский пришел к выводу о том, что человечеству как части живого
вещества придется взять на себя ответственность за будущее развитие биосферы и общества. Такое взаимоотношение человека и биосферы называется
коэволюцией.
Причем переход человечества в эпоху ноосферы В.И. Вернадский рассматривал как один из актов «приспособления» человечества.
Таким образом, учение В.И. Вернадского явилось тем завершающим
звеном, которое:
- объединило эволюцию живого вещества с миром неживой природы;
- перекинуло мост к современным проблемам развития общества;
- подвело нас к новому видению процессов, происходящих в обществе.
Рассматривая такое развитие биосферу в ноосферу можно заключить,
что ноосфера – это новое состояние совокупности трех систем: человек –
производство – природа, взаимосвязанных систем при активной роли системы человек.
Вопросы для обсуждения
1. Почему пресноводные экосистемы имеют непреходящее значение
для человека?
2. Законы экологии.
3. Что такое биосфера и чем она отличается от других оболочек Земли?
4. Закон целостности биосферы.
5. Понятие ноосфера.
145
Творческие задания
1. Решение проблемных задач.
2. Составление ассоциативно-логических цепочек основных терминов.
3. Проверочный тест по модулю.
Темы для творческой работы
1. Основные этапы эволюции биосферы.
2. Глобальные функции живого вещества.
3. В.И.Вернадский – создатель учения о биосфере и ноосфере.
4. Круговорот важнейших биогенных элементов.
Литература
1. Вернадский В.И. Биосфера. – М., 1967.
2. Одум Ю. Экология. – М., 1986.
3. Данилов – Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое
развитие: Учебное пособие. – М.: Прогресс – Традиция, 2000.
4. Коробкин В.и., Передельский Л.В. Экология в вопросах и ответах: Учебное пособие. – Ростов н/Д: Феникс, 2002.
5. Розанов Б.Г. Основы учения об окружающей среде. – М.: Изд-во МГУ,
1984.
146
Модуль 4. Роль человека в биосфере
Цели модуля
Темы модуля
Рекомендуемые
процедуры оценки
Осознать возрастающую негативную роль антропогенного воздействия на природную среду и, как следствие, –
резкое ухудшение качества среды обитания человека
Оценить экологическое состояние окружающей природной среды
 Антропогенное воздействие на биосферу
 Антропогенное воздействие на биотические сообщества
 Особые виды воздействия на биосферу
 Экстремальное воздействие на биосферу
Выпускной письменный тест (реферат) по окончании
курса
Оценка усвоения модулей (по вопросникам, упражнениям, заданиям и т.д.)
Быть человеком – это чувствовать
свою ответственность, сознавать,
что, кладя свой кирпич, и ты помогаешь строить мир.
Сент-Экзюпери А.
Тема 11. Антропогенные воздействия на биосферу
Основные виды антропогенных воздействий на биосферу
Биосфера, весьма динамичная планетарная экосистема, во все периоды
своего эволюционного развития постоянно изменялась под воздействием
различных природных процессов. В результате длительной эволюции биосфера выработала способность к саморегуляции и нейтрализации негативных процессов.
Главным событием эволюции биосферы признавалось приспособление
организмов к изменившимся внешним условиям путем изменения внутривидовой информации. Гарантом динамической устойчивости биосферы в
течение миллиардов лет служила естественная биота в виде сообществ и
экосистем в необходимом объеме.
147
Однако по мере возникновения, совершенствования и распространения
новых технологий (охота — земледельческая культура — промышленная
революция) планетарная экосистема, адаптированная к воздействию природных факторов, все в большей степени стала испытывать влияние новых
небывалых по силе, мощности и разнообразию воздействий. Вызваны они
человеком, а потому называются антропогенными. Под антропогенными
воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, культурных и других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в окружающую природную среду.
Известный эколог Б.Коммонер (1974 г.) выделил пять основных видов
вмешательства человека в экологические процессы:
 упрощение экосистемы и разрыв биологических циклов;
 концентрация рассеянной энергии в виде теплового загрязнения;
 рост числа ядовитых отходов от химических производств;
 введение в экосистему новых видов;
 появление генетических изменений в организмах растений и животных.
Подавляющая часть антропогенных воздействий носит
целенаправленный характер, т. е. осуществляется человеком сознательно во имя достижения конкретных целей.
Нарушение основных систем жизнеобеспечения биосферы связаны в
первую очередь с целенаправленными антропогенными воздействиями. По
своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и
характеру приложения они могут быть различными (рис. 19, по Е.М. Сергееву, В Т. Трофимову, 1985).
Анализ экологических последствий антропогенных воздействий позволяет разделить все их виды на положительные и отрицательные (негативные). К положительным воздействиям человека на биосферу можно отнести
воспроизводство природных ресурсов, восстановление запасов подземных
148
вод, полезащитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и некоторые другие мероприятия.
Площадные
Точечные
Динамические
Длительные
Кратковременные
Глубинные
Биосфера
Целенаправленные
воздействия
Статические
Приповерхностные
Прямые
Косвенные
Механические, физические,
химические, биологические
Рис. 19. Классификация целенаправленных антропогенных воздействий
на биосферу
149
Отрицательное воздействие человека на биосферу проявляется в самых разнообразных и масштабных акциях: вырубке леса на больших площадях, истощение запасов пресных подземных вод, засоление и опустынивание земель, резком сокращении численности и видов животных и растений и т.д.
Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного воздействия человека на биосферу является загрязнение. Большинство острейших экологических ситуаций в мире и в России так или иначе связаны с загрязнением окружающей природной среды (Чернобыль, кислотные дожди,
опасные отходы и т. д.). Поэтому понятие «загрязнение» рассмотрим подробнее.
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.
По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение (рис. по Н. Ф. Реймерсу, 1990; с изменениями). По своим
масштабам и распространению загрязнение может быть локальным (местным), региональным и глобальным.
150
Под видами загрязнений понимают также любые нежелательные для
экосистем антропогенные изменения (рис. 20).
Тепловые
Шумовые
Физические
Радиоактивные
Электромагнитные
тяжелыми металлами
пестицидами
Химические
отдельными химическими
веществами и элементами
СПАВ
пластмассами
биогенные
Биологические
микробиологические
генная инженерия
Рис. 20. Виды загрязнений окружающей среды
- ингредиентное (минеральное и органическое) загрязнение как совокупность веществ, чуждых естественным биогеоценозам (например, бытовые стоки, ядохимикаты, продукты сгорания и т.д.);
151
- параметрическое загрязнение, связанное с изменениями качественных
параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное, электромагнитное);
- биоценотическое загрязнение, вызывающее нарушение в составе и
структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и акклиматизация видов и т.д.).
Антропогенные воздействия на атмосферу
Охрана атмосферного воздуха – ключевая проблема оздоровления
окружающей среды. Значение его для всего живого на земле невозможно
переоценить. Человек может находиться без пищи 5 недель, без воды – 5
дней, а без воздуха – 5 минут. Причем воздух должен иметь определенную
чистоту и любое отклонение от нормы опасно для здоровья.
Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания специалистов и экологов всего мира, так как крупнейшие экологические проблемы современности – «парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, связанно именно с антропогенным
загрязнением атмосферы (табл. 4).
Таблица 4
Выброс в атмосферу главных загрязнителей в мире и в России
Вещества, млн.т.
Суммарный
мировой выброс
Россия
(только стационарные
источники)
%
Россия (с учетом всех
источников)
Диоксид Оксиды Оксид Твердые
серы
азота углерода частицы
99
68
177
57
Всего
401
9,2
3
7,6
6,4
26,2
9,2
4,4
4,3
11,2
6,5
12
5,8
5,6
12,2
13,2
Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое негативно воздействует на здоровье
человека, животных, состояние растений и экосистем.
152
Загрязнение атмосферы делится на естественные (природные) и антропогенные (техногенные).
Естественное загрязнение вызвано природными процессами:
- вулканическая деятельность;
- ветровая эрозия;
- выветривание горных пород;
- массовое цветение растений;
- дым от лесных и степных пожаров.
Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно
превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.
Наиболее опасное загрязнение атмосферы – радиоактивное.
Основными источниками загрязнения атмосферы являются:
- тепловые и атомные электростанции, котельные установки;
- черная и цветная металлургия;
- химическое производство;
- выбросы автотранспорта.
Экологические последствия глобального загрязнения атмосферы
К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения
атмосферы относятся:
 Возможное потепление климата («парниковый эффект»): парниковые газы (СО2) препятствуют длинноволновому тепловому излучению с
поверхности Земли. Атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует как крыша теплицы: с одной стороны, пропускает внутрь большую часть
солнечного излучения, с другой – почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.
 Нарушение озонового слоя: снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения.
153
 Кислотные дожди: образуются они при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты. В результате
дождь и снег оказываются подкисленными. Под воздействием кислотных
осадков из почвы выщелачиваются не только жизненно необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы
(свинец, кадмий, алюминий и др.). Впоследствии они сами образуют токсичные соединения.
Антропогенные воздействия на гидросферу
Существование биосферы и человека всегда было основано на использовании воды. Человечество постоянно стремилось к увеличению водопотребления, оказывая на гидросферу огромное воздействие (табл. 5, 6).
Таблица 5
Главные загрязнители воды
Химические
загрязнители
Кислоты
Биологические
загрязнители
Вирусы
Физические
загрязнители
Радиоактивные элементы
Щелочи
Бактерии
Взвешенные
твердые
частицы
Соли
Другие болезнетворные Тепло
организмы
Нефть и нефтепродукты Водоросли
Органолептические
(цвет, запах)
Пестициды
Лигнины
Шлам
Тяжелые металлы
Дрожжевые и плесне- Песок
вые грибы
Фенолы
Ил
СПАВ
Глина
154
Таблица 6
Основные источники загрязнения гидросферы
Отрасль промышленности
Преобладающий вид
загрязняющих компонентов
Нефтегазодобыча,
Нефтепродукты, СПАВ, фенолы, суль-
нефтепереработка
фиды
Целлюлозно-бумажный ком-
Сульфаты, органические вещества, азот,
плекс, лесная промышленность
смолистые и жирные вещества
Машиностроение,
Тяжелые металлы, взвешенные вещества,
металлообработка
нефтепродукты, смолы, фенолы, аммонийный азот
Горнодобывающая, угольная
Неорганика, фенолы, взвешенные вещества
Легкая, текстильная, пищевая
СПАВ, нефтепродукты, органические
красители
Экологические последствия загрязнения гидросферы
 Пресноводные экосистемы: нарушение устойчивости, эвтрофирование, обеднение видового разнообразия гидробионов, уменьшение биомассы зоопланктона.
 Морские экосистемы: нарушение устойчивости экосистем, эвтрофикация, «красные приливы», накопление токсикантов в биоте, снижение
биологической продуктивности, канцерогенное и микробиологическое загрязнение.
155
Экологические последствия загрязнения Мирового океана.
Биогенные
элементы
Эвтрофирование
Абиотические
факторы загрязнения токсического характера
Биотические
факторы загрязнения (патогенные бактерии,
вирусы и грибы
Нарушение устойчивости экосистем
Красные приливы
Биологические эффекты на уровне популяций и сообществ
Биологические эффекты
на уровне организмов
Накопление патогенной
микрофлоры фильтрующими гидробиотами
Анаэробиз среды
Выпадение
отдельных видов
Генетические, физиологические, морфологические последствия
Гигиенические
последствия
Иммунологические эффекты
К другим весьма значительным видам воздействиям человека на гидросферу является создание крупных водохранилищ. Они преобразуют природную среду, происходит изъятие на хозяйственные нужды и приводит к усыханию (Аральское море, Мертвое море) (рис. 21).
156
Экологические последствия создания водохранилищ
Негативные
Затопление значительных площадей плодородных земель
Позитивные
Увеличение устойчивого
стока
Изменение режима подземных вод (засоление,
заболачивание и др.)
Снижение разрушительных последствий паводков
Переработка берегов водохранилища (активизация оползней, карста и
др.)
Аккумулирование стока
воды для целей мелиорации.
Активизация сейсмической деятельности
Снижение процессов зарастания озер, лиманов
и заливов в устьях рек.
Подтопление прилегающей территории
Рис. 21. Экологические последствия создания водохранилищ
157
Антропогенные воздействия на литосферу
Уже сегодня воздействие человека на литосферу приближается к пределам, переход которых может вызвать необратимые процессы почти по всех
поверхностной части земной коры.
Экологическая функция литосферы выражается в том, она является
«базовой подсистемой биосферы»: вся континентальная и почти вся морская
биота опирается на земную кору. Но кроме того, литосфера является главным поставщиком минерально-сырьевых и в том числе энергетических ресурсов, большая часть которых относится к невозобновимым.
Основные виды антропогенного воздействия на почвы
 Эрозия (ветровая и водная) – разрушение и снос верхних плодородных горизонтов ветром или потоками воды. Оказывает негативное влияние на состояние почвенного покрова, разрушает его полностью, снижается
урожай, биологическая продуктивность растений.
 Загрязнение: пестицидами, нефтью, минеральными удобрениями,
отходами производства.
 Вторичное засоление и заболачивание: засоление появляется при
неумеренном поливе орошаемых земель в засушливых районах. Вследствие
этого исчезают многие виды растений. Заболачивание происходит в сильно
переувлажненных районах (Нечерноземье России), в зонах вечной мерзлоты.
 Опустынивание – это процесс необратимого изменения почвы и
растительности. Снижается биологическая продуктивность, приводит к пустыне (рис. 22).
 Отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.
158
ОПУСТЫНИВАНИЕ
Основные факторы и причины
развития опустынивания
Природные
Антропогенные
Неблагоприятные
метеоусловия
(длительные засухи)
Сведение лесов (вырубка
деревьев, кустарников)
Засоление почв
Чрезмерная нагрузка на
пастбища (перевыпас скота)
Преобладание легких
(супесчаносуглинистых почв)
Снижение уровня
подземных вод
(опускание базиса,
эрозии)
Ветровая и водная
эрозии
Рис. 22. Причины развития опустынивания
Интенсивная распашка,
ускорение дефляции
(выдувание) и засоление
почв
Нерациональное
водопользование,
падение уровня грунтовых
вод
Выжигание прошлогодней
сухой травы
159
Тема 12. Антропогенные воздействия
на биотические сообщества
В современных условиях возросшего антропогенного воздействия идет
изменение не только абиотических составляющих биосферы (атмосферы,
гидросферы, литосферы), но и живого вещества, то есть биотических сообществ (растительного и животного мира).
Гибель лесов, растительного и животного мира – это разрушение естественной среды обитания человека с непредсказуемыми последствиями.
Значение леса в природе и жизни человека
Лес имеет главенствующее значение в природе и в жизни человека. Лес
смягчает отрицательное воздействие засух и суховеев, сдерживает движение
подвижных песков и т.д. (рис. 23).
Средозащитная (сохранение
экологического равновесия)
Климаторегулирующая
Экологические
функции леса
Водоохранная и
водорегулирующая
Почвозащитная
Санитарно-гигиеническая
Рекреационная
160
Древесина
Техническое сырье
Природные
ресурсы леса
Минеральное сырье
Лекарственное сырье
Пищевые продукты
Рис. 23. Значение леса в природе и жизни человека
Значение животного мира в биосфере
Животный мир – это совокупность всех видов и особей диких животных, населяющих определенную территорию или среду и находящиеся в состоянии естественной свободы (рис. 24).
Средозащитная (сохранение
экологического равновесия)
Экологические
функции
животного мира
Участие в процессах
биологического круговорота
Содействие опылению,
распространению растений,
повышение плодородия
Рекреационная функция
161
Пищевые продукты
Природные
ресурсы
животного мира
Техническое сырье
Лекарственное сырье
Племенной материал для
звероводства
Рис. 24. Значение животного мира в природе и жизни человека
Тема 13. Особые виды воздействия на биосферу
 Загрязнение среды опасными отходами.
 Шумовое воздействие.
 Биологическое загрязнение.
 Воздействие электромагнитных полей и излучений.
Тема 14. Экстремальные воздействия на биосферу
 Воздействие оружия массового уничтожения.
 Воздействие техногенных экологических катастроф.
 Стихийные бедствия эндогенного характера (связаны с внутренней
энергией Земли): землетрясения, вулканические извержения.
 Стихийные бедствия экзогенного характера (обусловлены солнечной
энергией и силой тяжести): наводнения, штормы, засуха.
Резюме: «Биосфера – самая большая экосистема, от состояния которой зависит будущее человечества».
162
Творческое задание
1. Подготовить плакат на заданную тему. Защита плаката.
2. Решение прикладных задач и упражнений по модулю.
3. Проверочный тест по модулю.
Темы для творческой работы
1. «Кислые слезы облаков».
2. Оледенение или всемирный парник.
3. Феномен Байкала.
4. Загрязнение мирового океана.
5. Проблемы Черного моря.
