Часть – основы экологии

для студентов 1 курса факультета ветеринарной медицины

Лекция №1. Формирование и развитие экологии как науки.

Цели и задачи изучения дисциплины. Быстрое усиление антропогенной нагрузки на природную среду привело к глобальному экологическому кризису, выход из которого возможен только в случае, если человек научится правильно определять допустимые пределы антропогенных воздействий на природу и оценивать вызванные ими количественные и качественные изменения природной среды. На основе этих знаний человечество может выработать комплекс мер, которые позволили бы ему не превышать эти допустимые пределы. Изучение этих вопросов и определило основные цели данной дисциплины.

Краткая история становления и развития экологии. Термин экология (от греч. «ойкос» - дом, жилище, «логос» - учение, наука) пред­ложил в 1866 году крупный немецкий биолог Эрнст Геккель (1834-1919). Как самостоятельная научная дисциплина экология выделилась в цикле биологических дисциплин в начале XX в. и всю первую половину столе­тия она развивалась как биологическая наука. В этот период экология понимается как наука об отношениях организмов или их групп как между собой, так и со средой их обитания, т.е. как наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Под экологией Э. Геккель понимал область исследований, связанных с изучением всей совокупности взаимоотношений животного мира с окружающей его средой, как органической, так и неорганической. Следовательно, в таком первоначальном понимании экология в первую очередь касалась царства животных, а растения и другие представители живой природы относились к среде обитания, или к окружающей их (животных) среде.

По мере накопления экологических знаний предмет экологии расширялся и, став самостоятельной биологической наукой, экология изучает организацию жизни на трех уровнях. На первом уровне исследуется взаимодействие отдельного организма с окружающей его средой (образ жизни, поведение, взаимодействие с отдельными элементами среды обитания и т.п.). Однако в реальных условиях ни один организм не существует в природе обособленно, т.е. вне связи с другими подобными себе особями того же вида. Известно, что организмы существуют в виде особых группировок (популяций и популяционных групп), обладающих качественно особыми реакциями на окружающую среду (например, изменениями численности группировки при смене условий питания и др.) в отличие от отдельных особей того же вида. Изучение этого вида экологических взаимоотношений относится ко второму уровню исследований в экологии. А третий уровень связан с рассмотрением еще более общих взаимоотношений, а именно: взаимоотношений организмов со всеми остальными компонентами окружающей среды, без изучения которых невозможно понять биологические особенности того или иного вида, прогнозировать его поведение в изменяющейся окружающей среде.

В процессе развития биологической экологии (биоэкологии) возникла необходимость классификации экологических знаний по отношению к крупным группам организмов и различным средам обитания. Поэтому стали выделять экологию животных, растений и микроорганизмов, а по средам обитания - экологию водоемов, суши и воздушной среды, экологию тропиков, умеренной и полярной зон. Перечисленные выше виды направлений экологической науки объединяют под единым названием общей экологии, предметом изучения которой являются живые (биотические) организмы, популяции, сообщества, взаимоотношения видов, абиотические компоненты окружающей среды.

Демографический «взрыв» и быстрый промышленный рост во многих странах после второй мировой войны привели к тому, что стали явно проявляться негативные последствия чрезмерного воздействия человека на окружающую его среду, обусловившие возникновение экологического кризиса, создающего реальную угрозу для существования человечества на планете. Наряду с экологическим кризисом, который постепенно приобретает планетарный (глобальный) характер, в последние десятилетия сформировались и другие глобальные проблемы, под которыми понимают природные, природно-антропогенные или чисто антропогенные явления, затрагивающие мир в целом. Процесс развития этих явлений называют глобализацией. К наиболее важным их них относятся проблема предотвращения ядерных конфликтов, демографическая, ресурсная, энергетическая и продовольственная проблемы, которые тесно взаимосвязаны и способствуют развитию экологического кризиса. Решение включает разработку процедур и механизмов, обеспечивающих сохранение и развитие человеческой цивилизации, что невозможно без использования междисциплинарных знаний о взаимодействии общества и природы, что и превратило современную экологию в комплексную междисциплинарную дисциплину.

Этот второй период становления экологии можно назвать интеграционным периодом, в течение которого сформировались новые направления экологических научных дисциплин, в том числе прикладная экология, экология человека и социальная экология. Прикладная экология - это комплексная междисциплинарная наука, включающая промышленную (инженерную), сельскохозяйственную, медицинскую, социальную и другие экологические дисциплины, взаимосвязанное использование которых направлено на обеспечение экологической безопасности человека и сохранение окружающей его природной среды. В рамках прикладной экологии изучаются междисциплинарные проблемы взаимодействия общества и природы, интенсивно развиваются экологические исследования, связанные с анализом факторов антропогенных воздействий на природную среду и изучением влияния загрязнения окружающей среды, а также комплексные исследования, направленные на выход человечества из сложившегося экологического кризиса.

Общие законы биоэкологии в полной мере справедливы и для человека как биологического вида. Поэтому в рамках экологии живот­ных возник раздел экологии человека, который впоследствии превратился в важный раздел современной экологии. Термин «экология че­ловека» был введен в 1921 г. американскими учеными Р. Парком и Э.Бюргессом. В настоящее время экология человека - это комплексная научная дисциплина, связанная с изучением природных, экономи­ческих, социальных, личностных закономерностей взаимоотношений человека и окружающей его среды и направленная на разработку стратегии и комплекса мер по обеспечению экологической безопасности человека и его разнообразных потребностей, (культурные, личностные, духовно-нравственные и др.). В связи с этим в экологии человека выделяются экология человеческой личности и экология человеческих популяций, в том числе и экология этносов. Этнос (по Н.Ф. Реймерсу) - это исторически сложившаяся, целостная и устойчивая общность людей, характеризующаяся определенными особенностями физического и психического склада, культурно-исторического развития и отношений природной средой.

Окружающая среда - совокупность объектов окружающего человека мира, оказывающих существенное влияние на обеспечение жизнедеятельности и удовлетворение его разнообразных (биологических, культурных, экономических, личностных, социальных, коммуника­ционных и др.) потребностей.

Окружающая среда как сложная система состоит (по Н.Ф. Реймерсу) из четырех неразрывно взаимосвязанных компонентов-подсистем: а) собственно природной среды, б) порожденной агротехникой среды, в) искусственной среды и г) социальной среды. Каждая подсистема ок­ружающей среды отвечает за обеспечение определенных потребностей человека и обусловливает качество жизни и безопасность его жизнедеятельности. Собственно природная среда, или окружающая при­родная среда, - составная часть окружающей человека среды, вклю­чающая объекты живой и неживой природы, которые оказывают суще­ственное влияние на жизнедеятельность и удовлетворение ряда важных потребностей человека (биологических, культурных и др.).

В экологической литературе встречается термин среда обитания под которой обычно понимают ту часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует.

На нашей планете организмы освоили четыре основные среды обитания, кардинально отличающиеся по специфике условий. Водная среда была первой, в которой возникла жизнь. Затем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и заселили почву. Четвертой специфической средой стали сами живые организмы, каждый из которых представляет собой целый мир для населяющих его паразитов. Поэтому используемое в биологическом смысле понятие среды обитания следует рассматривать как синоним окружающей природной среды, однако в общем смысле это понятие должно включать и объекты других составных частей окружающей среды, в частности, социальной среды.

Социальная экология рассматривает взаимоотношения общества и природы и разрабатывает социальные аспекты рационального приро­допользования. В связи с этим важное значение приобретает упомянутая выше компонент-подсистема окружающей среды - социальная среда.

