Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Безопасность жизнедеятельности, экология и химия"

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

Конспект лекций

Направление подготовки:

6.050101 Компьютерные науки

Специальность:

Информационные управляющие системы и технологии

Одесса 2008

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

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

СОДЕРЖАНИЕ

Тема 1: Структура современной экологии

Тема 2: Основные экологические понятия и термины

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

Тема 4: Основные законы экологии. Основы синэкологии

Тема 5: Антропогенный фактор в биосфере. Основы социоэкологии

Тема 6: Загрязнение атмосферного воздуха и его последствия

Тема 7: Загрязнение водных ресурсов и его последствия

Литература

Тема 1: Структура современной экологии

экология загрязнение биосфера

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

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

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

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

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

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

Основные задачи общей экологии:

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

· прогноз динамики состояния биосферы во времени и расстоянии;

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

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

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

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

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

Практическая экология объединяет три раздела:

· наука об охране и рациональном использовании природных ресурсов;

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

· наука о техногенных факторах влияния на окружающую среду.

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

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

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

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

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

Тема 2: Основные экологические понятия и термины

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

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

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

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

При изучении экосистем характеризуют:

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

2) пространственное распределение отдельных элементов;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

· антропогенные (формы деятельности человека).

Экологические факторы объединены в специальную классификацию:

по времени:

· факторы времени (эволюционное, историческое, действующее);

· факторы периодичности (периодичные и непериодичные);

· первичные и вторичные.

по происхождению:

· космические;

· абиотические;

· биотические;

· природно-антропогенные;

· техногенные;

· антропогенные.

по среде возникновения:

· атмосферные;

· водные;

· геоморфологические;

· физиологические (генетические, экосистемные).

по характеру:

· информационные;

· физические;

· химические;

· энергетические,

· биогенные;

· комплексные;

· климатические.

по объекту влияния:

· индивидуальные;

· групповые;

· видовые;

· социальные.

по степени влияния:

· летальные;

· экстремальные;

· ограничивающие;

· беспокоящие;

· мутагенные.

по условиям действия:

· зависимые от плотности;

· независимые от плотности.

по спектру действия:

· избирательного действия;

· общего действия.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Эти циклы можно подраделить на два основных типа:

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

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

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

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

газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы - продукты разложения органических веществ растительного происхождения, ранее захороненных в осадочных толщах (наиболее распространенным является метан).Основные газы биосферы - азот и кислород - имеют биогенное происхождение.

концентрационная. Многие организмы накапливают в свосих телах многие химические элементы. На первом месте, естественно, стоит углерод. В углях содержание углерода в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефти - концентраторы углерода и водорода, поскольку они имеют биогенное происхождение. В отношении металлов первое место занимает кальций (целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом). Концентраторами кремния выступают диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода - водоросли ламинарии, железа и марганца - определенные виды бактерий. Фосфор накапливается позвоночными животными, накапливаясь в их костях.

окислительно-восстановительная. В процессе своей жизнедеятельности и гибели живые организмы, обитающие разных водоемах, регулируют кислородный режим и этим создают условия для растворения или осаждения ряда металлов с переменной валентностью (V, Mn, Fe).

биохимическая (рост и размножение живых организмов способствует обмену органическим веществом в биосистемах и распространению жизни на новые территории).

биогеохимическая деятельность человека (охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства и бытовых потребностей человека.

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

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

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

Азот входит в состав многих органических соединений, прежде всего белков. В молекуле белка он образует прочные амидные связи с углеродом или соединяется с водородом, присутствуя в виде аминных или амидных групп.

Тема 4: Основные законы экологии. Основы синэкологии

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

Все связано со всем (всеобщая связь процессов и явлений в природе);

Все должно куда-то деваться (любая природная система может развиваться только за счет использования энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды);

Природа «знает» лучше (пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы легко можем навредить природе, пытаясь ее улучшить);

Ничто не дается даром (глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно, не может быть объектом всеобщего улучшения; все извлеченное в процессе человеческого труда должно быть возмещено).

Среди других законов, принципов и правил можно отметить следующие:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В биосфере выделяют четыре среды обитания:

· водная;

· воздушная (наземная);

· почвенная;

· тело другого организма.

Закон биологической устойчивости (реакции особи на экологический фактор): физиологическая активность особи (скорость роста, размножения и т.д.) достигает наивысших значений при оптимальных параметрах среды (в зоне оптимума экологических факторов) и угнетается при значениях, близких к экстремальным (в зоне пессимума).