6. Утилизация отходов.
7. О Волге с надеждой и болью.
8. Проблемы экологической этики.
Литература
1. Акимова Т.А.., Хаскин В.В. Экология – М., 1998.
2. Воронков Н.А. Экология общая, социальная, прикладная. – М., 1999.
3. Коммонер Б. Замыкающийся круг.- Л., 1974.
4. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. – М., 1990.
5. Петров К.М. Общая экология. – СПб., 1997.
6. Пономарева Н.Н. Общая экология. – М., 1994.
7. Современные проблемы экологии. – М., 1997.
8. Экологическая обстановка в городах и районах Нижегородской области. – Н.Новгород, 1999.
163
Модуль 5. Экология человека
Цели модуля
Знать общие законы взаимоотношения человека и
биосферы
Понимать взаимосвязь экологии и здоровья человека
Темы модуля
 Биосоциальная природа человека и экология
 Человек и экосистемы
 Экология и здоровье человека
Рекомендуемые процедуры оценки
Выпускной письменный тест (реферат) по окончании курса
Оценка усвоения модулей (по вопросникам,
упражнениям, заданиям и т.д.)
Бóльшая часть болезней наших – это
дело наших собственных рук; мы могли
бы почти всех их избежать, если бы
сохранили образ жизни простой, однообразный и уединенный, который
предписан нам был природою.
Руссо Ж.-Ж.
Тема 15. Биосоциальная природа человека и экология
Человек – высшая ступень развития живых организмов на Земле.
«Человек – субъект общественно-исторического процесса, развития
материальной и духовной куль туры на Земле, биосоциальное существо»,
генетически связанное с другими формами жизни, но выделившееся из них
благодаря способности производить орудия труда, обладающее членораздельной речью и сознанием, творческой активностью и нравственным самосознанием» (ученый Фролов, 1985 г.).
Биосоциальная природа человека отражается в том, что его жизнь
определяется единой системой условий, в которую входят как биологические, так и социальные элементы. Это вызывает необходимость не только
биологической, но и социальной адаптации.
Биологическая адаптация – приспособление организма к среде.
164
Социальная адаптация – это приведение межиндивидуального и
группового поведения в соответствие с господствующими в данном обществе, классе, социальной группе нормами и ценностями в процессе социализации (путем усвоения знаний об этом обществе, классе). Эту область человеческой природы изучает большая группа социальных дисциплин, с которыми экология весьма тесно связана (социально-экономические науки и
др.).
Биологическая адаптация человека весьма отличается от таковой в
животном мире, так как стремится сохранить не только его биологические
функции, но и социальные функции при возрастающем значении социального фактора. Последнее обстоятельство имеет важное экологическое значение
и нашло свое отражение в экологическом подходе к определению понятия
«человек».
Человек – один из видов животного царства со сложной социальной
организацией и трудовой деятельностью, в значительной мере «снимающими» (делающими малозаметными) биологические, в том числе поведенческие свойства организма (Реймерс, 1990 г.).
Общие законы взаимоотношения человека (или группы людей) и биосферы, влияние на человека (или группу людей) природной и социальной
сред изучает наука экология человека.
Человек как биологический вид
У человека сохранились рудиментарные органы, не нужные ему теперь, но присутствующие у животных и играющие важную роль в их жизни
(рудиментарные органы – сравнительно упрощенные, недоразвитые).
Например, у человека к рудиментарным органам относятся хвостовые позвонки, волосяной покров туловища, ушные мышцы, аппендикс.
Несмотря на наличие схожих признаков, человек коренным образом
отличается от животных.
165
Представления о происхождении человека формировались уже
на самых первых этапах духовного развития человечества, чаще всего в виде антропологических мифов.
В первобытийных племенах считали, что их предки произошли
от животных и даже растений.
В древнеегипетской философии сформировалось представление
о том, что человека создает Бог из глины на гончарном круге.
В античную эпоху высказывались идеи о естественном происхождении человека.
Законченная система происхождения человека сложилась в рамках христианства, сформировавшем учение о целостном человеке,
его отношении с Богом.
Христианская антропология разграничивает в человеке естественную (биологическую) и сверхъестественную (теологическую)
сферы. Согласно христианскому учению человек состоит из тела,
души и духа.
Телесная жизнь его не отличается от жизни других живых существ. Душа-дух являются высшим проявлением человека, свойственным только ему. Проявление духа должно быть руководящим
началом в жизни каждого человека.
Естественнонаучные концепции возникновения человека берут
свои начала от Аристотеля, который рассматривал человека как
самого высокоорганизованного животного.
С выходом в свет в 1871 г. книги Дарвина «Происхождение видов
и половой отбор» в науке утверждается и до сих пор существует
концепция происхождения человека от высокоразвитых предков современных обезьян.
Человек по многим признакам имеет сходство с позвоночными
животными, особенно с млекопитающимися. Так, в основе белковой
органической материи и животных, и человека лежит одинаковый
набор аминокислот; передача наследственных признаков осуществляется по одному механизму – через ДНК, собранных в гены. Человеку, как и млекопитающимся свойственна постоянная температуры
и легочный тип дыхания.
Человек и животные имеют подобное строение и функции отдельных органов; и чем выше по эволюционной шкале стоит животное, тем больше его сходство с человеком. Человеческий зародыш в
своем развитии повторяет некоторые эмбриональные формы предков, через которые проходила и эволюция животного.
Человек приобрел специфические, присущие только ему особенности:
- прямостояние и прямохождение;
166
- свободные верхние конечности и подвижную кисть руки;
- мощно развитую мускулатуру нижних конечностей;
- сводчатую стопу с сильно развитым первым пальцем.
Прямохождение привело к изменению и анатомо-физиологических
особенностей внутренних органов. Человек, в отличие от животных, имеет
большой объемный мозг, крупные размеры мозгового и малые размеры лицевого черепа.
I. Одним из фундаментальных отличий человека от животных является его разум. Эксперименты показали, что животные могут понимать слова, обезьяны даже могут сообщать о своих желаниях (1 банан или 2 банана),
используя компьютер, но они не способны к понятийному мышлению.
«Мышление животных» конкретно. Человек же способен к абстрактному и
логическому мышлению.
II. Вторым фундаментальным отличием человека от животных является речь. Животные способны общаться друг с другом с помощью сигналов. Но общаться с помощью слова способен только человек. Эта способность о высшей нервной деятельности называется второй сигнальной системой.
III. Третьим фундаментальным отличием человека от животных является его способность к труду. Человек способен не только использовать
орудия труда (как это делают, например, обезьяны), но изготавливать их и
совершенствовать.
Понятийное мышление, речь и труд – стали отправными путями, которые способствовали формированию человека и обособлению его от природы.
На основании научных данных сложилось обоснованное заключение о
том, что появление человека стало закономерным результатом развития
Биосферы земли, ее высшей, качественно новой ступенью развития.
167
Человек рожден биосферой, он один из 3 млн. известных сейчас биологических видов на Земле. Определено его место в биологической системе
животного царства:
- вид – разумный (sapiens);
- род – человек (Homo);
- семейство – люди (Homininas), подотряд – человекообразные; отряд
– приматов или обезьян (Primates); класс – млекопитающие; подтип – позвоночные; тип – хордовые.
Эволюция обезьяны в человека прошла длинный период.
Под влиянием похолодания в ледниковый период джунгли отступили к экватору. Одна из ветвей обезьян, ведущих древесный
образ жизни (дриопитеки), была вынуждена спуститься с деревьев, и приспосабливаясь к новым суровым условиям, вести тяжелую
борьбу за существование.
Естественный отбор шел в направлении сохранения признаков, содействовавших развитию стадности – так легче было выжить в суровых условиях, и совершенствование руки, которое оказалось возможным благодаря тому, что дриопитек перешел к прямохождению. Таким образом, решающим шагом на пути от обезьяны к человеку явилось прямохождение.
Использование орудий, стадный образ жизни также активно
способствовали развитию мозга и возникновению речи.
Так, у австралопитеков размер мозга составлял 500-600 см3; у
питекантропов – до 900 см3; у современного человека – 1400 см3.
Останки древнейшего предка человека были обнаружены на
территории от Индии до Африки. Предполагают, что он жил
примерно 14 млн. лет назад.
Первые австралопитеки были найдены в Южной и Восточной
Африке (примерно 3-5 млн. лет тому назад). Позднее «обезьянолюди» были обнаружены в Европе и Азии. Среди них 2-3 млн. лет
назад выделился род человека (Homo).
В ранние эпохи на земле существовали несколько видов гоминид, относящихся к двери подсемействам: австралопитеки и
просто люди, из которых сохранился лишь один вид Homo sapiens –
человек разумный.
Многие ученые считают, что Homo sapiens подразделяется на
два подвида – неандертальца и современного человека (рис. Возникновение человека на земле).
168
С экологических позиций человечество можно рассматривать как общемировую популяцию биологического вида, составную часть экосистемы
Земли.
Если человек лишен общества или сроки общения в обществе, образования и воспитания упущены, то по развитию он может остаться на уровне
приматов.
Пробуждение в людях низменных начал в ущерб разуму с поразительной быстротой ведет к потере культурных завоеваний, к возрождению дикости и агрессивности даже в условиях технической развитости.
В эволюции живого вещества на планете есть ряд поворотных
пунктов, последним из которых в этой эволюционной сукцессии является появление человека. Это произошло совсем недавно 3,5-5
млн. лет назад, что по сравнению с 4 млрд. лет развития живого
мира – ничтожно малая часть. Для наглядности этой «ничтожности» прибегают к такому приему: представим весь период развития органической жизни в масштабе одного года, тогда появление
и развитие человека уложится в одни сутки «31 декабря» (365
часть), появление сельского хозяйства (10 тыс. лет назад) – в 2 минуты, а промышленная революция (200 лет назад) – в 2 секунды, то
есть она возникла в 23 часа 59 минут 58 секунд 31 декабря.
Если сравнить время появления и развития человека, например,
с периодом существования динозавров на Земле, то они просуществовали в 14 раз больше, то есть 2 недели.
Все это приводит к мысли, что человек, как и любой биологический
вид на Земле, так же преходящ и вовсе не является «вершиной эволюции»,
как думают сами люди.
Тем не менее В.И. Вернадский полагал, что не для того природа потратила миллиарды лет, чтобы эпоха Homo sapiensa просуществовала
«мгновение» - это есть определенный «скачок» эволюции в весьма длительную новую геологическую эру.
Первобытный человек вплоть до недавнего времени (до появления
сельского хозяйства) вообще-то представлял собой обычного всеядного консумента естественных экосистем.
169
Занимаясь собирательством и охотой, он создавал недолговременные
поселения, кочевал с места на места в поисках участков с более богатой растительностью и другой пищи. В этот период влияние человека на окружающую природу было невелико.
Еще 1,5 млн. лет назад продолжительность жизни человека не превышала 20 лет, а численность всей популяции состоит примерно 500 тыс. особей. Столь незначительная продолжительность жизни объясняется тем, что
человек жил в первозданной природной среде, в которой безраздельно господствовали силы саморегуляции. Однако, как и любой вид, человек не
только зависит от среды, но и воздействует на нее.
Человек, в отличие от животных, обладает интеллектом. Интеллект
позволил человеку найти «противоядие» против одного из важнейших факторов – нехватки пищевых ресурсов. Это произошло примерно 10 тыс. лет
назад.
Человек стал строить свою собственную экологическую систему. Способность человека мыслить позволила ему создавать орудия труда и преодолевать действие абиотических и биотических факторов.
Ученый Б. Небел (1993 г.) считает, что преодолеть действие факторов
человек смог:
1. В изобилии производя продовольствие (хотя с его распределением
все еще возникают проблемы).
2. Создав водохранилища и подведя воду в населенные пункты и на
поля.
3. Создав средства борьбы с хищниками и многими болезнетворными
организмами.
4. Построив жилища и научившись обогревать или охлаждать их по
собственному желанию.
5. Выиграв в конкурентной борьбе с другими видами.
Человек, научившись преодолевать действие лимитирующих факторов, тем не менее на 100% еще не одержал победу над ними.
170
Как отмечает Ю. Одум: «человек может снабдить кондиционированным воздухом свое жилье, свое рабочее место, но считать себя независимым
от климата он не может, иначе ему пришлось бы снабдить кондиционированным воздухом свои посевы и домашних животных». Значит, человек
остается зависимым от климатический явлений – жары и холода, засухи и
дождей и др.
Таким образом, хотя человек существо социальное, собственно природа всегда будет фактором существования человека, составлять неотъемлемую часть окружающей человека среды, куда входит и искусственно созданная им среда, и общественные отношения и социум. Искусственная среда обитания также воздействует на человека, то есть здесь возникает обратная связь, она воздействует как на биологические, так и социальные процессы, протекающие в человеческих популяциях.
Наследственность человека
Созданная в процессе становления вида Homo sapiens генетическая
программа определяет его как биологический вид. Она записана в молекулах
ДНК, достаточно консервативна и представляет собой самый драгоценный
из природных ресурсов. Но, тем не менее, от поколения к поколению ДНК
человека вовлекается в разнообразные генетические процессы – фактически в такие же, в какие вовлекаются ДНК всех остальных животных:
1) мутационный процесс, непосредственно изменяющий структуру
ДНК;
2) миграция генов – отток или приток генов из других популяций;
3) дрейф генов – случайные колебания частот генов;
4) естественный отбор – направленно изменяющий частоты генетических признаков.
Мутационный процесс в условиях естественного фона радиации не
может повлиять на жизнь популяций. Но человек сам ввел в свою окружающую среду ядерную энергию, обладающую исключительной мутационной
активностью.
171
Он использует в быту и на производстве сотни тысяч химических соединений, среди которых появились и химические мутации, в том числе и
химические соединения, которые прежде не встречались в природе.
Случайный дрейф и миграция генов среди животных обычное явление, приводящее к образованию экотипов, которые развиваясь изолированно могут образовывать в результате эволюции новую расу или даже новую
видовую популяцию.
Что же касается человека, то в настоящее время, в условиях развитости транспорта, миграции в город из сел (урбанизация) и вообще подвижность населения, географические расстояния уже не играют роли.
В этих условиях генный дрейф теряет значение как фактор популяционной динамики, в то же время как еще в конце ХIХ века можно было говорить о существовании неких групп населения, которые называли «изолятами».
Изменение параметров миграции приводит к расширению круга брачных связей, к увеличению роли межнациональных и гетеролокальных (на
больших расстояниях от мест жительства) браков. Это явление может иметь
положительную и отрицательную стороны. Оптимум где-то посередине.
Однако, человек еще и социальное существо, поэтому на его генофонд
действуют и весьма активно – общественные отношения. Генофонд – это
вся совокупность человеческого населения (любого биологического вида),
обитающего на конкретной исторически сложившейся территории, а значит,
и человеческой популяции.
Различные социальные условия обуславливают формирование людей
определенного генотипа, то есть определенного сочетания человеческого,
переданного родителями и обеспечивающего человеку жизнь.
На протяжении всей этой истории постепенно снижалась роль природной и возрастала роль искусственной среды в жизни человека. При этом
изменялись величина и качественный характер давления естественного отбора.
172
Благодаря социальным преобразованиям и развитию медицины, в развитых странах давление естественного отбора значительно снизилось.
Тем не менее, человек, являясь и биосоциальным существом, не освободился от действия общебиологических закономерностей, универсальных
для всего живого. В подтверждение приводим данные зарубежных ученых:
≈ 5% эмбрионов человека погибают на ранних стадиях онтогенеза
(спонтанные аборты);
≈ 3% составляет мертворожденность;
≈ 3% - смертность до наступления репродуктивного возраста;
≈ 20% взрослых не вступают в брак;
≈ 10% браков бесплодны;
≈ 41% первичного генофонда не воспроизводится в следующем поколении и значительная часть этих явлений генетически обусловлена.
Искусственная среда и эволюция человека
Человек – создатель и регулятор развития городских (урбанистических) систем.
Соотношение социального и биологического в человеке нельзя точно
измерить, но при рассмотрении экологии человека необходимо учитывать
оба эти начала. Наиболее рельефно эти проблемы видны при изучении эволюции и адаптации человека в городской среде.
Движущей силой эволюции является естественный отбор, давление
которого в развитых странах вообще, а тем более в урбосистемах, значительно снижено.
И, тем не менее, человек и в городской среде не изолирован от природы. Продолжают действовать зональные географические условия, отмечено
даже формирование, независимо от этнической принадлежности, зональных
адаптивных типов человека: тропический, пустынный, высокогорный, континентальный, умеренный, арктический.
Учитывая указанные генетические особенности человека и что он занял такие пространства, где воздействия среды во многом противоположны,
173
можно констатировать: человек, в отличие от животных, поставил вид в
условия широчайшей экологической ниши, характеризующейся общей
направленностью адаптаций. В сборнике «Городская среда» (1990 г.): «Человек как биологический вид достиг того предела «эврибионтности», когда
дальнейший ее рост вступает в противоречие с организмом человека как высоко интегрированной системы…».