Связь экологии с другими дисциплинами. Будучи по происхождению биологической наукой, экология в настоящее время превратилась в комплексную междисциплинарную науку, включающую наряду с биологическими также и социально-экономические, географические, духовно-нравственные, культурно-эстетические знания и призванную сыграть важную роль в формировании нового, экологически ориенти­рованного мировоззрения современного человека. В связи с этим со­временные экологические знания неразрывно связаны с другими областями научного знания.

Ранее неоднократно подчеркивалось, что экология возникла как раздел биологии. Действительно, в основе экологии лежит фактический материал из различных отраслей биологии, так как воздействие окружающей среды на организмы может оцениваться с помощью био­логических показателей их состояния. При этом используются, в частности, знания из морфологии (учение о строении организмов), включаю­щей анатомию, эмбриологию, гистологию, цитологию. Взаимодействия организмов с химическими компонентами окружающей среды изучаются в физиологии и биохимии, а внешние реакции являются предметом этологии - науки о поведении. Так как перечисленные здесь знания относятся ко всем крупным группам организмов - животным, (включая человека), растениям и микроорганизмам, то они входят в качестве составных частей в антропологию, зоологию, ботанику, микробиологию и др.

Существенные отличия условий существования организмов в раз­личных географических зонах на земной поверхности или в глубинах планеты вызвали необходимость дифференциации экологических зна­ний в зависимости от географического размещения организмов на Земле. Это проявилось, в частности, в формировании различных раз­делов общей экологии - экологии тропиков, экологии умеренной и поляр­ной зон и др. При организации природопользования необходимо учиты­вать географические особенности и различия реакций разных природ­ных систем (водных и наземных) на антропогенные воздействия. По­этому экология тесно связана с географией, в рамках которой возник­ли и самостоятельно развиваются такие области, как ботаническая, зоо­логическая, медицинская и другие географии.

На стыке экологии и географии сформировался и быстро разви­вается важный раздел экологии - географическая экология, называемый также геоэкологией или ландшафтной экологией. Здесь будет уместно напомнить, что ландшафтом называют природный географический ком­плекс, в котором все основные компоненты (воды, почвы, рельеф, климат, растительный и животный мир), взаимодействуя друг с другом, об­разуют однородную по свойствам целостную систему. Задачи природопользования вызвали в последнее время необходимость самостоятельного развития геоэкологии, которая в современном виде включает и себя и конкретные знания геологии, геохимии, гидрологии и др.

В основе жизни лежит обмен веществ между организмами и средой, происходящий как в виде химических процессов в отдельных орга­низмах, так и в виде более сложных процессов, протекающих на уров­не экологических систем и биосферы в целом, рассматриваемых обыч­но как процессы круговоротов вещества и именуемых биогеохимическими циклами. Фундаментальные законы физики - законы термодина­мики, законы сохранения вещества и энергии и др. - используются при формулировании основных закономерностей биологических и физи­ческих процессов переноса и преобразования органического вещества в пищевых цепях, процессов взаимодействия организмов с косными (неживыми) компонентами окружающей среды.

Как результат активного использования человеком природных ре­сурсов возник специфический вид круговоротов вещества - антропо­генный круговорот, называемый ресурсным циклом, который является составной частью естественных биогеохимических циклов. Поэтому в химической науке к настоящему времени сформировалось новое эко­логическое научное направление - химия окружающей среды (химия воды, химия атмосферы, химия почв), основанная на законах общей химии, органической и неорганической, физической и коллоидной хи­мии и других разделов химической науки.

Общеизвестно, что в результате интенсивной деятельности чело­века на Земле значительно ухудшилось качество окружающей среды, что означает несоответствие условий среды обитания физиологичес­ким требованиям организма. Организм реагирует на это различными заболеваниями, выявление и лечение которых - уже задача медицины. Медицинская наука и ее отрасли - санитария и гигиена - исследу­ют последствия химического, биологического и физического (в особен­ности, радиационного) загрязнения окружающей среды в результате производственной деятельности людей. Одна из основных задач этих исследований - определение норм радиационной безопасности лю­дей в условиях радиационных излучений, что является предметом радиологии. Важная группа задач связана с определением величин пре­дельно допустимых концентраций различных веществ, при которых при­сутствие этих веществ в воде, почве, воздухе или в продуктах питания может рассматриваться как относительно безвредное для человека и других организмов. Этим занимается токсикология и ее раздел - экотоксикология, ориентированная на разработку нормативов экологической безопасности природной среды в условиях химического загрязнения. Разработка мер борьбы с распространением инфекционных заболева­ний составляет предмет эпидемиологии.

Изучение любых взаимодействий между организмами и средой может быть основано только на анализе количественных показателей состояния организмов и среды. Поэтому такие исследования возмож­ны лишь с применением математических методов, в частности, корреля­ционного, факторного, кластерного и других видов анализа. Получение количественных оценок имеет конечной целью выявление тенденций в изменениях изучаемых процессов (биологических, биохимических и др.), которые в дальнейшем могут быть основой для прогнозирования состояний, изменений различных процессов и их возможных послед­ствий. Результаты таких исследований с помощью математических ме­тодов могут быть представлены в формализованном виде (например, аппроксимации эмпирических графических зависимостей, уравнения регрессии и др.), что может составить основу для прогнозирования изу­чаемых процессов.

В настоящее время широкое распространение в экологических исследованиях получили методы математического моделирования - аналитические, имитационные, эмпирико-статистические и др. Эти ме­тоды, и особенно имитационное моделирование, находят широкое при­менение в экологическом прогнозировании с использованием компьютер­ной техники и информационных технологий.

Как показывает международный опыт, качество окружающей сре­ды в любом государстве соответствует его экономическому состоянию. В последнее время стало очевидно, что качество окружающей среды невозможно поддерживать на приемлемом для безопасности жизнеде­ятельности человека уровне, если кардинально не будет изменена стра­тегия природопользования. Сделать использование природных ресур­сов экономным и не загрязняющим среду призвана новая отрасль эко­номической науки - экономика природопользования.

Основные разделы экологии. В соответствии с изучаемым в экологии уровнем организации живого выделяются такие разделы, как аутэкология, синэкология, экология популяций.

Аут(о)экология - раздел экологии, изучающий взаимоотношения отдельного организма со средой обитания.

Экология популяций (демэкология) - раздел экологии, который изучает естественные группировки особей одного вида, т.е. популяций (условия, при которых форми­руются популяции, внутрипопуляционные группировки и их взаимоотношения, организацию (структуру), динамику численности популяции).

Синэкология - раздел экологии, изучающий сообщества растений, животных, микроорганизмов и их отношения со средой обитания.

Основные законы экологии. Как любая наука экология выявляет закономерности протекания изучаемых процессов и формулирует их в виде кратких логических и проверенных практикой положений - законов.

Рассмотрим ряд основных законов экологии, всего их установлено около 250 (Реймерс, 1994) законов, закономерностей, правил, принципов.

Закон незаменимости биосферы: биосфера - это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Нет никаких оснований надеяться на построение искусственных сообществ, обеспечивающих стабилизацию окружающей среды в той же степени, что и естественные сообщества.

Закон биогенной миграции атомов (В.И.Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осущест­вляется при непосредственном участии живого вещества - биогенная миграция.

Закон физико-химического единства живого вещества: общебиосферный закон - живое вещество физико-химически едино; при всей разнокачественности живых организмов они настолько физико-химически сходны, что вредное для одних не безразлично для других (например, загрязнители).

Принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие.

Закон единства "организм-среда": жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов.