Закон лимитирующего фактора (Ю. Либиха): результирующую устойчивость особи определяет самое слабое звено его потребностей, т.е. фактор, значение которого ближе к экстремальному.

Закон равнозначности факторов среды: все экологические факторы одинаково важны для жизнедеятельности организма, нельзя игнорировать ни одного из них.

Закон совместного действия экологических факторов (является следствием из закона Либиха): физиологическая активность особи зависит от действия всех факторов среды одновременно, оказывающих комплексное влияние (потенцирование или ингибирование действия друг друга).

Закон оптимальности: параметры системы (экосистемы, организма) всегда строго отвечают ее функциям. Или, любая экосистема с максимальной эффективностью функционирует в определенных пространственных и временных границах, при определенных ее размерах и других характеристиках.

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

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

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

Основные характеристики:

· полная численность;

· плотность расселения;

· генетическая структура;

· данные о вероятности выживания;

· тип пространственного распределения особей;

· возрастное распределение особей (демографическая пирамида);

· способ размножения и плодовитость;

· социальная организация.

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

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

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

dN = N dt - N dt или dN/dt = N - N,

где N dt - прирост в результате размножения;

N dt - убыль в результате смертности.

При равных коэффициентах и изменение численности представляет собой экспоненту:

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

где N0 - исходная численность популяции.

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

рост численности коллапс … стабилизация.

Основные законы синэкологии:

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

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

Закон однонаправленности и неполного использования энергии: энергия используется только один раз, что сопровождается ее необратимыми потерями.

Закон «пирамиды масс (энергий)»: с одного трофического уровня на другой в наиболее благоприятных условиях переходит не более 10% массы (энергии), накопленной организмами нижнего уровня.

Закон максимализации энергии экосистем: среди конкурирующих экосистем, возможных в данной среде, побеждает та, что наиболее эффективно использует энергию и информацию.

Закон оптимальности: состав и размер частей экосистем не могут быть произвольными, а должны обеспечивать оптимальное функционирование всей системы в данных условиях среды.

Закон биогенной миграции атомов (закон Вернадского): пути миграции основных биогенных элементов и концентрация их во внешних сферах Земли контролируется биосферой.

Закон взимозависимости круговоротов: потоки вещества, энергии и информации и совокупность качеств отдельных природных систем в их стройной иерархии взаимосвязаны так тесно, что изменение любого элемента переводит биосферу в новое состояние.

Закон необходимого разнообразия: ни одну эффективную и устойчивую экосистему невозможно построить из тождественны элементов.

Закон развития и существования экосистем за счет окружения: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно.

Основные следствия этого закона:

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

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

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

Тема 5: Антропогенный фактор в биосфере. Основы социоэкологии

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

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

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

предки человека не имели узкой морфологической, физиологической и экологической специализации, что обеспечило повышенную адаптивность в эволюционном плане, гибкому приспособительному поведению и занятию разных экологических ниш;

эволюция человеческого вида не только подтверждает правило ускорения эволюции, она намного превысила скорость эволюции крупных млекопитающих, особенно на последних этапах антропогенеза, что обусловило незавершенность «подгонки» биологии вида к условиям существования;

высокая адаптивность, отсутствие узкой специализации и разнообразная инструментальная деятельность обусловили развитие высших форм поведения и интеллекта;

заключительные этапы антропогенеза сопровождаются возникновением культуры - совокупности средств создания материальных ценностей, речевой и знаковой передачи информации и обучения на основе подражания и сигнальной памяти. Культура становится определяющим фактором эволюции человека, ослабляя давление факторов естественного отбора;

усвоение культурной информации происходит значительно быстрее, чем передача по наследству генетической информации. Поэтому научно-технический и культурный прогресс не только опережают биологическую эволюцию человека, но и замедляют ее, ослабляя естественный отбор.

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

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

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

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

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

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

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

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

Материальная (техногенная, или артеприродная) среда включает:

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

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

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

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

Процесс урбанизации не ограничивается только ростом городского населения или числа и размера городов, он проявляется в увеличении роли города в жизни общества, в изменении образа жизни многих людей. Для экологии человека в городе характерна изоляция от естественных экологических факторов: наличия необходимой массы растений, почвы и воды, участвующих в очищении среды. С антропоэкологических позиций город - это очень плотная и динамичная человеческая популяция в созданной ею самой искусственной среде.

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