Именно эта особенность позволила человеку освоить огромное число
экологических ниш в природе, а с другой стороны, привести к процессам
«самонастройки» его организма и изменениям среды.
«Самонастройка» систем организма к среде свидетельствует о возможностях выживания человека в новых условиях.
Примерами «самонастройки» систем организма человека при изменении среды могут служить: процессы акселерации, приспособительная динамика соотношения полов в популяции, физиологическая реакция организма
на условия высокогорья, высоких широт, невесомости.
Данные космической биологии показывают, что человек, адаптируясь
к новым условиям в Космосе, вернувшись на Землю, вынужден снова вырабатывать у себя прежние навыки – деадаптироваться.
В условиях жизнедеятельности в городской среде человек может
находится дома (в квартире), затем на производстве и, наконец, может выехать за город на отдых. Эти изменения окружающих человека сред вызывают процессы реадаптации, то есть адаптации к ставшим уже для него новым условиям ранее привычной среды (например, головная боль от «избытка кислорода», у детей потеря бдительности к транспорту за время летних
каникул).
Примерно то же происходит, если меняется среда в месте проживания
человека (например, повысился уровень загрязнения или уровень шума на
производстве. Механизмы отбора, эволюционные процессы отстают и адаптация становится невозможной.
174
Такой резкий дисбаланс системы вызывает стрессовые ситуации, приводящие к болезням человека, вплоть до генетических нарушений – мутагенных явлений.
В городской среде к традиционным экологическим факторам добавляются такие, как десинхроноз (несоответствие адаптаций географической
зональности при трансширотных и трансмеридиальных миграциях), транспортная усталость, электромагнитные поля, симбиотная бактериальновирусная флора, медицинские интервенции, информационное богатство
среды, вирусная трансдукция (перенос генетического материала из одной
клетки в другую с помощью вируса).
Существует проблема оценки качества городской среды. В природных
экосистемах можно использовать виды – индикаторы, действие отдельных
экологических факторов, наличие тех или иных компонентов загрязнения.
Но человек, в отличие от животных, сохраняет свои видовые характеристики благодаря трудовой общественно-исторической деятельности, в результате которой и создавалась новая «искусственная среда». Поэтому, оценка
состояния среды обитания человека возможна лишь через состояние здоровья самого человека.
Создание искусственной среды стало возможным благодаря общественной, социальной природе человека и для него необходима не только
биологическая, но и социальная адаптация к данной среде. С этой точки
зрения важны проблемы роста и развития человеческой популяции, весьма
рельефно отражающие биосоциальную природу человека.
175
Популяционная характеристика человека
Популяция человека обладает теми же свойствами, что и популяция
животных, но характер и форма их проявлений значительно отличается
вследствие совокупности факторов, называемых единым словом – социум.
Все люди на земле образуют человечество. Рост этой популяции ограничен доступными природными ресурсами и условиями жизни, социальноэкономическими и генетическими механизмами. Человек, зная о значении
ограничивающих факторов, пока еще мало придает им значения. Человечество плохо осознает предел своей «толерантности» и об этом свидетельствует практически «безудержимый рост населения».
Но если действительно поведение человека разумно, тогда он должен:
1) изучать и понять форму собственного популяционного роста;
2) определить количественно оптимальные размеры и конфигурацию
населения в связи с емкостью данной области;
3) быть готовым к принятию «культурной регуляции» там, где «естественная регуляция» не действительна (Ю. Одум).
Рост численности населения
Рост численности населения Земли подчиняется экспоненциальному
закону, при этом прирост не постоянный, а в последние десятилетия шел с
нарастающим итогом. Так, в 70-е гг. население планеты увеличилось на 750
млн человек, в 80-е — на 840 млн, а прирост на 90-е гг. прогнозировался в
960 млн человек и, как видно из табл., ежегодный прирост к концу века прогнозировался почти 100 млн человек, что подтверждается косвенными данными в настоящее время (табл. 7).
176
Таблица 7
Темпы роста населения Земли в 1950-2000 гг.
Год
1950
1960
1970
1980
1990
2000
Численность
населения,
млрд. чел.
2,515
3,019
3,698
4,450
5,592
6,256
Прирост за
десятилетие,
млн.чел.
504
679
752
842
959
Среднегодовой
прирост,
млн.чел.
50
68
75
84
96
Такой прирост характеризует состояние «демографического взрыва» в
человеческой популяции. Еще 1,5 млн лет назад на Земле проживало примерно 500 тыс. человек. При продолжительности жизни в то время всего 20
лет, количество особей могло удвоиться лишь по прошествии 200 тыс. лет.
В настоящее же время для этого требуется всего 35 лет.
Примерно 9 тыс. лет тому назад на Земле проживало около 10 млн человек, в начале нашей эры — порядка 200 млн, а в середине XVII в. — 500
млн. Но и в XIX в., и сейчас возникали и возникают различного рода локальные и региональные катастрофы, связанные с болезнями, голодом (например, вследствие неурожаев), войнами и т. п. И, несмотря на это, численность населения продолжает расти, так как люди для себя, с помощью технологических, социальных и культурных перемен, увеличили емкость планеты, сделав обычно непригодные для жизни планеты районы Земли обитаемыми (Миллер, 1993).
Динамику роста народонаселения изучает наука демография. Демографические расчеты позволяют оценить возрастную структуру населения,
причины изменения численности в прошлом и прогнозировать эти изменения на будущее. Данные по возрастному составу населения представлены
в виде возрастных пирамид (рис. 25).
177
а
б
в
Рис. 25. Возрастная структура народонаселения в 1970 г. в трех странах, различающихся скоростью роста численности: а — Мексика (быстро
растущая популяция); б — США (медленно растущая популяция); в —
Швеция (стационарная популяция) (Freedman, Berelson, 1974)
Возрастная пирамида отражает структуру населения данной местности или государства в целом и содержит в себе информацию о численности
каждой возрастной категории людей, о характере роста населения, о позитивном или негативном влиянии условий жизни и др.
Строятся пирамиды в координатах возраст-численность. Каждый возрастной класс для различных животных, в зависимости от их продолжительности жизни, имеет различные интервалы, а для человека — интервал в пять
лет. Он изображается в виде горизонтально «лежащего столбика», длина которого равна численности данного возрастного класса. Самый «младший»
столбик укладывается в основание пирамиды, самый «старший» — ее венчает.
Возрастная пирамида развивающихся стран сужается к вершине (рис.
26) вследствие того, что рождаемость высокая, а выживаемость людей в них
низкая. В противоположность ей пирамида населения развитых стран имеет
почти отвесную стенку вплоть до старших возрастов, что свидетельствует о
высокой выживаемости человека в более благоприятных условиях. Эти же
пирамиды свидетельствуют о стремительном росте населения развиваю-
178
щихся стран, а также о незначительном росте (если он даже есть) населения
в развитых странах.
Рис. 26. Общая численность и возрастной состав населения развивающихся и развитых стран (соответственно заштрихованные и незаштрихованные части диаграммы слева и справа)
Озабоченность тенденциями роста населения еще двести с лишним лет
назад заставила Т. Мальтуса написать трактат, ставший всемирно известным. В нем он впервые математически доказал, что рост населения происходит по экспоненциальному закону, а количество продуктов сельского хозяйства увеличивается в арифметической прогрессии. Мальтус считал, что,
если не прекратится бесконтрольное деторождение, нищета и голод неизбежны. Конечно, он ошибался в том плане, что не мог учесть в свою эпоху и
предвидеть потенциальные возможности новых технологий для повышения
продуктивности почв, огромных достижений генетики в области селекции
сельскохозяйственных растений и животных и т. д. Он писал задолго до открытия принципов генетики Менделем, он ничего не знал еще о биогеохимических круговоротах, возвращающих биогенные компоненты в почву, и
др.
Т.Мальтус полагал: с повышением численности и ростом плотности
населения численность человеческой популяции начнут регулировать эпидемии, т.е. факторы, зависящие от плотности населения. Успехи медицины,
179
казалось бы, опровергли этот факт, однако постепенно он снова возник из
небытия — ВИЧ-инфекция, рак и т.п. С усилением контактов между народами и ростом их численности эти и другие болезни, например, эпидемии
гриппа и ряд новейших заболеваний, будут представлять все большую опасность для человечества. Но этой опасности есть альтернатива. По мнению
Н.Ф. Реймерса, при экономически благоприятных условиях начнет реально
действовать регулируемый механизм депопуляции и через три поколения
(75 лет) человечество бесконфликтно сократится до 1,0—1,5 млрд.
По прогнозам демографов, если все будет идти, как идет сейчас, уже к
40—50 гг. XXI в. численность населения на Земле достигнет предельной
биологической емкости человеческой популяции (12—15 млрд человек), а
это чревато ее «крахом».
Иными словами, в полную силу вступают в свои права «факторы естественной регуляции» и среди них важнейшим будет истощение доступных
человечеству ресурсов.
Природные ресурсы Земли как лимитирующий
фактор выживания человека
В самом общем виде, применительно к человеку, «ресурсы — это нечто, извлекаемое из природной среды для удовлетворения своих потребностей и желаний» (Миллер, 1993). Потребности человека можно разделить на
материальные и духовные. Природные ресурсы в прямом их применении в
какой-то части удовлетворяют духовные потребности человека, например,
эстетические («красота природы»), рекреационные (отдых, восстановление
сил) и т. п. Но главное их назначение — удовлетворять материальные потребности, т. е. создание материальных благ.
Природные (естественные) ресурсы – это природные объекты и явления, которые человек использует для создания материальных благ, обеспечивающих не только поддержание существования человечества, но и постепенное повышение качества жизни.
180
Природные объекты и явления — это различные тела и силы природы,
используемые человеком как ресурсы. Организмы, кроме человека и в значительной степени домашних животных, черпают живые энергетические ресурсы непосредственно из окружающей природной среды, являясь частью
биогеохимических циклов. Эти ресурсы по своему действию можно рассматривать и как экологические факторы, в том числе и как лимитирующие,
например, большая часть пищевых ресурсов.
Человек, благодаря своим все возрастающим материальным потребностям, не может довольствоваться дарами природы только в той мере, при которой не должен нарушать ее равновесие, т. е. около 1% от ресурсов природной экосистемы, поэтому ему приходится использовать и те природные
ресурсы, которые накоплены за миллиарды и миллионы лет в недрах Земли.
Для создания материальных благ человеку необходимы металлы (железо,
медь, алюминий и др.) и неметаллическое сырье (глина, песок, минеральные
удобрения и др.), а также лесная продукция (строительный лес, для производства целлюлозы и бумаги, и т. д.) и многое другое.
Природные ресурсы, используемые человеком, многообразны, многообразно их назначение, происхождение, способы использования и т. п. Это
требует определенной их систематизации.
Классификация природных ресурсов
В основу классификации положено три признака: по источникам происхождения, по использованию в производстве и по степени истощаемости
ресурсов (Протасов, 1985).
По источникам происхождения ресурсы подразделяются на биологические, минеральные и энергетические.
Биологические ресурсы — это все живые средообразующие компоненты биосферы: продуценты, консументы и редуценты с заключенным в них
генетическим материалом (Реймерс, 1990). К ним относятся промысловые
объекты, культурные растения, домашние животные, живописные ландшаф-
181
ты, микроорганизмы, т. е. сюда относятся растительные ресурсы, ресурсы
животного мира и др. Особое значение имеют генетические ресурсы.
Минеральные ресурсы — это все пригодные для употребления вещественные составляющие литосферы, используемые в хозяйстве как минеральное сырье или источники энергии. Минеральное сырье может быть рудным, если из него извлекаются металлы, и нерудным, если извлекаются неметаллические компоненты (фосфор и т. д.), или используются как строительные материалы.
Если же минеральные богатства используются как топливо (уголь,
нефть, газ, горючие сланцы, торф, древесина, атомная энергия) и одновременно как источник энергии в двигателях для получения пара и электричества, то их называют топливно-энергетическими ресурсами.
Энергетическими ресурсами называют совокупность энергии Солнца
и Космоса, атомно-энергетических, топливно-энергетических, термальных
и других источников энергии.
Второй признак, по которому классифицируют ресурсы, — по использованию их в производстве. Сюда относятся следующие ресурсы:
— земельный фонд — все земли в пределах страны и мира, входящие
по своему назначению в следующие категории: сельскохозяйственные,
населенных пунктов, несельскохозяйственного назначения (промышленности, транспорта, горных выработок и т. п.). Мировой земельный фонд —
13,4 млрд га.
— лесной фонд — часть земельного фонда Земли, на которой произрастает или может произрастать лес, выделенный для ведения сельского хозяйства и организации особо охраняемых природных территорий; он является частью биологических ресурсов;
— водные ресурсы — количество подземных и поверхностных вод, которые могут быть использованы для различных целей в хозяйстве (особое
значение имеют ресурсы пресных вод, основным источником которых являются речные воды);
182
— гидроэнергетические ресурсы — те, которые способна дать река,
приливно-отливная деятельность океана и т. п.;
— ресурсы фауны — количество обитателей вод, лесов, отмелей, которые может использовать человек, не нарушая экологического равновесия;
—
полезные
ископаемые
(рудные,
нерудные,
топливно-энер-
гетические ресурсы) — природное скопление минералов в земной коре, которое может быть использовано в хозяйстве, а скопление полезных ископаемых образует их месторождения, запасы которых должны иметь промышленное значение.
С природоохранной точки зрения важное значение имеет классификация ресурсов по третьему признаку — по степени истощаемости. Истощение природных ресурсов с экологических позиций — это несоответствие
между безопасными нормами изъятия природного ресурса из природных систем и недр и потребностями человечества (страны, региона, предприятия и
т. д.). На рис. 27 приводится схема классификации по степени истощаемости.
Природные
ресурсы
Неисчерпаемые
Непосредственно
солнечная энергия
Ветер, приливы,
текучая вода
Исчерпаемые
Возобновимые
Чистый
воздух
Пресная
вода
Плодородная
почва
Невозобновимые
Растения
и животные
Ископаемое
топливо
Рис. 27. Классификация природных ресурсов
Металлическое
минеральное сырье
Неметаллическое
минеральное сырье
183
Неисчерпаемые ресурсы — непосредственно солнечная энергия и вызванные ею природные силы, — например, ветер и приливы существуют
вечно и в неограниченных количествах.
Исчерпаемые ресурсы имеют количественные ограничения, но одни из
них могут возобновляться, если есть к этому естественные возможности или
даже с помощью человека (искусственная очистка воды, воздуха, повышение плодородия почв, восстановление поголовья диких животных и т.п.).
Однако очень важная группа ресурсов не возобновляется. К ним относятся
такие реликты древних биосфер, как топливо и железная руда, а также ряд
руд металлов внутриземного (эндогенного) происхождения. Все они имеют
ограниченные запасы в литосфере. Эти ресурсы конечны и не возобновляются.
Конечно, у человека есть возможности заменить наиболее дефицитные
ресурсы на имеющие большее распространение и большие запасы. Но, как
правило, подобно тому, как и при замене одних экологических ресурсов
(например, пищевых в экосистемах) другими, понижается качество.
Таким образом, одним из важнейших лимитирующих факторов выживания человека как биологического вида (Homo sapiens) является ограниченность и исчерпаемость важнейших для него природных ресурсов. Но человек еще и социальное существо, поэтому для развития и выживания человеческого общества очень важен характер использования ресурсов.
Постоянно растет количественное их потребление, растет их «ассортимент», зачастую без учета ресурсообеспеченности.
Ресурсообеспеченность — это соотношение между величиной природных ресурсов и размерами их использования.
Само
понятие
«ресурсообеспеченность»
является
социально-
экономическим. Таким образом, о ресурсообеспеченности нельзя судить
только по размерам запасов, а надо учитывать интенсивность извлечения
(потребления их обществом).
184
Потребление природных ресурсов обусловлено прежде всего тем, что
человек, стремясь «снять» влияние лимитирующих природных факторов,
для того, чтобы выжить и победить в конкурентной борьбе, начал создавать
свои, антропогенные экосистемы.
Тема 16. Человек и экосистемы
Антропогенные экосистемы
Человек в конкурентной борьбе за выживание в природной окружающей среде начал строить свои искусственные антропогенные экосистемы.
На современном этапе он для удовлетворения своих все возрастающих потребностей вынужден изменять природные экосистемы и даже разрушать
их, возможно, и не желая этого.
Энергия — это изначальная движущая сила экосистем, причем всех
— и природных и антропогенных. Энергетические ресурсы этих систем могут быть неисчерпаемые — солнце, ветер, приливы и исчерпаемые — топливно-энергетические (уголь, нефть, газ и т.п). Опираясь на эти энергетические особенности существующих систем, Ю. Одум (1986) предложил их
классификацию, приняв энергию за основу, и выделил четыре фундаментальных типа экосистем:
1. Природные: движимые Солнцем, несубсидируемые.
2. Природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками.
3. Движимые Солнцем и субсидируемые человеком.
4. Индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим или ядерным)».
Эта классификация принципиально отличается от биомной, основанной на структуре экосистем, так как она основана на свойствах среды. Тем
не менее, она хорошо дополняет ее. Первые два типа — это природные
экосистемы, а третий и четвертый следует отнести к антропогенным.
185
К первому типу экосистем относятся океаны, высокогорные леса,
являющиеся основой жизнеобеспечения на планете Земля.
Ко второму типу экосистем относят эстуарии в приливных морях,
речные экосистемы, дождевые леса, т. е. те, которые субсидируются энергией приливных волн, течений и ветра.
Хотя экосистемы первого типа неспособны поддерживать высокую
плотность их фауны и флоры, но они занимают громадные площади — одни океаны — это 70% территории земного шара. Ими движет энергия только самого Солнца, и они являются основой, стабилизирующей и поддерживающей жизнеобеспечивающие условия на планете.
Экосистемы второго типа обладают высокой естественной плодородностью, поскольку организмы, проживающие здесь, например, в эстуариях,
приспособились использовать «дополнительную» энергию приливов и течений, а в дождевых лесах — энергию ветра и дождя и т. п. Эти системы
«производят» столько первичной биомассы, что ее хватает не только на собственное содержание, но часть этой продукции может выноситься в другие
системы или накапливаться.
Таким образом, природные экосистемы «работают» на поддержание
своей жизнеспособности и собственного развития без всяких забот и затрат
со стороны человека, более того, в них создается и заметная доля пищевых
продуктов и других материалов, необходимых уже для жизни самого человека. Но главное, именно здесь очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот пресная вода, формируется климат и др.
Совсем иначе работают антропогенные экосистемы. К ним можно отнести третий тип – это агроэкосистемы, аквакультуры, производящие продукты питания и волокнистые материалы, но уже не только за счет энергии
Солнца, а и дотации ее в форме горючего, поставляемого человеком.
Эти системы походят на природные, поскольку саморазвитие культурных растений в период вегетации – это процесс природный и вызван к жизни природной солнечной энергией. Но подготовка почвы, сев, уборка уро-
186
жая и др. – это уже энергетические затраты человека. Более того, человек
практически целиком меняет природную экосистему, что выражается, прежде всего, в ее упрощении, т.е. снижении видового разнообразия, вплоть до
сильно упрощенной монокультурной системы (табл. 8).
Таблица 8
Сравнение природной и упрощенной антропогенной экосистем
Природная экосистема
(болото, луг, лес)
Получает, преобразует, накапливает
солнечную энергию
Продуцирует кислород и потребляет
диоксид углерода
Формирует плодородную почву
Накапливает, очищает и постепенно
расходует воду
Создает местообитания различных
видов дикой природы
Бесплатно фильтрует и обеззараживает загрязнители и отходы
Обладает способностью самосохранения и самовосстановления
Антропогенная экосистема
(поле, завод, дом)
Потребляет энергию ископаемого и
ядерного топлива
Потребляет кислород и продуцирует
диоксид углерода при сгорании ископаемого топлива
Истощает или представляет угрозу
для плодородия почв
Расходует много воды, загрязняет ее
Разрушает местообитания многих
видов природы
Производит загрязнители и отходы,
которые должны обеззараживаться за
счет населения
Требует больших затрат для постоянного поддержания и восстановления
Современное сельское хозяйство позволяет постоянно, из года в год
удерживать экосистемы на ранних стадиях сукцессии, добиваясь максимальной первичной продуктивности одного или нескольких растений
(например, кукурузы, пшеницы, гороха и т.п.). Крестьянам удается добиваться высоких урожаев, но дорогой ценой, а цена эта обусловлена затратами на борьбу с сорняками, на минеральные удобрения, на обработку почв и
т. п.
Устойчивое появление новых видов, например, травянистых растений,
есть результат естественного сукцессионного процесса. То, что мы называем
187
сорняками, — не что иное, как пионерные виды растений, вредители —
насекомые и другие животные, а возбудители болезней — микроорганизмы.
Сорные растения, вредители и болезни могут уничтожить весь урожай, если
активно не бороться с ними.
Животноводство — это также путь к упрощению экосистемы; охраняя
полезных ему сельскохозяйственных животных, (коров, свиней, овец и др.),
человек уничтожает диких животных: травоядных, как конкурентов в пищевых ресурсах, хищников — как уничтожающих домашний скот.
Вылов ценных видов рыб упрощает экосистемы водоемов. Загрязнение воздушной и водной сред также ведет к гибели деревьев и рыб и «обирает» природные экосистемы.
Молодая, продуктивная экосистема очень уязвима из-за монотипного
видового состава, так как в результате какой-то экологической катастрофы,
например, засухи, ее уже не восстановить вследствие разрушения генотипа.
Но для жизни человечества они необходимы, поэтому наша задача — сохранить баланс между упрощенными антропогенными и соседствующими с
ними более сложными, с богатейшим генофондом, природными экосистемами, от которых они зависят.
Продуктивность и тех и других основана на фотосинтезе, а верхний
предел притока энергии для любой постоянной, длительно функционирующей системы, составляет около 50000 ккал/м2 г. Действительное различие между системами лишь в распределении энергии: в антропогенной она
поглощается лишь несколькими или вообще одним-двумя видами, а в природной — многими видами и веществами.
Совсем по-другому обстоит дело в экосистемах четвертого типа, к
которым относятся индустриально-городские системы — здесь энергия топлива полностью заменяет солнечную энергию. Годовая потребность человека в пище — около 1 млн ккал, но если подсчитать затраты энергии на душу
населения, существующие реально, то они окажутся в десятки раз больше
(так, в США они в 86 раз больше).
188
Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы)
Главная цель создаваемых сельхозсистем — рациональное использование тех биологических ресурсов, которые непосредственно вовлекаются в
сферу деятельности человека — источники пищевых продуктов, технологического сырья, лекарственных препаратов. Сюда же относятся специально
культивируемые человеком виды, являющиеся объектами сельскохозяйственного производства: рыбоводства, звероводства, специального выращивания лесных культур, а также виды, используемые для промышленных технологий.
Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокого урожая — чистой продукции автотрофов. Обобщая все уже сказанное выше об
агроэкосистемах, подчеркнем следующие их основные отличия от природных (табл. 9):
Таблица 9
Сравнительная характеристика природных экосистем и агроэкосистем
Природные экосистемы
Первичные естественные элементарные единицы биосферы, сформировавшиеся в ходе эволюции
Сложные системы со значительным
количеством видов животных и растений, в которых господствуют популяции нескольких видов. Им свойственно устойчивое динамическое
равновесие, достигаемое саморегуляцией
Продуктивность определяется приспособительными особенностями организмов, участвующих в круговороте веществ
Первичная продукция используется
животными и участвует в круговороте веществ. «Потребление» происходит почти одновременно с «производством».
Агроэкосистемы
Вторичные трансформированные человеком искусственные элементарные единицы биосферы
Упрощенные системы с господством
популяций одного вида растения или
животного. Они устойчивы и характеризуются непостоянством структуры своей биомассы
Продуктивность определяется уровнем хозяйственной деятельности и
зависит от экономических и технических возможностей
Урожай собирают для удовлетворения потребностей человека и на корм
скоту. Живое вещество некоторое
время накапливается, не расходуясь.
Наиболее высокая продуктивность
189
развивается лишь на короткое время
1. В них резко снижено разнообразие видов: снижение видов культивируемых растений снижает и видовое разнообразие животного населения
биоценоза; видовое разнообразие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным; культурные пастбища (с подсевом
трав) по видовому разнообразию похожи на сельскохозяйственные поля.
2. Виды растений и животных, культивируемых человеком, «эволюционируют» за счет искусственного отбора и не конкурентоспособны в борьбе
с дикими видами без поддержки человека.
3. Агроэкосистемы получают дополнительную энергию, субсидируемую человеком, кроме солнечной.
4. Чистая продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает
в цепи питания биоценоза, а частичное ее использование вредителями, потери при уборке, которые тоже могут попасть в естественные трофические цепи, всячески пресекаются человеком.
5. Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов и других агроценозов
— это упрощенные системы, поддерживаемые человеком на ранних стадиях
сукцессии, и они столь же неустойчивы и неспособны к саморегуляции, как
и природные пионерные сообщества, а потому не могут существовать без
поддержки человека.
В агроценозах значительно чаще происходит чрезмерное увеличение
отдельных видов, названное Ч. Элтоном «экологическим взрывом». Из истории известны такие, например, «экологические взрывы»: в прошлом столетии грибок фитофторы уничтожил картофель во Франции и вызвал голод,
а колорадский жук распространился в Америке до Атлантического океана и
в начале XX в. проник в Западную Европу, в 40-х гг. — в европейскую часть
России. В тяжелое послевоенное время этот жук буквально «очищал» наши
поля, поскольку мы были не готовы к его нашествию.
Чтобы не происходило таких явлений, необходима искусственная регуляция численности вредителей с быстрым подавлением тех, которые
190
только пытаются выйти из-под контроля. При этом часто мнение человека
не совпадает с мнением природы об избыточной численности того или иного вредителя. Так, с позиций естественного отбора стабилизация численности яблоневой плодожорки на некотором уровне не вредит существованию
яблони как вида, но человеку нужно гораздо больше качественных плодов
для питания. Поэтому в сельскохозяйственной практике он применяет такие
средства для подавления численности вредителей и в таком количестве, что
они воздействуют во множество раз сильнее, чем природные абиотические
и биотические регуляторы.
Упрощение природного окружения человека с экологических позиций
очень опасно. Поэтому нельзя превращать весь ландшафт в агрохозяйственный, необходимо сохранять и умножать его многообразие, оставляя нетронутые заповедные участки, которые могли бы быть источником видов для
восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ.
Индустриально-городские экосистемы
О процессах урбанизации
Урбанизация — это рост и развитие городов, увеличение доли городского населения в стране за счет сельской местности, процесс повышения
роли городов в развитии общества. Рост численности населения и его плотности — характерная черта городов. Исторически самым первым городом с
миллионным населением был Рим во времена Юлия Цезаря (44—10 гг. до
н.э.). Самым большим городом мира в наше время является Мехико — 14
млн человек по данным на 1990 г., в 2000 г. в нем ожидался 31 млн. К 2000 г.
рубежа в 16 млн человек должны были достигнуть и даже превысить его такие города, как Бомбей, Каир, Джакарта и Карачи, рубежа в 20 млн и выше
— Сан-Паулу, Калькутта, Сеул. Население Москвы к концу в 2002 г. составляет более 10 млн человек.
Общая площадь урбанизированных территорий Земли в 1980 г. составила 4,69 млн км2, а к 2007 г. она достигнет 19 млн км – 12,8% всей и более
191
20% жизнепригодной территории суши. К 2030 г. практически все население
мира будет жить в поселках городского типа (Реймерс, 1990).
Как известно, на человека не распространяется действие факторов, зависящих от плотности популяции, подавляющих размножение животных:
интенсивность роста населения ими автоматически не снижается. Но объективно высокая плотность ведет к ухудшению здоровья, к появлению специфических болезней, связанных, например, с загрязнением среды, делает обстановку эпидемиологически опасной в случае вольного или невольного
нарушения санитарных норм, и др.
Особенно интенсивно протекают процессы урбанизации в развивающихся странах, о чем красноречиво свидетельствуют вышеприведенные показатели роста численности городов в ближайшие годы.
Человек сам создает эти сложные урбанистические системы, преследуя благую цель — улучшить условия жизни, и не только просто «оградившись» от лимитирующих факторов, но и создав для себя новую искусственную среду, повышающую комфортность жизни. Однако это ведет к отрыву
человека от естественной природной обстановки и к нарушению природных
экосистем.
Урбанистические системы
Урбанистическая система (урбосистема) — «неустойчивая природноантропогенная система, состоящая из архитектурно-строительных объектов
и резко нарушенных естественных экосистем» (Реймерс, 1990).
По мере развития города в нем все более дифференцируются его
функциональные зоны — это промышленная, селитебная, лесопарковая.
Промышленные зоны — это территории сосредоточения промышленных
объектов различных отраслей (металлургической, химической, машиностроительной, электронной и др.). Они являются основными источниками
загрязнения окружающей среды.
Селитебные зоны — это территории сосредоточения жилых домов,
административных зданий, объектов культуры, просвещения и т. п.
192
Лесопарковая — это зеленая зона вокруг города, окультуренная человеком, т.е. приспособленная для массового отдыха, спорта, развлечения.
Возможны ее участки и внутри городов, но обычно здесь городские парки —
древесные насаждения в городе, занимающие достаточно обширные территории и тоже служащие горожанам для отдыха. В отличие от естественных
лесов и даже лесопарков городские парки и подобные им более мелкие посадки в городе (скверы, бульвары) не являются самоподдерживающимися и
саморегулируемыми системами.
Лесопарковая зона, городские парки и другие участки территории, отведенные и специально приспособленные для отдыха людей, называют рекреационными зонами (территориями, участками и т. п.).
Углубление процессов урбанизации ведет к усложнению инфраструктуры города. Значительное место начинает занимать транспорт и
транспортные сооружения (автомобильные дороги, автозаправочные станции, гаражи, станции обслуживания, железные дороги со своей сложной
инфраструктурой, в том числе подземные — метрополитен; аэродромы с
комплексом обслуживания и др.). Транспортные системы пересекают все
функциональные зоны города и оказывают влияние на всю городскую среду
(урбосреду).
Среда, окружающая человека в этих условиях, — это совокупность
абиотической и социальных сред, совместно и непосредственно оказывающих влияние на людей и их хозяйство. Одновременно, по Н. Ф. Реймерсу
(1990), ее можно делить на собственно природную среду и преобразованную
человеком природную среду (антропогенные ландшафты вплоть до искусственного окружения людей — здания, асфальт дорог, искусственное освещение и т. д., т. е. до искусственной среды). В целом же среда городская и
населенных пунктов городского типа — это часть техносферы, т. е. биосферы, коренным образом преобразованной человеком в технические и техногенные объекты.
193
Помимо наземной части ландшафта в орбиту хозяйственной деятельности человека попадает и его литогенная основа, т. е. поверхностная часть
литосферы, которую принято называть геологической средой (Е. М. Сергеев,
1979). Геологическая среда — это горные породы, подземные воды, на которые оказывает воздействие хозяйственная деятельность человека.
На городских территориях, в урбоэкосистемах, можно выделить группу систем, отражающую всю сложность взаимодействия зданий и сооружений с окружающей средой, которые называют природно-техническими системами (Трофимов, Епишин, 1985) (рис. 28). Они теснейшим образом связаны с антропогенными ландшафтами, с их геологическим строением и рельефом.
Рис. 28. Взаимодействие технической системы с внешними средами: ТС – техническая система, ПТС – природно-техническая система,
ЗВ – зона воздействия (влияния) технической системы на геологическую среду
Таким образом, урбосистемы — это средоточие населения, жилых и
промышленных зданий и сооружений.
Среда урбосистем, как ее географическая, так и геологическая части,
наиболее сильно изменена и, по сути дела, стала искусственной, здесь возникают проблемы утилизации и реутилизации вовлекаемых в оборот природных ресурсов, загрязнения и очистки окружающей среды, здесь происхо-
194
дит все большая изоляция хозяйственно-производственных циклов от природного обмена веществ (биогеохимических оборотов) и потока энергии в
природных экосистемах. И, наконец, именно здесь наибольшая плотность
населения и искусственная среда, которые угрожают не только здоровью человека, но и выживанию всего человечества. Здоровье человека — индикатор качества этой среды.
Тема 17. Экология и здоровье человека
Для соразмерности, красоты и здоровья
требуется не только образование
в области науки и искусства,
но и занятия всю жизнь физическими
упражнениями, гимнастикой.
Платон
Влияние природно-экологических факторов на здоровье человека
Изначально Homo sapiens жил в окружающей природной среде, как и
все консументы экосистемы, и был практически незащищен от действия ее
лимитирующих экологических факторов. Первобытный человек был подвержен тем же факторам регуляции и саморегуляции экосистемы, что и весь
животный мир, продолжительность его жизни была небольшой, и весьма
низкой была плотность популяции. Главными из ограничивающих факторов
были гипердинамия и недоедание, Среди причин смертности на первом месте стояли патогенные (вызывающие болезни) воздействия природного характера. Особое значение среди них имели инфекционные болезни, отличающиеся, как правило, природной очаговостью.
Человек может заразиться от диких животных («резервуара» возбудителей), проживая в этой местности постоянно или случайно оказавшись
здесь. К таким животным обычно относятся грызуны, птицы, насекомые и
др.