Закон однонаправленности потока энергии: энергия, получаемая сообществом и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой передается консументам, а затем редуцентам с падением потока на каждом трофическом уровне; поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам) поступает ничтожное количество изначально вовлеченной энергии (максимум 0,35%) говорить о "круговороте энергии" нельзя; существует лишь круговорот веществ, поддерживаемый потоком энергии.

Закон необратимости эволюции Л.Долло: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков, даже вернувшись в среду их обитания.

Принцип Линдемана (или закон 10%): при переходе с трофического уровня экологической пирамиды на каждый последующий уровень в трофической цепи передается в среднем около 10% энергии без каких-либо неблагоприятных последствий для экосистемы (здесь имеется в виду часть энергии, поступающей с пищей, которая используется организмом для построения органического вещества своего собственного тела).

Закон толерантности (В.Шелфорда): лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

Закон оптимума: любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы.

Закон ограничивающего фактора (закон минимума Ю.Либиха): наиболее значим тот фактор, который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений; от него зависит в данный момент выживание особей; веществом, присутствующим в минимуме управляется рост.

Закон (принцип) исключения Гаузе: два вида не могут существовать в одной и той же местности, если их экологические потребности идентичны, т.е. если они занимают одну и ту же экологическую нишу.

"Законы" экологии Б.Коммонера: 1) все связано со всем; 2) все должно куда-то деваться (ничто не исчезает бесследно); 3) природа "знает" лучше; 4) ничто не дается даром.

Лекция №2. Аутэкология. Организм и среда.

Аут(о)экология - раздел экологии, изучающий взаимоотношения отдельного организма со средой обитания.

Задачей аутэкологии (от греч. аутос - сам) является установление пределов существования особи (организма) и тех пределов физико-химических факторов, которые организм выбирает из всего диапазона их значений. Изучение реакций организмов на воздействие(я) факторов среды позволяет выявить не только эти пределы, но и физиологические, а также морфологи­ческие изменения, характерные для данных особей.

Таким образом, аутэкология изучает взаимоотношения особей с внешней средой. В основе этих отношений лежат морфофизиологические реакции организма на воздействия среды. С изучения этих реакций и начинается любое экологическое исследование. Однако часто неправильно считается, что аутэкология изучает экологию не особей, а видов. Следует отметить, что термин "аутэкология" был введен в 1896г. Шретером именно для обозначения экологии особей.

Основное внимание при изучении экологии особей уделяется биохими­ческим реакциям, интенсивности газообмена, водного обмена и другим физиологическим процессам, определяющим состояние организма. При проведении этих исследований широко используются сравнительно-экологический и эколого-географический методы, сопоставляются состояние и реакция организма на внешние воздействия в различные периоды жизни (суточная, сезонная активность). Большое место в аутэкологических исследованиях занимает изучение влияния на организм естественной и искусственной радиоактивности, загрязненности среды, обусловленной индустриальной деятельностью человека.

Экологические факторы -существенные свойства окружающей среды, оказывающие прямое или косвенное воздействие на сообщества живых организмов в экосистеме и на состояние экосистемы в целом. Экологические факторы подразделяются на три группы: биотические (факторы живой природы), абиотические (факторы неживой природы) и антропогенные, связанные деятельностью человеческого общества. Последние включают социально-экономические, культурные и другие факторы. По характеру воздействий рассматривают периодические и непериодические экологические факторы, с действием которых связаны приспособительные возможности организмов и природных экосистем к изменениям внешних воздействий. К периодическим экологическим факторам относят природные явления, обусловленные вращением Земли: смена времен года, суточная смена освещенности, суточные, сезонные и вековые изменения температуры и осадков, динамика растительной пищи (для животных) и др. К непериодическим факторам относятся экологические факторы, не имеющие выраженной цикличности, например, химический состав и механические характеристики почвы, атмосферного воздуха или воды.

Абиотические факторы. Эту группу составляют, как указывалось выше, компоненты и явления неживой, неорганической природы, оказывающие прямое или косвенное воздействие на живые организмы. Главную роль среди них играют климатические (солнечная радиация, световой режим, температура, влажность, осадки, ветер, давление и др.); затем идут почвенные или эдафические (от греч. эдафос - почва), важные для обитающих в почве организмов; и, наконец, факторы водной среды.

Солнечная радиация, как известно является основой фотосинтеза. Кроме того, она определяет термический режим биосферы Земли, изменение которого в направлении от экватора к полюсам вызывает как климатическую зональность, так и существование на нашей планете крупных зональных типов растительности (тундра, тайга, степи, пустыни, влажные тропические леса и др.). Кроме солнечной радиации, на состояние экосистем разных климатических зон непосредственное влияние оказывают и другие абиотические факторы среды (температура, влажность, осадки, тип почв и т.п.), влияние которых в комплексе приводит к смене природных ландшафтов, создающих существенные различия в условиях обитания организмов.

Рассмотрим кратко почвенные экологические факторы. Известно, что почва - трехфазная среда, включающая твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород, т.е. формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. Самый верхний горизонт почв, являющийся накопителем органического вещества и называемый гумусовым, определяет плодородие почвы и представляет собой смесь органических и минеральных веществ. В результате сложных биохимических процессов в этом слое органические остатки в почве разрушаются (минерализуются) с образованием более простых соединений (вода, углекислый газ, аммиак и др.) или превращаются в более сложные органические соединения - перегной, или гумус. Таким образом, химические свойства почвы определяются содержанием органических и неорганических соединений. Свыше половины минерального состава почвы занимает кремнезем (двуокись кремния), остальную часть составляют окислы алюминия, железа, магния, калия, фосфора, кальция и др. Физические свойства почвы обусловлены механическим составом (содержанием частиц разной величины: песок, глина, суглинок), от которого зависят способности почвы удерживать влагу и насыщаться воздухом, что определяет условия обитания организмов в почве и условия произрастания растений.

Важным показателем состояния почвы является ее кислотность величина концентрации ионов водорода (рН) в почве. Различные виды приспособились к определенным величинам показателя рН: одни предпочитают кислую среду, другие - щелочную, а третьи - нейтральную Многие животные и растения очень чувствительны к малейшим изменениям рН.

Абиотические факторы водной среды, называемые гидрографическими, определяются физическими и химическими свойствами воды как среды обитания живых организмов (гидробионтов). На характер пространственного распределения гидробионтов оказывают влияние соленость, плотность, световой режим, температура и др. Например, соленость играет важную роль в существовании разных видов организмов: пресноводные виды не могут жить в морской воде, а морские - в пресной. Не менее важна роль светового режима. Так, водоросли в океане обитают в освещаемой зоне, чаще всего на глубинах до 20 - 50 м, привлекая как источник питания различные виды морских животных.

Биотические факторы. Совокупность воздействий жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других и на состояние неживых компонентов среды обитания составляет комплекс биотических факторов. Разнообразные взаимодействия между животными, растениями и микроорганизмами в экосистеме подразделяются на прямые, связанные с непосредственным воздействием одних организмов на другие, и на косвенные, когда например, растения своим присутствием изменяют режим действия абиотических факторов среды для других растений, животных и микроорганизмов. Так, орех и дуб своими выделениями угнетают травянистую растительность под кронами. В общем, любое растительное сообщество существенно влияет на совокупность абиотических характеристик среды. Известно, что различные абиотические факторы в пределах лесного ландшафта существенно отличаются при схожести климатических условий от этих же факторов в условиях степных ландшафтов.