Все эти животные входят в состав биоценоза экосистемы, связанного с
определенным биотоном. Поэтому природные очаговые болезни тесно связаны с определенной территорией, с тем или иным типом ландшафта, а зна-
195
чит, с климатическими его особенностями, например, отличаются сезонностью проявления. Е. П. Павловский (1938), впервые предложивший понятие
природного очага, относил к природно-очаговым болезням чуму, туляремию, клещевой энцефалит, некоторые гельминтозы и др. Исследования показали, что в одном очаге могут содержаться несколько болезней.
Природно-очаговые болезни являлись основной причиной гибели людей вплоть до начала XX в. Наиболее страшной из таких болезней была чума, смертность от которой во много раз превосходила гибель людей в бесконечных войнах средневековья и более позднего времени.
Чума — острое инфекционное заболевание человека и животных, относится к карантинным болезням. Возбудителем является чумной микроб в
виде яйцевидной биполярной палочки. Эпидемии чумы охватывали многие
страны мира. В VI в. до н. э. в Восточной Римской империи за 50 лет погибло более 100 млн человек. Не менее опустошительной была эпидемия в XIV
в. С XIV в. чума неоднократно отмечалась в России, в том числе и в Москве.
В XIX в. она «косила» людей в Забайкалье, Закавказье, в Прикаспии и в
начале XX в. наблюдалась даже в портовых городах Черного моря, в том
числе и в Одессе. В XX в. крупные эпидемии регистрировались в Индии.
Заболевания, связанные с окружающей человека природной средой,
существуют и в настоящее время, хотя с ними ведется постоянная борьба.
Их существование объясняется, в частности, причинами сугубо экологической природы, например резистентностъю (выработкой сопротивления к
различным факторам воздействия) носителей возбудителей и самих возбудителей болезней. Характерным примером этих процессов является борьба с
малярией.
Малярия — заболевание, вызываемое заражением паразитами рода
Plasmodeum, передаваемое укусом зараженного малярийного комара. Это
заболевание — экологическая и социально-экономическая проблема.
В 1955 г., по данным ЮНЕП (1979), число заболевших малярией составляло от 200 до 255 млн человек из 2,65 млрд, проживавших в то время в
196
малярийных районах, и умирало ежегодно примерно 2 млн человек. Против
комаров в 1943 г. начали применять ДДТ, особенно интенсивно — с 1956 г.
ДДТ и другие пестициды — мощные и стойкие, но уже к 70-гг число популяций комаров, стойких к ДДТ, возросло настолько, что число заболеваний,
например, только в Индии возросло до 6 млн уже в 1976 г., в то время как в
1966 г. их было всего 40 тыс. (Состояние окружающей среды, 1978 (выбранные темы), 1979). К 1976 г. 43 вида комаров стали резистентны к различным
инсектицидам. Другой фактор, препятствующий ликвидации малярии, — у
ее паразита появилась устойчивость к лекарствам от малярии (хлохину и
др.).
Все больше внимания уделяется комплексным, экологически оправданным методам борьбы с малярией — методам «управления жизненной
средой». К ним относятся осушение заболоченных территорий, уменьшение
солености воды и др. Следующие группы методов — биологические — использование других организмов для снижения опасности комара; в 40 странах для этого используются не менее 265 видов личиноядных рыб, а также
микробы, вызывающие болезни и гибель комаров.
Чума и другие инфекционные болезни (холера, малярия, сибирская язва, туляремия, дизентерия, дифтерия, скарлатина и др.) уничтожали людей
различного возраста, в том числе и репродуктивного. Это обусловило достаточно медленный рост населения — первый миллиард жителей на Земле появился в 1860 г. Но открытия Пастера и других в конце XIX в., давшие мощный толчок развитию профилактической медицины XX в. в лечении весьма
тяжелых заболеваний, резкое улучшение санитарно-гигиенических условий
жизни, культуры и образованности человечества в целом, привели к резкому
снижению заболеваемости природно-очаговыми болезнями, а некоторые из
них практически исчезли в XX в.
Искусственная среда также требует адаптации к себе, которая происходит через болезни. Главную роль в возникновении болезней в этом случае
играют следующие факторы: гиподинамия, переедание, информационное
197
изобилие, психоэмоциональный стресс. В связи с этим наблюдается постоянный рост «болезней века»: сердечно-сосудистых, онкологических, аллергических заболеваний, психических расстройств и, наконец, СПИДа, и др.
Влияние социально-экологических факторов на здоровье человека
Природная среда сейчас сохранилась лишь там, где она не была доступна людям для ее преобразования. Урбанизированная или городская среда — это искусственный мир, созданный человеком, не имеющий аналогов в
природе и способный существовать только при постоянном обновлении.
Социальная среда сложно интегрируется с любой окружающей человека средой и все факторы каждой из сред «тесно взаимосвязаны между собой и испытывают объективные и субъективные стороны качества среды
жизни (Реймерс, 1)94).
Эта множественность факторов заставляет более осторожно подходить
к оценке качества среды жизни человека по состоянию его здоровья. Необходимо тщательно подходить к выбору объектов и показателей, диагностирующих среду. Ими могут быть короткоживущие изменения в организме,
по которым можно судить о разных средах — дом, производство, транспорт,
и долгоживущие в данной конкретной городской среде — некоторые адаптации акклиматизационного плана и др. Влияние городской среды достаточно ярко подчеркивается определенными тенденциями современного состояния здоровья человека.
С медико-биологических позиций наибольшее влияние экологические
факторы городской среды оказывают на следующие тенденции: 1) процесс
акселерации, 2) нарушение биоритмов, 3) аллергизация населения, 4) рост
онкологической заболеваемости и смертности, 5) рост доли лиц с избыточным весом, 6) отставание физиологического возраста от календарного, 7)
«омоложение» многих форм патологии, 8) абиологическая тенденция в организации жизни и др.
Акселерация — это ускорение развития отдельных органов или частей организма по сравнению с некой биологической нормой. В нашем слу-
198
чае — это увеличение размеров тела и значительный сдвиг во времени в
сторону более раннего полового созревания. Ученые полагают, что это эволюционный переход в жизни вида, вызванный улучшающимися условиями
жизни: хорошее питание, «снявшее» лимитирующее действие пищевых ресурсов, что спровоцировало процессы отбора, ставшие причиной акселерации.
Биологические ритмы — важнейший механизм регуляции функций
биологических систем, сформировавшийся, как правило, под воздействием
абиотических факторов, в условиях городской жизни могут нарушаться.
Это прежде всего относится к циркадным ритмам: новым экологическим
фактором стало использование электроосвещения, продлившее световой
день. На это накладывается десинхроноз, возникает хаотизация всех прежних биоритмов и происходит переход к новому ритмическому стереотипу,
что вызывает болезни у человека и у всех представителей биоты города, у
которых нарушается фотопериод.
Аллергизация населения — одна из основных новых черт в измененной структуре патологии людей в городской среде. Аллергия — извращенная чувствительность или реактивность организма к тому или иному
веществу, так называемому аллергену (простые и сложные минеральные и
органические вещества). Аллергены по отношению к организму бывают
внешние — экзоаллергены и внутренние — аутоаллергены. Экзоаллергены
могут быть инфекционными — болезнетворные и неболезнетворные микробы, вирусы и др. и неинфекционными — домашняя пыль, шерсть животных,
пыльца растений, лекарственные препараты, другие химические вещества —
бензин, хлорамин и т. п., а также мясо, овощи, фрукты, ягоды, молоко и др.
Аутоаллергены — это кусочки тканей поврежденных органов (сердце, печень), а также ткани, поврежденные при ожоге, лучевом воздействии, обморожении и т. п.
Причина аллергических заболеваний (бронхиальная астма, крапивница, лекарственная аллергия, ревматизм, волчанка красная и др.) — в нару-
199
шении иммунной системы человека, которая в результате эволюции находилась в равновесии с природной средой. Городская же среда характеризуется
резкой сменой доминирующих факторов и появлением совершенно новых
веществ — загрязнителей, давление которых ранее иммунная система человека не испытывала. Поэтому аллергия может возникнуть без особого тому
сопротивления организма, и трудно ожидать, что он вообще станет к ней резистентным.
Онкологическая заболеваемость и смертность — одна из наиболее
показательных медицинских тенденций неблагополучия в данном городе
или, например, в зараженной радиацией сельской местности (Яблоков, 1989;
и др.). Эти заболевания вызваны опухолями. Опухоли (греч. «onkos») — новообразования, избыточные патологические разрастания тканей. Они могут
быть доброкачественными — уплотняющими или раздвигающими окружающие ткани, и злокачественными — прорастающими в окружающие ткани и
разрушающими их. Разрушая сосуды, они попадают в кровь и разносятся по
всему организму, образуя так называемые метастазы. Доброкачественные
опухоли метастазов не образуют.
Развитие злокачественных опухолей, т. е. заболевание раком, может
возникнуть в результате длительного контакта с определенными продуктами: рак легких — у рудокопов урановых рудников, рак кожи — у трубочистов, и т. п. Это заболевание вызывается определенными веществами, называемыми канцерогенными.
Канцерогенные вещества (греч. «рождающие рак») или просто канцерогены — химические соединения, способные вызвать злокачественные и
доброкачественные новообразования в организме при воздействии на него.
Их известно несколько сот. По характеру действия они разделяются на три
группы: 1) местного действия; 2) органотропные, т. е. поражающие определенные органы; 3) множественного действия, вызывающие опухоли в
разных органах. К канцерогенам относятся многие циклические углеводороды, азотокрасители, алкалирующие соединения. Они содержатся в загряз-
200
ненном промышленными выбросами воздухе, в табачном дыме, каменноугольной смоле и саже. Многие канцерогенные вещества оказывают мутагенное воздействие на организм.
В экономически развитых странах смертность от рака стоит на втором месте. Но не обязательно все виды рака встречаются в одном и том же
районе. Известна приуроченность отдельных форм рака к тем или иным
условиям, например, рак кожи чаще встречается в жарких странах, где избыток ультрафиолетового излучения. Но заболеваемость раком определенной локализации у человека может изменяться в зависимости от изменений
условий его жизни. Если человек переехал в такую местность, где эта форма
встречается редко, снижается опасность заболевания именно данной формой
рака и, соответственно, наоборот.
Таким образом, ярко выделяется зависимость между раковыми заболеваниями и экологической обстановкой, т. е. качеством окружающей среды, в том числе и городской.
Вообще, рак надо рассматривать как результат разбалапсирования организма, и поэтому его вызвать может в принципе любой фактор среды или
их комплекс, способные привести организм в разбалансированное состояние. Например, вследствие превышения верхней пороговой концентрации
загрязнителей воздуха, питьевой воды, токсичных химических элементов в
рационе питания и т. п., т. е. тогда, когда нормальная регуляция функций организма становится невозможной (рис. 29).
201
Рис. 29. Зависимость регуляторных процессов в организме от содержания химических элементов в рационе (по В. В. Ковальскому, 1976)
Рост доли лиц с избыточным весом — также явление, вызванное
особенностями городской среды. Переедание, малая физическая активность
и прочее, безусловно, здесь имеют место. Но избыток питания необходим
для создания энергетических запасов, чтобы противостоять резкому дисбалансу средовых воздействий. Тем не менее, одновременно наблюдается рост
в популяции доли представителей астенического типа: происходит размывание «золотой середины» и намечаются две противоположные стратегии
адаптации: стремление к полноте и похуданию (тенденция значительно слабее). Но и то и другое влечет за собой целый ряд патогенных последствий.
Рождение на свет большого количества недоношенных детей, а
значит, физически незрелых — показатель крайне неблагоприятного состояния среды обитания человека. Оно связано с нарушениями в генетическом
аппарате и просто с ростом адаптируемости к изменениям среды. Физиологическая незрелость является результатом резкого дисбаланса со средой,
которая слишком стремительно трансформируется (Городская среда...,
1990) и может иметь далеко идущие последствия, в том числе привести к
акселерации и другим изменениям в росте человека.
Современное состояние человека как биологического вида характеризуется еще целым рядом медико-биологических тенденций, связанных с из-
202
менениями в городской среде: рост близорукости и кариеса зубов у школьников, возрастание удельного веса хронических заболеваний, появление ранее неизвестных болезней — производных научно-технического прогресса:
радиационная, авиационная, автомобильная, лекарственная, многие профессиональные заболевания и т. д. В большинстве своем эти болезни есть результат воздействия антропогенно-экологических факторов, которые рассматриваются во второй части учебника.
Инфекционные болезни тоже не искоренены в городах. Количество
людей, пораженных малярией, гепатитом и многими другими болезнями,
исчисляется огромными цифрами. По этой причине «возврат» инфекционных агентов фиксируется среди вирусов, а многие вирусы «отрываются» от природной основы и переходят в новую стадию, способную жить в
среде обитания человека, — становятся возбудителями гриппа, вирусной
формы рака и других болезней (возможно, такой формой является вирус
ВИЧ). По своему механизму действия эти формы можно приравнять к природно-очаговым, которые и в городской среде тоже имеют место (туляремия
и др.).
Абиологические тенденции, под которыми понимаются такие черты
образа жизни человека, как гиподинамия, курение, наркомания и другие,
тоже являются причиной многих заболеваний — ожирение, рак, кардиологические болезни и др. К этому ряду относится и стериализация среды —
фронтальная борьба с вирусно-микробным окружением, когда вместе с
вредными уничтожаются и полезные формы живого окружения человека.
Это происходит в силу того, что в медицине еще есть недопонимание важной роли в патологии надорганизменных форм живого, т. е. человеческой
популяции. Поэтому большим шагом вперед является развиваемое экологией представление о здоровье как о состоянии биосистемы и его теснейшей
связи со средой, а патологические явления при этом рассматриваются как
вызванные ею приспособительные процессы.
203
В приложении к человеку нельзя отрывать биологическое от воспринятого в ходе социальной адаптации. Для личности важна и этническая среда, и форма трудовой деятельности, и социальная, экономическая определенность — дело лишь в степени и времени воздействия.
Итак, сохранение здоровья или возникновение болезни — это результат сложных взаимодействий внутренних биосистем организма и внешних
факторов окружающей среды. Познание этих сложных взаимодействий явилось основой для возникновения профилактической медицины и ее научной
дисциплины — гигиены.
Гигиена и здоровье человека
Гигиена — наука о здоровом образе жизни. Интенсивно начала развиваться более 100 лет назад, благодаря работам Л. Пастера, Р. Коха, И.И.
Мечникова и др. Гигиенисты первыми увидели связь между средой и здоровьем человека и за последние десятилетия эта наука получила мощное развитие, заложив основы современной науки об охране окружающей среды.
Однако у гигиены как отрасли медицинской науки есть и свои специфические задачи.
Гигиена изучает влияние разнообразных факторов среды на здоровье
человека, его работоспособность и продолжительность жизни. К ним относятся
природные
факторы,
бытовые
условия
и
общественно-
производственные отношения. В ее основные задачи входит разработка
научных основ санитарного надзора, обоснование санитарных мероприятий
по оздоровлению населенных пунктов и мест отдыха, охрана здоровья детей
и подростков, разработка санитарного законодательства, санитарная экспертиза качества пищевых продуктов и предметов бытового обихода. Важнейшая задача этой науки — разработка гигиенических нормативов для воздуха
населенных мест и промпредприятий, воды, продуктов питания и материалов для одежды и обуви человека с целью сохранения его здоровья и
предупреждения заболеваний.
204
Главным стратегическим направлением в научно-практической деятельности гигиенистов является научное обоснование того экологического
оптимума, которому должна соответствовать среда обитания человека. Этот
оптимум должен обеспечить человеку нормальное развитие, хорошее здоровье, высокую трудоспособность и долголетие.
От того, насколько верен этот «оптимум» в конкретном районе, городе
и даже регионе, зависит очень многое, и прежде всего надежность и правильность принимаемых решений. Конечно, задачи охраны окружающей
природной среды и рационального природопользования значительно шире
задач гигиенической науки, но служат они одной цели — улучшению среды
обитания человека, а следовательно, его здоровья и благополучия.
Тема 18. Основы экологического права
Право каждого гражданина Российской Федерации на благоприятную
окружающую среду заложено в Конституции РФ (ст. 64-65) и закреплено в
законе «Об охране окружающей среды» (ФЗ №7, 2002 г.).
Право – единая система общеобязательных правил (норм), которые
установлены или санкционированы государством.
Экологическое право – это отрасль права, которая регулирует общественные отношения в сфере взаимодействия общества и природы.
Экологическое право является важным инструментом, используемым
государством в интересах сохранения и рационального использования
окружающей природной среды (ОПС).
I. Источники экологического права
1. Конституционные основы охраны окружающей природной среды
закреплены в Конституции РФ (принята 12 декабря 1993 г.).
 Конституция провозглашает право граждан на землю и другие природные ресурсы.
205
 Закрепляет право каждого человека на благоприятную окружающую
среду (экологическую безопасность).
 Закрепляет право на возмещение ущерба, причиненного его здоровью.