Важнейшим биотическим фактором является пища. Пищевой фактор может рассматриваться с разных точек зрения: количество, доступность, химический состав, пищевая ценность и др. Любой вид животного или растения обладает достаточно четкой избирательностью к составу пищи. Так, каждому растению необходим определенный набор минеральных веществ. Пищевые взаимоотношения среди животных отличаются значительной сложностью. По способу доступа к пище наиболее распространены два типа взаимоотношений: хищничество и паразитизм. Хищничество проявляется в преследовании и поедании одних видов организмов другими, например, растительноядных копытных - плотоядными хищниками, насекомых - птицами, мелких рыб - более крупными. Паразитизм также проявляется в различных формах. В самом общем случае организм-паразит живет постоянно на теле или внутри тела другого организма - хозяина. С экологических позиций хищник и жертва, паразит и хозяин взаимно необходимы друг другу и их сосуществование составляет основу существования экосистемы.

Антропогенные экологические факторы. Важную группу экологических факторов составляют антропогенные факторы, отражающие воздействие человека как на живые организмы, так и на абиотические факторы среды обитания. Антропогенные факторы - это совокупность экологических факторов, обусловленных случайной или преднамеренной деятельностью человека и вызывающих существенное воздействие на структуру и функционирование экосистем и на деградацию биосферы. К антропогенным факторам относятся, например, радиационное загрязнение или загрязнение химическими веществами воды, почвы или атмосферы в результате деятельности общества. Загрязнение среды вызывает во многих случаях существенные изменения в состоянии природных экосистем.

Все экологические факторы можно подразделить на относительно постоянные на протяжении длительных периодов времени в эволюции видов (солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы) и постоянно изменчивые (температура, влажность воздуха, ветер, осадки, естественные убежища, количество пищи, соотношение «хищник-жертва» и т.д.). Эволюционно возникшее приспособление организмов к условиям среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей, называют адаптацией. Способность к адаптации - одно из основных свойств жизни вообще, поскольку обеспечивает саму возможность её существования.

Каждый фактор имеет лишь определённые пределы положительного влияния на организм. Недостаточное или избыточное проявление фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности организма. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или оптимумом для организмов вида. Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Если хотя бы один из экологических факторов приближается или выходит за пределы критических величин, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, особям грозит гибель. Такие сильно уклоняющиеся от оптимума факторы приобретают первостепенное значение в жизни вида или отдельных его представителей на каждый конкретный отрезок времени, обычно их называют лимитирующими (абиотические – например, определяющие географический ареал вида – север или аридная зона; биотические – занятость территории более сильным конкурентом или недостаток опылителей для растений; анторопогенные – избыток удобрений в почве или загрязнение пестицидами).

Ю.Либих в 1840 г. установил, что урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах, а теми, которых нужно немного, но которых мало и в почве. Сформулированный им закон минимума гласил: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени». Впоследствии к питательным веществам добавили ряд других факторов, например, температуру. Действие данного закона ограничивают два принципа: закон применим только в условиях стационарного состояния; имеет значение взаимодействие факторов, иногда организм заменяет одно, дефицитное, вещество другим, имеющимся в избытке.

Закон В.Шелдфорда обобщает закон минимума: отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода). По каждому экологическому фактору существует диапазон толератности, за пределами которого организм не может длительно существовать или размножаться. Толерантность – (от греч. слова «толеранция», означающее терпение) – это способность организмов выдерживать изменение условий жизни (например, колебания температуры, влажности, света). Если фактор или группа факторов значительно выходят за пределы диапазона толерантности, организмы погибают. У каждого живого организма в отношении различных экологических факторов существуют пределы выносливости (пределы толерантности), между которыми располагается его оптимум. Выявление ограничивающих факторов очень важно в практике с/х-ва, т.к., направив основные усилия на их устранение можно быстро и эффективно повысить урожайность растений и производительность животных.

Гипотезы происхождения жизни на Земле. Предполагается, что Вселенная и её планеты, включая Землю, произошли в результате «Большого взрыва» первичной космической материи. Этот взрыв по подсчётам математиков, произошёл около 20 млрд. лет назад. По современным исследованиям, жизнь также могла произойти путём «Большого биологического взрыва», длительность которого в отличие от космического, укладывается в миллионы лет. В настоящее время наиболее признанной гипотезой о происхождении жизни на Земле является гипотеза А.И.Опарина.

В качестве гипотезы происхождения жизни на Земле рассматривается также теория В.И.Вернадского, суть которого сводится к приспособлению к жизни на Земле микроорганизмов из упавшего на планету метеорита.

Еще одна важная гипотеза – креационистская теория о Божественном начале всего живого.

Лекция №3. Демэкология – экология популяций.

Понятие популяции. Все виды живых организмов в биосфере могут существовать только в форме популяций. Популяция - это совокупность особей одного вида, занимающих в одно и то же время определенное место в пространстве. Иногда популяцию представляют и как совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство и обладающих сходной наследственностью, т.е. внутри которой осуществляется обмен генетической информацией. Известный современный общественный деятель и ученый-эколог А.В. Яблоков определяет популяцию как минимальную самовоспроизводящую группу особей одного вида, которая на протяжении эволюционно длительного времени населяет определенное пространство и образует самостоятельную генетическую систему.

Известно, что наследственная информация хранится в хромосомах в виде нуклеиновых кислот, молекулы которых или их отдельные части, называемые генами, определяют наследственные признаки. Совокупность всех генов образует генотип, а совокупность всех особей, хранящих и передающих по наследству генетическую информацию, формирует генетический фонд, или генофонд популяции.

Подобно различиям, существующим между отдельными особями, имеются различия и между популяциями, так как каждая популяция приспособлена к условиям той местности, в которой она обитает. Благодаря свойству приспособления (адаптации) к условиям окружающей среды популяция может обосноваться в определенной области при наличии подходящего климата, питательных веществ и источника энергии. Поэтому каждая популяция обладает рядом признаков, отсутствующих у отдельных ее членов. Такими отличительными признаками являются численность и плотность популяции, подходящее местообитание, которое по своим температуре, влажности, характеру почвы и растительности, пищевым ресурсам и прочим параметрам соответствовало бы ее потребностям.

Популяция и биогеоценоз. Подобно тому как отдельные особи не могут существовать в природе вне популяции, так и популяции не могут существовать в определенном месте обособленно от популяций других видов, т.е. вне биогеоценоза. Поэтому можно утверждать, что био геоценоз - это комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих попу­ляций разных видов, обитающих на определенной территории с отно­сительно однородными условиями существования. С точки зрения по­нятия биогеоценоза эта территория с относительно однородными усло­виями существования ранее была определена как биотоп. Однако в пределах одного биотопа каждый вид занимает разные участки терри­тории, обеспечивающие этому виду биотические и абиотические усло­вия, необходимые для существования популяции.

Таким образом, каждый вид в пределах биотопа имеет присущее только ему место обитания. Такие места обитания вида (или местооби­тания) называются стациями (от лат. стацио - местообитание). Напри­мер, биотопом популяций лесных видов растений и животных является лес, который естественным образом разделяется на участки - стации, занятые различными древесными породами (сосна, береза, листвен­ница), для каждой из которых характерны определенные условия про­израстания, отличающиеся разными почвами, влажностью и др.

Основные характеристики популяций. К ним относятся:

1. численность – общее количество особей на выделяемой территории; факторы, сдерживающие рост численности популяции – это, последовательно, хищники, паразиты, инфекции, внутривидовая конкуренция;

2. плотность популяции – среднее число особей на единицу площади или объёма занимаемого популяцией пространства;

3. рождаемость – число новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения;

4. смертность – показатель, отражающий количество погибших в популяции особей за определённый отрезок времени;

5. прирост популяции – разница между рождаемостью и смертностью; прирост может быть положительным или отрицательным;

6. темп роста – средний прирост за единицу времени.

Популяции свойственна определённая организация. Распределение особей по территории, соотношения групп по полу, возрасту, морфологическим, физиологическим, поведенческим и генетическим особенностям отражают структуру популяции. Она формируется, с одной стороны, на основе общих биологических свойств вида, а, с другой, - под влиянием абиотических факторов среды и популяции других видов.

Изучение характеристик популяций и процессов их изменений имеет большое самостоятельное значение. Так, при заготовках древесины очень важно знать скорость восстановления леса, чтобы правильно планировать интенсивность рубок. Специалистов интересует прежде всего изменение популяций в целом, предсказание этих изменений, наконец, способы их регулирования.

Понятие экологической ниши. В экосистеме любой живой организм эволюционно приспособлен (адаптирован) к определенным условиям среды, т.е. к изменяющимся абиотическим и биотическим факторам. Изменения величин этих факторов для каждого организма допустимы только в определенных пределах, при которых сохраняется нормальное функционирование организма, т.е. его жизнеспособность. Чем большие пределы изменения параметров среды допускает (нормально выдерживает) конкретный организм, тем выше устойчивость этого организма к изменению факторов состояния среды. Требования определенного вида к разным экологическим факторам определяют ареал вида и место его в экосистеме, т.е. занимаемую им экологическую нишу.

Экологическая ниша - совокупность условий жизни в экосистеме, предъявляемых видом к множеству экологических факторов среды с точки зрения его нормального функционирования в экосистеме. Следовательно, понятие экологической ниши прежде всего включает в себя роль или функцию, которую выполняет данный вид в сообществе. Каждый вид занимает свое, только ему присущее место в экосистеме, которое обусловлено его потребностью в пище и связано с функцией воспроизводства вида.

Соотношение понятий ниши и местообитания. Как показано в предыдущем разделе, для популяции прежде всего необходимо подходящее местообитание, которое по своим абиотическим (температура, характер почвы и т.п.) и биотическим (пищевые ресурсы, характер растительности и т.п.) факторам соответствовало бы ее потребностям. Но местообитание вида не следует путать с экологической нишей, т.е. функциональной ролью вида в данной экосистеме.

Условия нормального функционирования вида. Важнейшим для каждого живого организма биотическим фактором является пища. Известно, что состав пищи определяется прежде всего набором белков, углеводородов, жиров, а также наличием витаминов и микроэлементов. Свойства пищи обусловлены содержанием (концентрацией) отдельных ингредиентов. Разумеется, требуемые свойства пищи различаются для разных видов организмов. Недостаток каких-либо ингредиентов, как и их избыток, оказывают вредное воздействие на жизнеспособность организма.

Аналогично обстоит дело и с другими биотическими и абиотическими факторами. Поэтому можно говорить о нижней и верхней границах каждого экологического фактора, в пределах которых возможно нормальное функционирование организма. Если величина фактора среды становится ниже его нижней границы или выше верхней границы для данного вида, и если этот вид не сможет быстро приспособиться к изменившимся условиям среды, то он обречен на вымирание и его место в экосистеме (экологическая ниша) будет занято другим видом.

Лекция №4. Синэкология – экология сообществ. Структура и свойства экосистем.

Структура биогеоценоза. Биогеоценоз (от греч. био - жизнь, гео - земля, ценоз - сообщество) - наименьшая структурная единица биосферы, представляющая собой внутренне однородную пространственно ограниченную (обособленную) природную систему взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической (неживой, косной) среды. Этот термин был введен в 1942 г. известным русским ученым - биологом В.Н.Сукачевым (1880 - 1967). Биогеоценоз состоит из двух сложных компонентов разной природы: биоценоза и биотопа. Схематично это можно представить в следующем виде:

БИОГЕОЦЕНОЗ = БИОЦЕНОЗ + БИОТОП.

Термин биоценоз был введен немецким биологом К.Мебиусом (1877) и означает совокупность живых организмов (животных, расте­ний, микроорганизмов), существующих на относительно однородном по условиям жизни участке среды обитания. Биоценоз представляет слож­ную совокупность, состоящую из ряда компонентов живой природы, взаимообусловливающих существование друг друга:

1) фитоценоза - сообщества растительных организмов;

2) зооценоза - биокомплекса животных организмов (беспозвоночных и позвоночных), обитающих в почве и надпочвенной среде;

3) микробиоценоза (или микробоценоза) - сообщества микроорганизмов (бактерий, грибковых и др.), живущих в почве, в воздушной и водной средах.

Биотопом (или экотопом) называется относительно однородное по своим геоморфологическим, климатическим, геохимическим и другим абиотическим свойствам пространство, занятое биоценозом. Биотоп представляет собой совокупность двух взаимодействующих между собой компонентов неживой природы:

1) атмосферы, содержащей атмосферную влагу и биогенные газы
(кислород и углекислый газ) и характеризуемой такими свойствами, как
температура, влажность, давление, солнечная радиация, осадки и др.;

2) почвенного покрова с подпочвенными слоями материковой породы и почвенно-грунтовыми водами.

Общая характеристика биогеоценоза. Все перечисленные компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством и однородностью территории, круговоротом биогенных химических элементов, сезонными изменениями климатических условий, численностью и взаимной приспособленностью многообразных видовых популяций автотрофных и гетеротрофных организмов. Следовательно, биогеоценоз - это совокупность разных видов живых организмов (биоценоз), сосуществующих в пределах пространственно ограниченного и однородного по своим абиотическим свойствам участка территории (биотопа) и взаимодействующих как друг с другом, так и с биотопом. Можно говорить о биогеоценозе березовой рощи, луга и т.п., но нельзя называть биогеоценозом сообщество бактерий в капле росы на травинке.

Каждый природный биогеоценоз представляет собой сложную саморегулирующуюся систему, сформировавшуюся в результате многих тысяч и миллионов лет эволюции и обладающую способностью трансформировать вещество и энергию в соответствии со своей структурой и динамикой. Путем самоорганизации такая система способна противостоять как изменениям окружающей среды, так и резким изменениям в численности тех или иных организмов, входящих в состав биоценоза. Основу биогеоценоза составляют зеленые растения, которые, как известно, являются производителями органического вещества. Так как в биогеоценозе обязательно присутствуют растительноядные организмы (животные, микроорганизмы), потребляющие органическое вещество, то нетрудно догадаться, почему растения являются главным звеном в биогеоценозе: ясно, что если растения - главный источник органического вещества исчезнут, то жизнь в биогеоценозе практически прекратится.

Круговорот веществ в биогеоценозе. Круговорот веществ одно из необходимых условий существования жизни. Он возник в процессе становления жизни на Земле и усложнялся в ходе эволюции живой природы. Без круговорота веществ в любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, так как они перестали бы возобновляться в процессе жизнедеятельности организмов.

Чтобы был возможен круговорот веществ в биогеоценозе, необходимо наличие в нем двух типов организмов: 1) создающих органические вещества из неорганических, 2) использующих для обеспечения своей жизнедеятельности эти органические вещества и снова превращающих их в неорганические соединения. В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться растениями в процессе фотосинтеза. Следовательно, кардинальную роль в круговороте веществ в биогеоценозе играют растения, использующие и запасающие преобразованную солнечную энергию.

Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой при­роды в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Источником энергии, необходимой для создания круговорота веществ в биогеоценозе, является Солнце. Движение вещества, вызванное деятельностью орга­низмов, происходит циклически, оно может быть использовано много­кратно, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонап­равленный характер. Поэтому неправомерно отождествлять круговорот вещества в биогеоценозе с круговоротом энергии.