 Конституция РФ определяет организационные и контрольные функции высших и местных органов власти по рациональному использованию и
охране природных ресурсов, устанавливает обязанности граждан по отношению к природе, охране ее богатств.
2. Законы и кодексы в области охраны окружающей природной среды.
В их число входят:
- Законы о земле;
- о недрах;
- охране атмосферного воздуха;
- об охране и использовании животного мира и т.д.
Систему экологического законодательства возглавляет Федеральный
Закон РФ «Об охране окружающей среды» (от 10 января 2002 г. №7ФЗ).
В главном Федеральном законе отражены следующие вопросы в области ООС:
- общие положения (гл. I);
- основы управления в области ООС (гл. II);
- права и обязанности граждан, общественных и иных некоммерческих
организаций (гл. III);
- экономическое регулирование (гл. IV);
- нормирование (гл. V);
- оценка воздействий на ОС и экологическая экспертиза (гл. VI);
- требования в области ООС при осуществлении хозяйственной или
иной деятельности (гл. VII);
- зоны экологического бедствия, зоны чрезвычайных ситуаций (гл.
VIII);
- природные объекты, находящиеся под особой охраной (гл. IX);
206
- государственный мониторинг ОС (гл. X);
- контроль в области ООС (экологический контроль) (гл. XI);
- научные исследования (гл. XII);
- основы формирования экологической культуры (гл. XIII);
- ответственность за нарушение законодательства (гл. XIV);
- международное сотрудничество (гл. XV);
- заключительные положения (гл. XVI).
 Земельный кодекс РФ (2001 г.)
 Водный кодекс РФ (1995 г.)
 Закон РФ «О радиационной безопасности населения» (1995 г.)
 Закон РФ «О недрах» (1992 г.)
 Основы лесного законодательства (1977 г.)
 Закон РФ «Об отходах производства и потребления» (1998).
3. Указы и распоряжения Президента затрагивают широкий круг экологических вопросов.
Например:
- Указ от 16 декабря 1993 г. о федеральных природных ресурсах;
- Указ от 1 апреля 1996 г. о концепции перехода РФ к устойчивому
развитию.
4. Нормативные акты природоохранительных министерств и ведомств
издаются по самым разнообразным вопросам рационального использования
и ООПС в виде постановлений, инструкций, приказов и т.д.
5. Нормативные решения местных административных органов (мэрий,
сельских и поселковых органов) дополняют и конкретизируют действующие
нормативно-правовые акты в области ООПС.
II. Государственные органы охраны ОПС
Государственные органы управления контроля и надзора в области
ООПС подразделяются на:
207
- органы общей компетенции. К ним относятся Президент, Федеральное собрание, Государственная Дума, Правительство, Муниципальные органы;
- органы специальной компетенции. К ним относятся:
 комплексные органы: Министерство природных ресурсов РФ (Государственная служба охраны ОС, Государственная служба контроля в сфере
природопользования и экологической безопасности, Санэпиднадзор РФ,
Росгидромет, МЧС России);
 отраслевые органы: Роскомзем, Рослесхоз, Госкомрыболовство,
Минсельхоз России;
 функциональные органы: Минатом России, Госгортехнадзор России,
Минздрав России, МВД России.
III. Экологическая стандартизация и паспортизация
Стандарт (от англ. standart – норма) – нормативно-технический документ, устанавливающий комплекс норм, правил, требований, обязательных
для исполнения.
Генеральным стандартом для природоохранной деятельности является
ГОСТ 17.0.0.01-76 «Система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов», введенный в действие в 1977 г.:
0 – основные положения
1- гидросфера
2 – атмосфера
3 – почвы
4 – земли
5 – флора
6 – фауна
7 – недра.
Экологическая паспортизация
В соответствии с ГОСТ 17.0.0.04-90 каждое предприятие в обязательном порядке разрабатывает экологический паспорт.
208
Цель паспортизации – прогноз экологической ситуации как на самом
предприятии, так и вокруг него, а также контроль за выполнением природоохранных мероприятий.
Все боле настоятельной является необходимость экологической паспортизации не только отдельных предприятий, но и всей территории города.
Это позволит давать интегральную оценку экологического состояния
всего города, или любой территории, выявить экологически опасные участки, оценить степень их влияния на жизнедеятельность населения.
IV. Экологическая экспертиза
Под государственной экологической экспертизой понимают предварительную проверку представленных материалов специальной комиссией,
назначаемой Госкомэкологии России.
Задача экспертной комиссии – оценить соответствие намеченной хозяйственной или иной деятельности требованиям экологической безопасности.
Различают государственную, общественную и иные виды экологических экспертиз.
Объектами государственной экологической экспертизы являются любые проектные и предпроектные документы, новая техника и технология,
продукция, сырье и материалы, вещества, а также проекты стандартов и
нормативов.
Федеральным законом «Об экологической экспертизе» (1995 г.) установлены следующие принципы государственной экологической экспертизы:
- обязательность ее проведения;
- научная обоснованность выводов;
- независимость и вневедомственность;
- широкая гласность (привлечение общественности).
Государственная экологическая экспертиза – предшествует, как правило, принятию хозяйственного решения. Это позволит еще на стадии пла-
209
нирования и проектирования выявить допущенные ошибки, оценить их последствия и дать рекомендации по их устранению.
Кроме государственной существует и другие виды экспертиз (общественная, научная), которые проводятся на добровольной основе и носят рекомендательный или информационный характер.
Правовой основой экологической экспертизы служит Федеральный
закон «Об экологической экспертизе» (1995 г.), а также постановления, указы и др. природоохранные акты.
Экологическая экспертиза становится одной их важных функций государственной экологической политики.
Невозможно представить превентивное правовое регулирование хозяйственной деятельности без экологической экспертизы, нацеленной на
снижение экологического риска при принятии решений.
Глубоким и объемным вариантом проведения экологической экспертизы в последнее время служит оценка воздействия на окружающую среду
(ОВОС).
V. Понятие об экологическом риске
В последние годы в России приоритеты в природоохранной политике,
основанные на учете ПДК и других норм и нормативных воздействий на
природу, пересматриваются.
Причина: невысокая эффективность нормативного подхода из-за возможности субъективного подхода к «норме» и манипулирования этим понятием (Порядин, 1998 г.).
В связи с этим в основу государственной экологической политики в
условиях прогрессирующего загрязнения постепенно закладывается концепция экологического риска.
Экологический риск – это оценка на всех уровнях (от точечного до
глобального) – вероятности появления негативных изменений в ОПС, вызванных антропогенным или иным воздействием.
210
Под экологическим риском понимают также вероятностную меру
опасности причинения вреда природной среде в виде возможных потерь за
определенное время.
Вред природной среде при различных антропогенных и стихийных
воздействиях очевидно неизбежен, однако он должен быть сведен до min и
быть экономически оправданным.
Любые хозяйственные или иные решения должны приниматься с таким расчетом, чтобы не превышать пределы вредного воздействия на природную среду.
Установить эти пределы очень трудно, поскольку пороги воздействия
многих антропогенных и природных факторов неизвестны.
Поэтому расчеты экологического риска должны быть вероятностными
и многовариантными, с выделением риска для здоровья человека и природной среде.
Оценке допустимого экологического риска в последнее время уделяется все больше и больше внимания, особенно при принятии решений о
вложении инвестиций в то или иное производство (Петров, 1995 г.)
При антропогенном воздействии учитываются следующие правила
допустимого экологического риска:
1) неизбежность потерь в природной среде;
2) минимальность потерь в природной среде;
3) реальная возможность восстановления потерь в природной среде;
4) отсутствие вреда здоровью человека и необратимость изменений в
природной среде;
5) соразмерность экологического вреда и экономического эффекта.
Различают три главные составляющие экологического риска:
- оценку состояния здоровья человека и возможного числа жертв;
- оценку состояния биоты (в первую очередь фотосинтезирующих организмов) по биологическим интегральным показателям;
оценку воздействия загрязняющих веществ на человека и ОПС.
211
Например: оценка риска стихийных бедствий должна включать расчеты возможного числа погибших и пострадавших людей, а также экономических потерь.
В начале собирают фактические данные о природных опасностях на
изучаемой территории, далее определяют их самые опасные типы и частоту
проявления, затем составляют карту, отражающую вероятность развития
опасных процессов.
Помимо оценки риска необходимо организовать и управление риском,
которое предполагает принятие целого комплекса решений (политических,
социальных, технических и экономических), направленных на снижение величины риска до приемлемого уровня.
На основе анализа природных опасностей и уязвимости среды, выполненного совместно с проектировщиками, экономистами и социологами,
оценивают риск и составляют карты риски.
Эти карты, где указаны территории различной степени риска, помогают эффективно решать вопросы управления риском и планирования социально-экономического развития региона (области, района, города).
Любое превышение пределов допустимого экологического риска на
отдельных производствах должно пресекаться по закону.
С этой целью ограничивают или приостанавливают деятельность экологически опасных производств, а на стадиях принятия решений допустимый экологический риск оценивается с помощью государственной экологической экспертизы, и в случае его превышения представленные для согласования материалы отклоняют.
Фактор экологического риска существует на любых производствах,
независимо от мест их расположения. Однако существуют регионы, где, в
сравнении с более экологически благоприятными районами, во много раз
превышены вероятность проявления негативных изменений в экосистемах, а
также вероятность истощения природно-ресурсного потенциала, и, как следствие, величины риска потери здоровья и жизни для человека.
212
Эти регионы получили название зон повышенного экологического
риска (Петров, 1995 г.).
В пределах регионов повышенного экологического риска выделяют
зоны:
1) хронического загрязнения ОС;
2) повышенной экологической опасности;
3) чрезвычайной экологической ситуации;
4) экологического бедствия.
К зонам чрезвычайной экологической ситуации относят территории,
на которых в результате воздействия негативных антропогенных факторов
происходят устойчивые отрицательные изменения ОПС, угрожающие здоровью населения, состоянию естественных экосистем, генофондам растений
и животных.
В России к таким зонам относятся районы Северного Прикаспия, Байкала, Кольского полуострова, рекреационные зоны Черного моря, промзона
Урала…
Так, в районах Северного Прикаспия к старым проблемам: деградация
пастбищ, низкое плодородие почв, дефицит пресной воды, интенсивная ветровая эрозия – добавились новые. Это подтопление, прогрессирующее засоление и заболачивание земель.
Зоной экологического бедствия указами Президента или Постановлениями Правительства России на основе государственной экологической экспертизы объявляется часть территории РФ, на которой произошли необратимые изменения ОС, повлекшие за собой существенные ухудшения здоровья населения, разрушение естественных экосистем, деградацию флоры и
фауны. Это зона влияния аварии Чернобыльской АЭС, Кузбасс, степные
районы Калмыкии, Аралы Приаралья.
VI. Экологический мониторинг (мониторинг окружающей среды)
Под мониторингом (лат. «монитор» - напоминающий, надзирающий)
понимают систему наблюдений, оценки и прогноза состояния ОС.
213
Основной принцип мониторинга – непрерывное слежение.
Мониторинг является важнейшей частью экологического контроля,
которое осуществляет государство.
Главная цель мониторинга – наблюдение за состоянием ОПС и уровнем ее загрязнения.
Мониторинг – это и экспериментальное моделирование, прогноз и рекомендации по управлению состоянием ОПС (табл. 10).
По территориальному охвату различают три ступени или блока мониторинга:
- локальный (биоэкологический, санитарно-гигиенический);
- региональный (геосистемный, природно-хозяйственный);
- глобальный (биосферный, фоновый).
Объектами глобального мониторинга является А, G, растительный и
животный мир и биосфера в целом как среда жизни всего человечества.
Разработка и координация глобального мониторинга ОПС осуществляется в рамках ЮНЕП (орган ООН) и Всемирной метеорологической организации (ВМО).
Таблица 10
Система наземного мониторинга окружающей среды
Ступени мониторинга
Локальный
Объекты мониторинга
Приземный слой
воздуха
Поверхностные и подземные оды, промышленные и бытовые стоки и различные
выбросы
Исчезающие виды животных и растений
Природные экосистемы
Региональный
Агроэкосистемы
Лесные экосистемы
Характеризующие
показатели
ПДК токсических
веществ
Физические и биологические раздражители
(шумы, аллергены)
Популяционное
состояние видов
Их структура и
нарушения
Урожайность сельскохозяйственных культур
Продуктивность
214
Глобальный
насаждений
А
Радиационный баланс,
тепловой перегрев, состав и запыление
G
Загрязнение рек и водоемов; водные бассейны;
круговорот воды на
континентах
Растительные и почвен- Глобальные характериный покровы, животное стики состояния почв,
население
растительного покрова
и животных. Глобальные круговороты О2,
СО2
Основными целями этой программы является:
- организация расширенной системы предупреждения об угрозе здоровью человека;
- оценка влияния глобального загрязнения атмосферы на климат;
- оценка количества и распределения загрязнений в биологических системах, особенно в пищевых цепочках;
- оценка критических проблем, возникающих в результате сельскохозяйственной деятельности и землепользования;
- оценка реакции наземных экосистем на воздействие ОС;
- оценка загрязнения океана и влияние загрязнения на морские экосистемы;
- создание системы предупреждений о стихийных бедствиях в международном масштабе.
При выполнении работ по программе глобального мониторинга особое внимание уделяют наблюдениям за состоянием природной среды из
Космоса.
215
Космический мониторинг позволяет получить уникальную информацию о функционировании экосистем как на региональном, так и на глобальном уровнях.
В России функционирует разветвленная обще-государственная служба
наблюдения по всем ступеням мониторинга.
Основной объем наблюдений выполняют службы Комитета по гидрометеорологии и мониторингу ОС (рис. 30).
VII. Экологический контроль и общественные экологические движения.
Помимо государственной службы наблюдения – экологического мониторинга, в систему экологического контроля входят государственный,
производственный и общественный контроль.
Под государственным экологическим контролем понимают один из
видов государственной административной деятельности, призванной обеспечить соблюдение экологического законодательства и выполнение природоохранных мероприятий.
Глобальная система мониторинга ОС
Единая государственная система
экологического мониторинга (ЕГСЭМ)
Посты наблюдения
Станции наблюдения
Мониторинг
ОПС
Центры наблюдения
Территориальные органы
Региональные органы
Центральные органы
Мониторинг природных объектов
Поземных
вод
Поверхностных
вод
Земель
Лесов
Диких
Минеральносырьевых
ресурсов
Рыбных
216
Рис. 30. Государственная система экологического мониторинга
Контроль осуществляют законодательные и исполнительные органы, а
также специально уполномоченные органы государства.
Объектами государственного экологической контроля являются: земля, недра, леса, животный мир, атмосферный воздух, природно-заповедный
фонд, континентальный шельф (затопленная морем выровненная окраина
материка, переходящая в материковый склон. Глубина края шельфа примерно 100-200 м), окружающая природная среда в целом.
Должностные лица органов государственного экологического контроля имеют широкие полномочия. Согласно закону РФ «Об охране окружающей среды» (2002 г.) они имеют право:
- принимать решения об ограничении, приостановлении и прекращении деятельности экологически вредных объектов;
- предъявлять иски о возмещении вреда, причиненного природной
среде и направлять материалы для привлечения к уголовной ответственности;
- выдавать разрешения на природопользование, устанавливать нормативы выбросов, сбросов вредных веществ, назначать экологическую экспертизу.
Общественный экологический контроль неразрывно связан с общественным экологическим движением.
1988 г. «Меморандум в защиту природы». Подписали известные ученые, писатели, деятели искусств.
217
Каждый гражданин нашей страны имеет право на охрану здоровья от
неблагоприятного воздействия ОПС; в свою очередь он обязан сохранять
природу и ОС, принимать участие в ее охране.
В середине 88-х годов, в связи с возросшей социально-политической
активностью населения, во многих регионах страны начали формироваться
массовые общественные экологические организации (союзы, объединения,
ассоциации, фонды и т.д.). Среди них: «Социально-экологический союз»,
ассоциация «Экология и мир», центр экологической политики России, экологический фонд, общественный комитет спасения Волги, фонд защиты
Байкала и т.д.
В 1997 г. примерно 40 общественных организаций учредили Российский экологический конгресс, главная цель которого – объединение усилий
нарушение актуальных экологических проблем.
Еще раньше в Западной Европе (ФРГ, Дания) возникло движение «зеленых». Оно выступает за сохранение среды жизни, против ядерной угрозы,
за чистоту атмосферы.
Высоко оценивая общественные экологические движения в защиту
природы в нашей стране, некоторые экологические организации предлагают
«утопические» программы.
Оптимальный вывод просматривается в соблюдении принципа экологической безопасности и населения с подключением беспристрастной научной экспертизы, если потребуется также и международной.
VIII. Юридическая ответственность за экологические правонарушения
Юридическая ответственность за экологические правонарушения является одной из форм государственного принуждения. Ее задача – обеспечить реализацию экологических интересов в принудительном порядке.