Определение и понятие экосистемы. Понятие экосистемы является одним из основных понятий в современной экологии. Термин «экосистема» был введен в употребление А.Тенсли в 1935 г., спустя более полувека после выделения экологии как самостоятельной отрасли научных знаний (1866). Экологической системой или экосистемой называется совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом, обусловленной обменом веществ и распределением потока энергии. Следовательно, в биологическом смысле под экосистемой понимается любая система, включающая в свой состав сообщества живых существ и среду их обитания, объединенные в единое функциональное целое.

Каждая экосистема характеризуется совокупностью свойств и структурой. С точки зрения изучения проблем устойчивого функционирования экосистем интерес представляют такие основные свойства, как способность к образованию живого вещества из компонентов неживой природы, способность осуществлять круговорот веществ в экосистеме, видовое разнообразие, способность поддерживать ее нормальное функционирование в условиях изменяющейся среды обитания и др. Важнейшей с точки зрения организации экосистем является их видовая структура.

Виды экосистем. Экосистема - сложный объект, при изучении которого используют методы системного анализа. Классификация таких сложных систем должна проводиться по различным основаниям, или признакам деления на классы. По пространственному масштабу выделяются экосистемы различного ранга: микроэкосистемы, мезоэкосистемы, макроэкосистемы и глобальная экосистема. Наименьший ранг имеют микроэкосистемы, примерами которых могут служить маленький водоем, труп животного с населяющими его организмами или ствол упавшего дерева в стадии биологического разложения, домашний аквариум и даже лужица или капля воды, пока в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ. Экосистемы промежуточного ранга называются мезоэкосистемами (лес, пруд, река и т.п.). Макроэкосистемы имеют большой пространственный масштаб и связаны с крупными географическими объектами, составляющими по размерам значительную часть земной поверхности (например, океан, континент и т.п.). Самый большой ранг имеет глобальная экосистема, эквивалентная биосфере Земли в целом. Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.

По характеру среды обитания сообществ живых организмов природные (естественные) экосистемы разделяют на наземные и водные, среди последних иногда выделяют пресноводные и морские экосистемы. Основные экологические свойства экосистем существенно зависят от различия условий среды обитания (географических, гидрографических, климатических, почвенных и др.). Поэтому указанные виды природных экосистем разделяются в свою очередь на различные типы экосистем. В классе наземных экосистем выделяют тундровые, таежные, степные и др., а пресноводные экосистемы делят на озерные, речные, болотные и т.п.

Для удобства рассмотрения некоторых особенностей взаимодействия общества и природы в рамках изучаемой дисциплины по степени антропогенного воздействия на природную среду будем различать три следующих вида экосистем: природные, социоприродные и антропогенные. Природные экосистемы, рассмотренные выше, это естественные экосистемы, при изучении которых не учитываются какие бы то ни было антропогенные воздействия. К антропогенным будем относить искусственные экосистемы, непосредственно и целенаправленно созданные человеком для удовлетворения своих потребностей. Их удобно разделять на техногенные и агроэкосистемы.

Из вышеизложенного ясно, что биогеоценоз представляет собой комплекс взаимосвязанных видов организмов (популяций разных ви­дов), обитающих на определенной территории с более или менее од­нородными условиями существованиями. Как и биогеоценоз, экосисте­ма в биологическом смысле является совокупностью взаимосвязанных живых существ и среды их обитания, образующих единое целое. Одна­ко основу биогеоценоза составляют зеленые растения, производящие живое органическое вещество. Так как в биогеоценозе присутствуют растительноядные и плотоядные животные и другие организмы, потреб­ляющие органическое вещество, легко догадаться, почему растения являются главным звеном в биогеоценозе. Поэтому ясно, что если рас­тения - главный источник органического вещества в биогеоценозе - исчезнут, то и жизнь там практически прекратится. Примеры биогеоце­нозов - однородные участки леса, луга, степи, болота и т.п.

Экосистема, по определению, может и не включать растительные организмы в свой видовой состав. Таким примером являются природ­ные экосистемы, формирующиеся на базе разлагающихся органичес­ких остатков, гниющих в лесу деревьев, трупов животных и т.п. Доста­точно присутствия лишь зооценоза и микробоценоза или только микробоценоза, чтобы такое образование рассматривать как экосистему. В этом и заключается одно из существенных отличий понятия экосистемы от понятия биогеоценоза. Таким образом, каждый биогеоценоз может быть назван экосистемой, но не каждая экосистема является биогео­ценозом.

Биогеоценозы и экосистемы могут различаться и по временному фактору (продолжительности существования). Любой биогеоценоз потенциально бессмертен, поскольку все время пополняется энергией за счет деятельности растительных организмов. В то же время экосистемы, в составе которых отсутствует растительное звено, заканчивают свое существование одновременно с высвобождением в процессе разложения органического субстрата всей содержащейся в нем энергии.

Трофические цепи и сети. Одним из наиболее существенных свойств экосистем является наличие в них пищевых цепей и сетей. Трофическая (пищевая) цепь - последовательность видов организмов, отражающая движение в экосистеме органических веществ и заключенной в них биохимической энергии в процессе питания организмов. Термин происходит от греч. трофе - питание, пища. Для дальнейшего изучения рассмотрим следующие термины: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты (от англ. рrodисе - производить) - организмы, производящие органические вещества из неорганических соединений. Продуцентами в экосистеме являются автотрофные организмы, преобразующие путем фотосинтеза внешнюю (солнечную) энергию в биохимическую энергию, заключенную в органическом веществе. Примерами продуцентов в наземных экосистемах являются растения, фитопланктон - мельчайшие водоросли - является другим примером продуцентов, характерных для морских и вообще водных экосистем.

Консументы (от лат. консуме - потреблять) - это организмы, питающиеся органическим веществом, произведенным другими организмами (продуцентами). Такими организмами в экосистеме являются гетеротрофы. Различают консументы 1-го и 2-го порядков. Консументы 1-го порядка - растительноядные организмы (например, овца, заяц). Консументы 2-го порядка - плотоядные, которые строят свои белки из белков растительного и животного происхождения (хищники).

Редуценты - организмы (главным образом, бактерии, грибы и др.), превращающие органические остатки в неорганические вещества (минерализация). Синоним термина - деструкторы (от англ. - разлагать).

Трофические (пищевые) уровни. В любой экосистеме можно выделить несколько трофических уровней или звеньев. Первый уровень представлен продуцентами, а второй и последующий уровни - консументами. Последний уровень в основном образуется микроорганизмами и грибами, питающимися мертвым органическим веществом (редуцентами). Их основная функция в экосистеме - разложение органического вещества до исходных минеральных элементов. Взаимосвязанный ряд трофических уровней и представляет цепь питания или трофическую цепь.

Важно подчеркнуть, что цепь питания не всегда может быть полной. Во-первых, в ней могут отсутствовать продуценты (растения). Такие цепи питания характерны для сообществ, формирующихся на базе разложения животных или растительных остатков, например, накапливающихся в лесах на почве (лесная подстилка). Во-вторых, в цепях питания могут отсутствовать (либо находится в очень малом количестве) гетеротрофы (животные). Например, в лесах отмирающие растения или их части (ветви, листья и др.), т.е. продуценты, сразу включаются в звено редуцентов.

Виды трофических цепей. Трофические цепи в зависимости от числа уровней подразделяются на простые и сложные (многоуровневые) цепи. Примером простой цепи, в которой представлены все три вида уровней (продуцент, консумент и редуцент), может служить следующая последовательность организмов: ОСИНА-ЗАЯЦ-ЛИСА.