Экологические правонарушения различны по своему составу, но всегда
складываются в сфере природы: будь то загрязнение природной среды, не-
218
законная порубка леса или нарушение законодательства о континентальном
шельфе.
Общий критерий всех экологических нарушений – причинение вреда
ОПС.
Экологические правонарушения, не относящиеся к категории опасных, именуют экологическими проступками.
Если же они представляют общественную опасность, посягают на экологическую безопасность общества, причиняют ощутимый сред ОПС и здоровью, их относят к категории экологических преступлений.
Согласно закону РФ «Об охране окружающей среды» (2002 г.) различают следующие виды ответственности за экологические правонарушения:
- дисциплинарную (предупреждение, выговор, строгий выговор);
- административную (понижение в должности, штраф, предупреждение, общественное порицание, изъятие орудий и средств, конфискация незаконно добытой добычи);
- уголовную (лишение свободы, конфискация имущества, крупный денежный штраф);
- материальную (компенсация ущерба за порчу, повреждение, уничтожение природных объектов, несоблюдение экологический требований
при захоронении вредных веществ).
К тяжелым экологическим преступлениям относят: умышленное уничтожение или повреждение лесных массивов путем поджога.
К менее тяжким преступлениям относят:
- загрязнение водоемов;
- загрязнение атмосферного воздуха;
- незаконная порубка леса;
- незаконная охота.
Охрана окружающей природной среды
219
В истории формирования природоохранной концепции можно выделить несколько последовательных этапов:
- видовая и заповедная охрана природы;
- поресурсная охрана;
- охрана природы;
- рациональное использование природных ресурсов;
- охрана среды обитания человека;
- охрана окружающей природной среды.
Охрана природы – совокупность государственных и общественных
мероприятий, направленных на сохранение атмосферы, растительности и
животного мира, почв, вод и земных недр.
Интенсивная эксплуатация природных богатств привела к необходимости нового вида природоохранной деятельности – рационального использования природных ресурсов, при котором требования охраны включаются в
сам процесс хозяйственной деятельности по использованию природных ресурсов.
На рубеже 50-х гг. ХХ в. возникает еще одна форма охраны – охрана
среды обитания человека. Это понятие, близкое к охране природы, в центр
внимания ставит человека, сохранение и формирование таких природных
условий, которые наиболее благоприятны для его жизни, здоровья и благосостояния.
Охрана окружающей природной среды – новая форма во взаимодействии человека и природы, рожденная в современных условиях. Она представляет собой систему государственных и общественных мер (технологических,
экономических,
административно-правовых, просветительских,
международных), направленных на гармоничное взаимодействие общества и
природы, сохранение и воспроизводство действующих экологических сообществ и природных ресурсов во имя нынешних и будущих поколений.
220
В последнее время все чащей используется термин защиты окружающей природной среды. Очень близкое по содержанию и объему термин
«охрана биосферы».
Охрана биосферы – это система мероприятий, проводимых на национальном, международном уровнях и направленных на устранение нежелательного антропогенного или стихийного влияния на атмосферу, гидросферу, почвенный покров, литосферу, на поддержание выработавшейся эволюционно ее организованности и обеспечение нормального функционирования.
Охрана окружающей природной среды тесно связана с природопользованием – одним из разделов прикладной экологии.
Природопользование – общественно-производственная деятельность,
направленная на удовлетворение материальных и культурных потребностей
общества путем использования различных видов природных ресурсов и
природных условий.
Природопользование включает (по Реймерсу, 1992 г.):
а) охрану, возобновление и воспроизводство природных ресурсов, их
извлечение, переработку;
б) использование и охрану природных условий среды жизни человека;
в) сохранение, восстановление, рациональное изменение экологического равновесия природных систем;
г) регуляцию воспроизводства человека и численности людей.
Природопользование может быть нерациональным и рациональным.
Нерациональное природопользование не обеспечивает сохранение
природно-ресурсного потенциала, ведет к оскудению и ухудшению качества
природной среды, сопровождается загрязнением и истощением природных
систем, нарушением экологического равновесия и разрушением экосистем.
Рациональное природопользование означает комплексное научнообоснованное использование природных богатств, при которых достигается
максимально возможное сохранение природно-ресурсного потенциала, при
221
минимальном нарушении способности экосистем к саморегуляции и самовосстановлению.
Рациональное природопользование преследует (Ю. Одум):
 обеспечить такое состояние окружающей среды, при котором она
смогла бы удовлетворить наряду с материальными потребностями запросы
эстетики и отдыха;
 обеспечить возможность непрерывного получения урожая полезных растений, производства животных и различных материалов путем установления сбалансированного цикла использования и возобновления.
На современном этапе развития проблемы охраны окружающей природной среды появилось новое понятие – экологическая безопасность.
Под этим понимается состояние защищенности природной среды и
жизненно важных экологических интересов человека, прежде всего его прав
на благоприятную окружающую природную среду.
Научной основой всех мероприятий по обеспечению экологической
безопасности населения и рациональному природопользованию служит теоретическая (общая) экология, важнейшие принципы которой ориентированы
на поддержание гомеостаза экосистем и на сохранение экзистенционного
потенциала (экзистенция – внешнее существование).
Экосистемы имеют следующие предельные границы такой экзистенции (существования, функционирования), которые необходимо учитывать
при антропогенном воздействии:
- предел антропогенности – устойчивости к негативному антропогенному воздействию, например, влиянию пестицидов, вредному для млекопитающих и орнитофауны;
- предел стохетолерантности – устойчивости против стихийных бедствий, например, действия на лесные экосистемы ураганных ветров, снежных лавин, оползней;
- предел гомеостаза – способности к саморегуляции;
222
- предел потенциальной регенеративности – способности к самовосстановлению.
Экологически обоснованное рациональное природопользование должно заключаться в max возможном повышении этих пределов и достижении
высокой продуктивности всех звеньев трофических цепей природных экосистем.
Другими словами, экологически сбалансированное природопользование возможно лишь при использовании экосистемного подхода, учитывающего все виды взаимосвязей и взаимовлияний между средами, биоценозами
и человеком.
Нерациональное природопользование ведет к экологическому кризису, а экологически сбалансированное природопользование создает предпосылки выхода из него.
Выход из глобального экологического кризиса – важнейшая научная и
практическая проблема современности. Задача заключается в разработке
комплекса надежных мер, позволяющих активно противодействовать деградации природы и выйти на устойчивое развитие общества.
Попытки решения этой проблемы только одними какими-либо средствами (например, технологическими – очистные сооружения, безотходные
технологии) не приведут к необходимым результатам.
Преодоление экологического кризиса возможно при условии гармоничного развития природы и человека, снятии антагонизма между ними.
1992 г. Рио-де-Жанейро. Это достижимо на основе «триединства естественной природы, общества и природы очеловеченной».
Наиболее общим принципом или правилом охраны окружающей среды необходимо считать следующий: глобальный исходный природноресурсный потенциал в ходе исторического развития непрерывно истощается, что требует от человечества научно-технического совершенствования,
направленного на более полное использование этого потенциала.
223
Из этого закона следует другой основополагающий принцип: «экологичное – экономично», то есть чем рачительнее подход к природным ресурсам и среде обитания, тем меньше требуется энергетических и других затрат.
Еще одно важнейшее экологическое правило: все компоненты природной среды (атмосферный воздух, воды, почву и др.) – охранять надо не
по отдельности, а в целом, как данные компоненты биосферы.
Только при таком экологическом подходе возможно обеспечить сохранение ландшафтов, недр, генофонда животных и растений.
Согласно закону РФ об охране окружающей среды (1991 г.) основными принципами охраны окружающей среды являются следующие:
- приоритет охраны жизни и здоровья человека;
- научно-обоснованное сочетание экологических и экономических ресурсов;
- платность природопользования;
- соблюдение требований природоохранного законодательства; неотвратимость ответственности за его нарушение;
- гласность в работе экологических организаций и тесная связь с общественными объединениями и населением в решении природоохранных
задач;
- международное сотрудничество в области охраны окружающей природной среды.
Важнейший природоохранный принцип – научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов отвечает духу Международной конференции ООН в Рио (1992 г.) и Йоханнесбурге (2002 г.), где
определен курс на модель устойчивого развития общества, на сохранение
окружающей природной среды наряду или вместе с экономическим ростом.
Экологический кризис во многом обусловлен (в основном) потребительским, хищническим отношением к природе, пренебрежением к фундаментальным экологическим законам.
224
Анализ экологической обстановки в России позволяет выделить пять
основных направлений, по которым Россия должна выйти из экологического
кризиса.
При выходе России из экологического кризиса необходим комплексный подход в решении этой проблемы, то есть одновременно должны использоваться все пять направлений (рис. 31).
В качестве первого направления должно быть названо совершенствование технологий, внедрение безотходных, малоотходных производств,
обновление основных фондов.
К сожалению, на сегодняшний день, финансирование этих мероприятий недостаточно!
Второе направление – развитие и совершенствование экономического механизма охраны окружающей среды.
Третье направление – административно-правовое (применение мер
административного пресечения и мер юридической ответственности за экологические правонарушения).
Четвертое – международно-правовое направление (гармонизация экологических международных отношений).
Определенные шаги по выходу из экологического кризиса по всем
указанным направлениям в России предпринимаются, однако всем нам
предстоит пройти трудные и ответственные участки пути.
Трудные участки пути и покажут, выйдет ли Россия из экологического
кризиса или погибнет, погрузившись в пучину экологического невежества и
нежелания руководствоваться фундаментальными законами развития биосферы и вытекающими из них ограничениями.
Экологический кризис
Структура
Деградация
природной среды
Неспособность государственных структур преодолеть противоречия
225
Рис. 31. Пути выхода России их экологического кризиса
Оценка экологической ситуации в мире, Европе, России
Начиная с работ Конфуция и Платона, человечество пытается рассмотреть проблему связи благосостояния и потребительских масштабов.
С ростом населения Земли и научно-технического прогресса воздействие общества на биосферу усиливается (табл. 11).
Таблица 11
Динамика увеличения численности людей
(прогноз комиссии ООН по проблемам демографии)
Века,
1 век 17 век 1850 г. 1930 г. 1976 г. 1987 г. 2000 г. 2100 г.
годы
0,2
0,5
1,0
2,0
4,0
5,0
6,1
10,5
Числ.
людей
(в млрд.)
17 веков понабилось для того, чтобы число людей возросло с 200 до
500 млн. В тот период влияние общества на природу не было таким очевидным и таким негативным. Главная задача состояла в примитивном покорении природы, в ее освоении.
226
Для увеличения численности с 0,5 до 1 млрд. потребовалось все 1,5
века. Именно к этому периоду относятся предостерегающие слова Ф. Энгельса о последствиях необдуманного покорения природы.
Особенно значителен «демографический взрыв» последних 50 лет. По
данным конца ХХ века на планете ежедневно рождается 250000 младенцев.
За 21 день – численность города Рио-де-Жанейро, за 8 мес. – население Германии.
Это стало возможным благодаря совокупности обстоятельств социально-экономического и научно-технического характера.
Но, резкий рост потребления природных ресурсов обострил взаимодействие в системе «общество-природа». Эти обострения многочисленны,
но в итоге все они отражаются на состоянии природных ресурсов, загрязнении окружающей среды и следовательно здоровье людей.
По данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) в 2003 г.
здоровье определяется как:
- физическое;
- психическое;
- социальное благополучие.
ВОЗ сравнивает перспективы развития двух новорожденных:
1) девочки из Японии;
2) девочки из Сьерра-Леоне.
Японка проживет примерно 85 лет. Сразу после рождения ей сделали
все прививки и обеспечат сбалансированное питание. Потом японка получит
образование, выйдет замуж и родит 1-2 детей. Беременность пройдет без
осложнений. В старости у нее могут быть хронические заболевания, но она
будет иметь доступ к лекарствам и видам медицинской помощи, значительно улучшающей качество жизни.
Национальная система здравоохранения Японии обеспечивает примерно 550 $ в год.
227
Девочка из Сьерра-Леоне проживет примерно 36 л6т. Она не получит
прививок и лекарств, питания и будет страдать от недоедания. Выйдя замуж
подростком, она родит 6 детей, 1 ребенок умрет в младенчестве. Если она
заболеет, ей можно рассчитывать на медицинскую помощь в размере примерно 3$ в год.
По данным ВОЗ продолжительность жизни растет, а смертность
уменьшается, только в развитых странах.
В бедных государствах 98% приходится на смертность во младенчестве; продолжительность жизни меньше на 25-20 лет.
Появились новые заболевания, например, «тяжелый острый респираторный (показал миру, что новая инфекция способна в короткие сроки создать угрозу здоровью человека и экологии, а Здоровье – одно из основных
прав человека) синдром», в 2003 г.
Рост материального производства в последнее время значительно опережает рост населения. Из недр Земли ежегодно извлекают 100 млрд. т полезных ископаемых: 4 млрд. т нефти и газа, 2 млрд. т. каменного угля.
На поля рассеиваются 94 млн. т удобрений, 2 млн. т ядохимикатов. В
атмосферу выбрасывается более 200 млн. т СО2, 150 млн. т. SО2, 53 млн. т
NОх, 250 млн. т пыли. В водоемы сбрасывается 32 млрд. м3 неочищенных
вод. В Мировой океан ежегодно попадает до 10 млн. т нефти.
Каждый год становится непригодным для земледелия 6-7 млн. га почвы.
Все это требует корректировки действий человечества, так как многие
изменения стали необратимыми.
«Не будем слишком обольщаться нашими победами над природой. За
каждую такую победу она нам мстит» (Ф. Энгельс, «Диалектика природы»).
«Потребительское давление» населения Земли – индустриальное потребление природных ресурсов (воздуха, воды, почвы, топлива, ископаемых
и растительных ресурсов) – приближается к способности самовоспроизводства природы.
228
Как только «потребительское давление» превысит возможность самовоспроизводства, начнется деградация природы. В настоящее время человечество оказалось перед проблемой выработки экономического механизма
природопользования, который обеспечил бы выполнение условия:
(α+β)∙N<Р, где
α и β – расход природных ресурсов на 1 человека для его личных и
производственных нужд;
N – численность населения;
Р – воспроизводимый объем природных ресурсов.
Однако, сдерживая рост значений α, β и N, экономический механизм
природопользования должен ориентировать деятельность человека на максимализацию уровня жизни:
(α, β)→max
Сложность на пути выработки экономического механизма природопользования огромна и связана с его новизной, необходимостью изменения
сложившихся представлений о человеческих ценностях, выработки налогового механизма, сопоставления затрат и результатов, оценки использования
невосполнимых природных ресурсов.
Одна из основных задач образования – становление экологического
способа мышления.
От лозунга «Взять от природы все» необходимо перейти к лозунгу
«Природа – наш дом».
Демографические процессы, разогревание атмосферы, эрозия почвы,
уменьшение озонового слоя, гибель многих животных, промышленные аварии ведут к экологической катастрофе.
Необходим переход к другой системе ценностей человечества. Принцип:
- невмешательство в природный процесс;
- целенаправленное преобразование среды;
- понимание природы как закономерно устроенного пространства.
229
Большинство экологических проблем имеет интернациональный характер:
- загрязнение международных вод нефтью;
- использование гидроресурсов приграничных районов;
- сбор загрязненных вод в реки, протекающие через территории других государств;
- трансграничный перенос выбросов в атмосфере;
- разрушение озонового слоя;
- исчезновение редких животных и растений;
- тепловое и радиоактивное загрязнение атмосферы.
Современное состояние среды обитания требует различных подходов
к оценке ее элементов.
Для атмосферы, воды и земли является сохранение (или улучшение)
их характеристик, для животного и растительного мира – поддержание
условий самовозобновления. Запасы в недрах не могут возобновляться при
существующих темпах добычи и использования, поэтому нынешнее поколение потребляет ограниченные ресурсы и тем самым уменьшает возможность
их потребления следующим поколениям.
Таким образом, воздействие на окружающую среду – это неизбежное
следствие существования и деятельности человека.
Проблема экологического загрязнения состоит не в том, чтобы исключить это воздействие, а в том, чтобы экологические последствия учитывались при оценке действий человека. Плата за воздействие на окружающую
среду – это, в конечном счете, перекладываемые на людей дополнительные
затраты.
Если вы вынуждены каждое утро мыть свой автомобиль от пыли,
осевшей за ночь из-за выбросов ближайшего завода, то ваши затраты времени и усилий – это плата, переложенная на вас заводом.
230
Проблема состоит в том, чтобы в полной мере оценить весь комплекс
затрат, связанных с воздействием на окружающую среду и, включать их в
издержки предприятия.
Комиссия ООН по окружающей среде так определила устойчивое развитие цивилизации: «Устойчивым называется такое развитие цивилизации,
при котором удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения достигается без ограничения таких возможностей для будущих поколений».