Простая трофическая цепь имеет три трофических уровня. Сложные цепи в отличие от рассмотренных выше простых имеют большее число уровней, но обычно не превышающее 5-6 в реальных природных экосистемах. Ниже приводится пример сложной пятиуровневой цепи:

ТРАВА - ГУСЕНИЦА - ЛЯГУШКА - ЗМЕЯ - ХИЩНАЯ ПТИЦА.

Различают три основных типа трофических цепей:

- цепи хищников;

- цепи паразитов;

- сапрофитные цепи.

Примеры трофических цепей хищников:

ТРАВА-ОВЦА-ВОЛК; ЛИСТ ДУБА - ГУСЕНИЦА - СИНИЦА - ЯСТРЕБ.

Отличительной особенностью трофических цепей паразитов от цепей хищников является то, что в цепях хищников размеры особей увеличиваются по мере продвижения по уровням цепи (слева направо), а в цепях паразитов - наоборот. Сапрофитные (от греч. сапрос - гнилой) цепи - это трофические цепи с разложением органического вещества, т.е. включающие редуцентов. К сапрофитам относятся организмы (грибы, некоторые растения и др.), питающиеся органическим веществом и преобразующие его в минеральные соединения. Ниже приведен пример такой трофической цепи:

ЛИСТВЕННЫЕ ДЕРЕВЬЯ - ЧЕРВИ - ГРИБЫ.

Сукцессия. Одним из главных достижений экологии стало открытие, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Сообщества непрерывно изменяются. Одни организмы умирают, другие приходят к ним на смену. Энергия и питательные вещества проходят через сообщество нескончаемым потоком. Последовательность смены сообществ (экосистем, биоценозов) на одной и той же территории называется сукцессией.

При определении экологической сукцессии следует учитывать три момента. Во-первых, сукцессия происходит под влиянием сообщества, т.е. биотического компонента экосистемы. Во-вторых, сукцессия определённым образом направлена и её можно предсказать (предвидеть). В-третьих, кульминацией сукцессии является возникновение стабилизированной экосистемы, в которой на единицу потока энергии приходится максимальная биомасса и максимальное количество межвидовых взаимодействий.

Сукцессию подразделяют на первичную (когда организмы осваивают пустые участки, которые никогда прежде не были заселены) и вторичную (процесс протекает в местах, которые уже были заселены, но лишились своих обитателей в результате, например, оледенения или деятельности человека).

Биоценозы, сменяющиеся друг другом во времени образуют серии. Конечным этапом эволюции является находящийся в равновесии со средой стабильный биоценоз. Такая стабильная система может сохраняться в неизменном виде в течение времени, равного «нескольким человеческим жизням».

Основные сукцессионные изменения: непрерывная смена видов растений и животных; повышение видового разнообразия организмов; увеличение биомассы органического вещества; снижение чистой продукции сообщества и повышение его дыхания. Все четыре основных сукцессионных изменений имеют большое практическое значение для человека. Зрелое сообщество способно противостоять изменениям физических факторов, даже некоторым видам химических загрязнений в гораздо большей степени, чем молодое сообщество. Однако молодое сообщество способно продуцировать новую биомассу в гораздо больших количествах, чем старое.

Экологические пирамиды. Для наглядного представления о величине коэффициента передачи энергии с уровня на уровень в цепях питания экосистем используют экологические пирамиды нескольких видов. Экологическая пирамида - это графическое (или диаграммное) представление соотношения между объемами органического вещества или энергии на соседних уровнях в трофической цели. Наибольшее распространение получили следующие виды экологических пирамид:

- пирамиды чисел Элтона; пирамиды биомасс; пирамиды энергии.

Пирамиды чисел Элтона представляются в виде среднего числа особей, требуемых для питания организмов, находящихся на последующих трофических уровнях, Например, для представления трофической цепи:

ЛИСТ ДУБА - ГУСЕНИЦА – СИНИЦА пирамида чисел для одной синицы (третий уровень) изображает число гусениц (второй уровень), которых она поедает за определенное время, например, за один световой день. На первом уровне пирамиды изображается столько листьев дуба, сколько требуется для корма того количества гусениц, которые показаны на втором уровне пирамиды.

Пирамиды биомасс и энергии выражают соотношения количества биомассы или энергий на каждом трофическом уровне. Пирамида биомасс основана на отображении результатов взвешивания сухой массы органического вещества на каждом уровне, а пирамида энергии - на расчетах биохимической энергии, передаваемой с нижележащего на вышележащий уровень. Эти уровни на графике пирамиды биомасс (или энергии) изображают в виде прямоугольников равной высоты, ширина которых пропорциональна величине биомасс, передаваемой на каждый последующий (вышележащий) уровень исследуемой трофической цепи. Каждый может попробовать построить пирамиду биомасс по данным, заимствованным из известной книги Ф.Рамада «Прикладная экология» и относящейся к некоторой 4-уровневой трофической цепи:

ТРАВА (809) - ТРАВОЯДНЫЕ (37) - ПЛОТОЯДНЫЕ-1(11)-ПЛОТОЯДНЫЕ-2 (1,5),

где в круглых скобках указаны величины сухой биомассы (г/кв.м).

Заметим, что экологические пирамиды являются наглядной иллюстрацией принципа Линдемана и с их помощью отражается существенная особенность энергетических процессов в экосистемах, а именно: из-за сравнительно малой доли энергии (в среднем приблизительно десятая часть), передаваемой на последующий уровень, очень мало энергии остается в экосистеме, а остальная возвращается в геосферу. Так, при 4-уровневой трофической цепи только десятитысячная доля биохимической энергии остается в экосистеме. Ничтожно малая доля энергии, остающейся в экосистеме, объясняет почему в реальных природных экосистемах трофические цепи имеют не более 5-6 уровней.

Модели экологических систем и процессов. Сущность метода биологического моделированиязаключается в том, что вместе с оригиналом, т.е. изучаемой реальной системой или процессом, изучается их искусственно созданное подобие - модель.

Процесс перевода физических или биологических представлений о любой экологической системе в ряд математических зависимостей и операции над ними называются системным анализом, а сама математическая система - моделью.

В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны, иначе результаты могут оказаться недостоверными, не свойственными оригиналу.

В зависимости от особенностей оригинала и задач исследования применяются самые разнообразные модели.

Модели материальные (реальные) - предметные (например, аквариум, который может служить моделью естественного водоема). Однако создание реальных моделей сопряжено с большими техническими трудностями, не всегда выполнимыми.

Модели идеальные (знаковые) - мысленные, например, график, формула и т.д.

Наибольшее распространение в экологии получили концептуальные и математические модели и их многочисленные разновидности (научный текст, схема системы, таблицы и т.д.).

Математические модели - особенно эффективен метод изучения экологи­ческих систем, в частности, при определении количественных показателей. Математические модели являются неполным абстрактным отображением реального мира. При отсутствии реальных моделей математический подход является сильно отвлеченным, но при исключении математического подхода бывает трудно уловить общий смысл реальной модели. В связи с этим, в современной экологии реальные (материальные) модели и знаковые (идеальные) используются параллельно, дополняя и обогащая друг друга.

Лекция №5. Учение о биосфере В.И.Вернадского.

Вернадский и биосфера. Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744 - 1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в XVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ламарка ввел в науку термин «биосфера», рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп. Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению.

Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский ученый - геолог В.И.Вернадский (1863 - 1945), создавший в 20-х годах XX века современное учение о биосфере. Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому.