Какие меры необходимы для уменьшения экологического давления на
окружающую среду со стороны человека:
1. Экологическое воспитание каждого человека, основанное на взаимопонимании, терпимости, уважении прав другого, вежливости и самоконтроле (ответственность и толерантность – качества личности ХХI века).
2. Система законов, регламентирующая действия собственников, оказывающих экологическое давление.
3. Государственная система контроля воздействия на окружающую
среду.
4. Экономическая поддержка экологически чистых технологических
решений и экономическое давление на предприятия, ухудшающие окружающую среду.
Нагрузка на окружающую среду зависит от численности населения,
среднего уровня жизни, структуры производимых продуктов, эффективности производства. За последние 50 лет нагрузка на окружающую среду выросла примерно в 4 раза, а в следующие 50 лет ожидается рост нагрузки в 810 раз.
«Раньше природа устрашала человека, теперь человек устрашает природу» (Жак Ив Кусто).
Проблема сохранения окружающей среды в значительной степени состоит в преодолении ряда сложившихся стереотипов поведения.
231
Если вы срубили дерево и оно упало на ваш дом, то вы сразу понимаете, что сделали что-то не так. Если вы принимаете решение о строительстве
предприятия без системы очистки сбрасываемой воды, то о последствиях
своего решения вы, может быть, не узнаете вообще.
Принятие решения с учетом только личной заинтересованности ведет
к ухудшению окружающей среды.
Стремление к экономии средств, сокращению строительства, удобству
территории обычно решается не в пользу сохранения природы.
В настоящее время в сознании человечества отсутствует единство
экологических знаний.
Необходим не просто научно-технический прогресс, а развитие в рамках единой культуры человечества, где каждое новое решение следует оценивать не с точки зрения получаемых благ, а с точки зрения последствий для
будущих поколений.
Коллективизм – один из факторов, способных определить взаимодействие человека и природы. Достаточно сказать: «Все так делают» - и на месте лужайки появляется огромная свалка, а на месте озера – загнивающее
болото.
Воздействие на окружающую среду складывается из небольших действий отдельных людей.
Если в одних странах активно потребляют энергию, способствуя парниковому эффекту, то в других – происходят мощные наводнения.
Тот, кто хочет сделать мир лучше, должен начинать с себя.
Сегодня все согласны с тем, что необходимо сохранить планету ради
будущих поколений. Трудность состоит в достижении консенсуса при оценке ценности природных ресурсов и создании мотивации для экологически
разумного поведения людей.
Оценка экологической ситуации в Европе
232
Экологическая ситуация на Европейском континенте в конце ХХ в.
складывалась под влиянием двух противоречивых тенденций:
1. Во всех странах активизировались научные исследования в экологии. Промышленность освоила ряд более чистых технологий (например, выбросы СО2, SО2 снизились в расчете на одного человека).
2. Вместе с ростом численности населения и объемов промышленности и сельского хозяйства увеличились объемы производственных и бытовых отходов. И появление ряда опасных технологий, искусственных и синтетических материалов.
Для стран ЕЭС главной экологической проблемой остаются кислотные
дожди (следствие загрязнения атмосферы оксидами азота и серы).
Кислотные дожди не только губительно воздействуют на природу, но
и наносят ущерб экономике европейских стран.
Ущерб для сельского хозяйства в Германии 1,0 млрд. $, для лесного
хозяйства 0,2 млрд. $, для рыбного хозяйства Скандинавии и Шотландии 0,3
млрд. $, для зданий Италии от 0,5-2,7 млрд.
Выбросы в атмосферу разрушают озоновый слой. Имеются сведения,
что снижение О3 на 1% увеличивает число заболеваний раком на 5%.
В 1988 г. многими странами мира был подписан Монреальский протокол, в котором должен был сокращен на 50% выпуск хлор-фторорганических соединений к 2000 г. Это было выполнено.
Для стран Западной Европы велик парк легковых автомобилей и особое значение имеет охрана воздуха от загрязнения свинцом при сгорании
бензина в двигателях (свинец даже в малых дозах непредсказуем в организме). Охрана воздуха от загрязнения свинцом активно ведется в Германии. К
этому ведет и экономное расходование горючего. Жесткий стандарт расходования топлива: ХХ в. (конец) – 8,6 л. на 100 км, сейчас 6,0 на 100 км.
О состоянии рек в Европе можно судить по ситуации на Дунае, в бассейне которого проживает 80 млн. европейцев. В течение года в эту реку по-
233
ступает 3 тыс. т никеля, 14 тыс. т марганца, 500 т цинка, 36 тыс. т нефтепродуктов, огромное количество хлора, нитратов, пестицидов.
Установлено, что только 1 г попавшей в реку нефти способен полностью погубить жизнь в 1 м3 воды. Опасно стало использовать дунайскую воду для орошения. Только 30-40% сбрасываемых сточных вод подвергается
очистке.
В результате страдают жители придунайских территорий, усугубляется и без того сложное экологическое состояние Черного моря.
Оказавшееся в центре политических, экономических и военных катаклизмов современности, Черное море стало самым загрязненным в мире и
умирает мучительной смертью.
Известное еще со времен Овидия и Геродота жестокими штормами и
рыбными богатствами море в последнее 30 лет превращается в сточную яму
– место сброса огромных количеств соединений фосфора, ртути, ДДТ,
нефтяных и других вредных отходов, производимых 160 млн. людей, проживающих на его побережье.
Миллионная популяция черноморских дельфинов за 30 лет сократилась до 200 тыс. Причем многие из них заражены свиной чумой, которая передалась в результате сброса в воду отходов свиноводческих ферм. Исчез
местный вид тюленей. Устрицы, мидии, которых называют «почками моря»,
потому что они фильтруют воду, также погибают. Густые заросли полезных
водорослей, занимавших раньше примерно 10 тыс. км2 на северо-западном
шельфе, теперь сохранились лишь на 1/10 этой территории.
Начиная с 1970 г. вспышки холеры стали обычным явлением в приморских странах, поскольку в них практически отсутствуют очистные сооружения, а пляжи по всему региону регулярно закрываются из-за дурно
пахнущих загрязнений.
Турция всегда отдавала предпочтение экономическим программам перед экологическими. Десятимиллионный Стамбул сбрасывает нечистоты в
234
Мраморное море. В результате море превращается в зловонное болото, поверхность которого покрыта экскрементами и нефтью.
Образовавшаяся в 1973 г. бескислородная зона сейчас расширилась до
50 тыс. км2, что составляет примерно 10% всей акватории Черного моря.
Пока выживает рыба, которая держится недалеко от поверхности (анчоусы и
килька).
В бедственном положении находятся реки Европы: Рейн, Влтава, Дон.
Главная причина загрязнения рек и морей – сброс неочищенных промышленных и коммунально-бытовых сточных вод. Особенно тягостная картина в городах стран Средиземноморья, где таких городов более 250. От 46
до 66% городов Италии имеют очистные сооружения, которые из-за технического несовершенства не действуют. В городах Испании не работает 80%
очистных сооружений.
Серьезные загрязнения морей и океанов происходят за счет сброса
нефтепродуктов.
В 1994 г. осуществлен так называемый «Ньюфаундленский эксперимент по сжиганию в море». Это
научное
мероприятие
(стоимостью
6,5 млн. $) дало возможность получить представление о возможностях использования огня для очистки моря от пролитой нефти.
Но сжигание не является универсальным средством. Значительная
часть нефти легко соединяется с водой, образуя эмульсию. Такая нефть
труднее возгорается, и, если содержание воды превышает 60%, то поджечь
ее вообще невозможно.
Однако, как показывают исследования, это наиболее удобный способ
очистки воды от нефти.
С помощью сжигания за один день можно удалить столько же нефти,
сколько с помощью механических средств (сорбентов, сброса с поверхности). Более того, удаление пролитой нефти требует min количества оборудования и гораздо меньших затрат труда, чем любой другой способ. Однако,
при сжигании образуется огромное количество черного дыма и копоти.
235
В 1993 г. проведена международная акция по очистке морских побережий. Около 160 тыс. добровольцев в 33 странах мира «прочесали» более 8
тыс. км берегов. Они собрали почти 5,5 млн. предметов, выброшенных
людьми в море, а морем – на берег. 58,5% собранного составляют предметы
из пластмассы. Окурки от сигарет – 16,8%, бутылки и банки из-под напитков, пробки, крышки – 12,7%. Рыболовное снаряжение и его остатки (лески,
блесны, обрывки сетей) – 1%, но самый опасный процент: запутавшись в
обрывках лески или сетей, гибнет немало морских животных.
В странах Восточной Европы в 30% рек рыба исчезла, а там, где еще
есть, поражена болезнями. В экологически неблагополучном состоянии
находятся почвы Европы.
В Болгарии 80% окультуренных земель подвержены водной и ветровой эрозии.
В России примерно 50 млн. га сельскохозяйственных земель засолены,
заболочены или подтоплены грунтовыми водами.
В Германии и Нидерландах сельскохозяйственные земли сильно загрязнены нитратами и пестицидами. Состояние лесов в Западной и Восточной Европе приближается к катастрофическому.
В документе-заявлении Европейского фонда природного наследия
(Европрирода) следующие данные: из 558000 лиственных и хвойных деревьев, за которыми велось наблюдение, 102800 теряют ежегодно 25% листвы
и иголок. Иначе говоря, каждое пятое дерево в Европе «лысеет».
Основная причина – загрязнение окружающей среды. Интенсификация движения грузового автотранспорта по европейским дорогам привела к
тому, что содержание в воздухе двуокиси серы увеличилось на 12-14%.
Наиболее печальная ситуация складывается с лиственными деревьями.
Общеевропейский «рекордсмен» – Польша, где только 8,8% деревьев были
признаны здоровыми, в Чехии – 11,5%, на Украине – 32,8%, в Белоруссии –
40,2%, в Латвии – 36,2%.
236
В западной Европе наихудший показатель имеет Норвегия (17,1%), а
самыми здоровыми лиственные леса признаны во Франции (73,1%). Меньшую тревогу вызывает состояние хвойных лесов.
237
Таблица 12
Процент поврежденных лиственных и хвойных деревьев
в европейских странах
Чехия
53%
Норвегия
25%
Польша
50%
Германия
24%
Латвия
35%
Греция
21%
Дания
33%
Венгрия
21%
Литва
27%
Швейцария
18%
Нидерланды
25%
Великобритания
17%
От многих из перечисленных европейских стран отличается Россия –
где здоровыми признано 56,8% деревьев.
Первые места по качеству окружающей среды занимают Осло, Дублин, Хельсинки, Амстердам, Гамбург, Стокгольм, последние – Анкара,
Афины, Стамбул.
Больше всего зеленых насаждений на 1 жителя приходится в ирландской столице – 292 м2. А вот в промышленном Бирмингеме – всего 0,03 м2, в
Лондоне – 25 м2. Париж предоставляет каждому обитателю 1204 м2 газонов
и лужаек.
Оценка экологической ситуации в России
Люди погибнут от неумения пользоваться
силами природы и от незнания
истинного мира
Надпись на пирамиде Хеопса
Экологическая ситуация в России вызывает серьезные опасения во
всем мире. Высок уровень загрязнения атмосферного воздуха, особенно в
городах с населением более 1 млн. жителей. В нашей стране таких «миллионеров» 24.
238
Вместе с пригородами они составляют до предела урбанизированные
«джунгли» с промышленными предприятиями, транспортными «пробками»,
свалками мусора, круглосуточным шумом.
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу составляют примерно 25
млн. т.
Основное загрязнение осуществляют предприятия энергетики – 26,6%,
черной металлургии – 14,6%, цветной металлургии – 7,1%.
Сброс загрязнений сточных вод равен 28 млрд. м3 в год. Значительная
доля жилищно-коммунального хозяйства – 44,7%, сельского хозяйства –
16,6%, химическая и нефтехимическая промышленность – 7,6%, целлюлозно-бумажная промышленность – 7,4%, электроэнергетическая промышленность – 4,8%.
Пример: ежегодные выбросы в атмосферу загрязняющих веществ
предприятиями электроэнергетики составляют 5,9 млн. т., в том числе:
- пыль – 31%;
- диоксид серы – 42%;
- окиси азота – 23,5%.
Черная металлургия является одним из экономически «грязных» производств (Череповецкий МК; Магнитогорский МК; Новолипецкий МК).
Города с преимущественным развитием химической промышленности
(Дзержинск, Новокуйбышевск, Анчарск, Новомосковск…) имеют высокий
уровень загрязнений.
Превышение нормативов загрязненности воздуха: по серной кислоте,
аммиаку, оксиду углерода, фенолу, диоксиду серы.
В Москве ежегодно образуется 7 тыс. т бытовых отходов. Все это отвозится на 40 полигонов и 200 свалок Московской области.
Устройство полигона требует сложной организации работ. В основании полигона находится бетонная подушка, которая покрыта поливинилом
или полихлорвинилом, препятствующим проникновению стоков в грунтовые воды. Слои мусора перекрывают слоями земли и тщательно утрамбовы-
239
вают. После закрытия полигона на его месте нельзя вести деятельность многие годы.
Примерно 10% московских бытовых отходов утилизируют на мусороперерабатывающих заводах, где одной из главных проблем является очистка
газов. После обнаружения в их составе диоксидов и родственных им соединений, отношение к проблеме изменилось. Диоксиды сохраняются десятки
лет, передаются по пищевым цепям и накапливаются в организме человека.
Ежегодно в районах аэропортов выбрасывается в атмосферу 390 тыс.
вредных веществ.
Серьезная проблема – это загрязнение от предприятий автотранспорта:
металлический лом, отработанные масла, нефтепродукты, отходы резины.
Вопросы для обсуждения
1.В чем отличия и сходство человека и животного мира?
2.Почему человек стал строить свою собственную экосистему?
3.Полностью ли человек независим от лимитирующих факторов?
4.Почему человек, в отличие от животных, поставил вид в условия
широчайшей экологической ниши?
5. Что может произойти с человеческой популяцией, если ее численность достигнет предельной биологической емкости (12—15 млрд человек)?
6. Как классифицируются ресурсы по источникам происхождения? По
использованию их в производстве? По степени истощаемости?
7. Какой принцип положен Ю. Одумом в основу выделения четырех
фундаментальных типов экосистем? Перечислите эти типы.
8. Что такое урбанизация и урбанистические системы?
9. Что понимается под природно-технической системой и искусственной средой?
10. Экологическая политика РФ.
11. Международное сотрудничество в области охраны окружающей
среды.
240
Творческое задание
1. Подготовиться к семинарскому занятию «Я – мое здоровье – экология».
2. Деловая игра «Ты лучше голодай, чем, что попало есть».
Цель: повысить экологическую грамотность в вопросах о гигиенических требованиях к качеству и экологической безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов.
3. Заполнить таблицу по видам ответственности за экологические правонарушения.
3. Проверочный тест по модулю.
4. Проверочный тест по курсу.
Темы для творческой работы
1. Экологическая ниша человека и возможности ее изменения.
2. Законы Б.Коммонера и использования человеком различных экосистем: естественных экосистем биосферы, агроэкосистемы и городской
экосистемы.
3. Биологические меры борьбы с нежелательными видами организмов.
4. Высокая потенциальная опасность отходов для окружающей среды
и здоровья человека.
5. Экологические последствия антропогенного загрязнения окружающей природной среды Нижегородской области и влияние его на современную экологическую ситуацию.
Литература
1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. – М., 1998.
2. Воронков Н.А. Экология общая, социальная, прикладная. – М., 1999.
3. Закон «Об охране окружающей среды», 2002.
4. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов н/Д., 2001.
241
5. Материалы конференции ООН по окружающей природной среде и
развитию. – Рио-де-Жанейро, 1992.
6. Современные проблемы экологии. – М., 1997.
7. Экологическая обстановка в городах и районах Нижегородской области. – Н.Новгород, 1999.
242
Резюме
Таким образом, человечество уже перешагнуло порог, за которым
начинается деградация природной среды. Биосфера уже не в состоянии
справится с антропогенными действиями нашей цивилизации.
Силы природы не признают государственных границ, и вред, наносимый человеком природе в одной стране, отражается на жителях многих
стран. Кислотные дожди и радиоактивные осадки могут выпасть где угодно,
в зависимости от того, куда несет их ветер или воды рек, морей и океанов.
Поскольку угроза окружающей среде является глобальной по своим последствиям, глобальные должны быть и меры по ее предотвращению. От наших
дел сегодня зависит благополучие будущих поколений, продолжение жизни
на Земле.
Выдающийся русский ученый Никита Николаевич Моисеев в своих
трудах особо подчеркивал: «…все специалисты должны осознать и добровольно принять требования нравственно-экологического императива».
Введение дисциплины «Экология» во всех вузах должно способствовать формированию нравственно-экологического потенциала будущих специалистов, которые будут осуществлять свою профессиональную деятельность в сложной социо-эколого-экономической ситуации.