Изучая историю минералов и миграцию химических элементов в земной коре, В.И.Вернадский выявляет огромную роль живого веще­ства в геохимических процессах на нашей планете. Для изучения роли живого вещества в эволюции биосферы ему потребовались знания биологии, геологии, химии, на основе которых сформировалась новая наука - биогеохимия. Об исключительной роли живого вещества в био­сфере В.И. Вернадский пишет в «Очерках геохимии», опубликованных в 1924г. в Париже и в 1927 г. в Ленинграде. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», в которой представление биосферы как «тонкой пленки жизни», «живой оболочки» Земли оказалось очень своевременным, хотя и несколько опередившим время, учению В.И. Вернадский о биосфере сначала не было оказано должного внимания. Однако изучение по­следствий радиоактивного и химического загрязнения атмосферы, гид­росферы и почв после второй мировой войны заставило ученых и по­литиков обратиться к учению Вернадского о биосфере, которое получи­ло широкое распространение в западных странах, а затем и во всем мире.

В последние годы жизни Владимир Иванович Вернадский писал в дневнике: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологи­ческой силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится воп­рос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего чело­вечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к кото­рому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».

Понятие ноосферы (от греч. ноос - разум) также имеет свою исто­рию. Считается, что оно было введено в XIX в. французским ученым Ле Руа и развито далее Тейяр де Шарденом (1881 - 1955). Они понимали под этим термином особую оболочку Земли, рассматриваемую в качестве некоего «мыслящего слоя» над биосферой, в который включается индустриальное общество с атрибутами цивилизации (языком, религи­ей и пр.). Однако Вернадский рассматривал ноосферу как новое гео­логическое явление на Земле и человек в ней впервые становится мощной геологической силой. Как и все живое на Земле, он может мыс­лить и действовать только в области распространения жизни, т.е. в био­сфере, с которой он неразрывно связан и из которой уйти не может. Вернадский считал, что на данном этапе эволюции биосферы человек будет вынужден не только исправить возникшие в результате его дея­тельности нарушения в состоянии природы, но и предотвращать подоб­ные нарушения в будущем.

В настоящее время весьма ощутимые последствия научно-технического прогресса, поставившие под угрозу существование человечества на Земле, привели к необходимости предвидения последствий человеческой деятельности во всех странах с целью сохранения биосферы, т.е. жизни на Земле. Поэтому охрана биосферы должна быть заботой всего человечества, живущего на Земле, и как руководителей государств, так и отдельных людей. Для этого каждому надо знать строение биосферы, взаимосвязи происходящих в ней процессов и влияние деятельности человеческого общества на возникающие в биосфере изменения. Выдающийся ученый и мыслитель В.И. Вернадский был уверен, что знание процессов, происходящих в биосфере, и разумная организация жизни и всей деятельности человечества приведут к созданию ноосферы на нашей планете. Однако необходимо отметить, что кроме представлений о неизбежности перехода биосферы в ноосферу, изложенных в учении В.И. Вернадского биосфере, в научном мире существуют и другие взгляды на перспективы развития биосферы.

Общая характеристика биосферы. Биосфера (по В.И. Вернадскому) - оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках - геосферах Земли (литосфера, гидросфера и атмосфера). К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.

Еще со времени Ламарка было известно, что процессы происходящие в геосферах Земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы. Но и само живое вещество, как показал В.И.Вернадский, производит существенное преобразование геосфер. Причем с появлением человечества на Земле это преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня.

Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли. По современным.оценкам сухая масса живого вещества биосферы, составляющая всего 2-3 трлн. т, в тысячу раз меньше массы тропосферы, в десять миллионов раз - массы земной коры и в миллиард раз - массы Земли. Именно ее «ничтожные» размеры длительное время мешали геологам понять исключительную роль жизни на Земле в геологических процессах, на что и обратил внимание В.И.Вернадский.

Распределение массы живого вещества (биомассы) в биосфере крайне неравномерно. На океан приходится лишь 3% суммарной биомассы Земли. Однако вследствие значительно более высокой интенсивности жизненных процессов в океане по сравнению с сушей океан ежегодно производит живое вещество, масса которого составляет более четверти от суммарной продукции биосферы Земли, оцениваемой величиной 230 млрд. т. Несмотря на удивительно малую величину ежегодно производимой на Земле биомассы, накопленное за миллионы лет в осадочных толщах земной коры захороненное органическое вещество и привело к образованию таких полезных ископаемых, как каменные угли, нефть, газ, фосфориты и др.

Фотосинтез и круговорот веществ - основные факторы существования биосферы. Фотосинтез является единственным на Земле процессом, в котором зелеными растениями из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды, минеральных солей) с помощью солнечной энергии в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения. Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, - основа жизни всех других организмов биосферы. Все виды живых существ, обитающие на Земле, используют в конечном счете одну и ту же форму энергии химических связей. Любое проявление жизни на нашей планете связано с образованием и потреблением этой биохимической энергии.

Источник энергии для фотосинтеза (солнечная радиация) и главный инструмент фотосинтеза (живой организм) преобразуют углекислый газ, воду и минеральные соли в биохимическую энергию. Фотосинтезирующие организмы, использующие солнечную энергию для образования органических веществ из неорганических соединений и углекислого газа и называемые автотрофами (самопитающиеся), преобразуют энергию солнечного света в биохимическую энергию, запасая ее в виде энергии химических связей в сложных органических молекулах. Другие организмы биосферы (большинство бактерий, грибы, животные), нуждающиеся для своего роста и развития в готовых органических соединениях, - гетеротрофы, т.е. питающиеся другими организмами.

Кроме фотосинтеза, другим важнейшим для существования жизни процессом в биосфере является круговорот веществ, осуществляемый благодаря наличию в биосфере автотрофов, создающих органические вещества из неорганических, и гетеротрофов, которые используют эти органические вещества и снова превращают их в неорганические соединения, пополняя запас последних в биосфере. Следовательно, фотосинтез и круговорот веществ - это два основных фактора существования биосферы Земли.

Общее понятие о круговоротах веществ в биосфере. Под круговоротом веществ понимают многократное участие химических веществ в процессах, происходящих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех частях геосфер Земли, которые включены в биосферу планеты; При этом рассматривают геологический, биологический (биотический), биогеохимический круговороты, а также круговороты отдельных веществ, например, воды и отдельных химических элементов, в частности, биогенных элементов - углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и др., имеющих важное значение для функционирования биосферы. С точки зрения процессов, протекающих в экосистемах, наибольший интерес для изучения в рамках нашей дисциплины представляет биогеохимический круговорот вещества.

Круговорот энергии в экосистемах. В экологической литературе, наряду с круговоротами вещества, часто рассматриваются круговороты энергии в экосистемах, причем авторы некоторых публикаций, в том числе и учебной литературы, отождествляют круговороты вещества и энергии. Такое представление основывается на том, что движение органического вещества по цепям питания сопровождается направленной передачей биохимической энергии. Однако о круговороте энергии говорить нельзя, поскольку она практически не возвращается от редуцентов к продуцентам. Действительно, как показывают экологические оценки, коэффициент круговорота энергии в экосистемах не превышает 0,25%. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только круговороты веществ в экосистемах.

Круговорот веществ - условие существования жизни. Он возник в процессе становления жизни и усложнялся в ходе эволюции живой природы. Чтобы круговорот веществ в экосистеме был возможен, необходимо наличие в ней организмов-продуцентов, создающих органические вещества из неорганических и преобразующие энергию излучения Солнца, а также организмов, которые используют эти органические вещества и превращают их в неорганические соединения.

Но в любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, если бы они не возобновлялись в процессе жизнедеятельности организмов. В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться автотрофами

Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой природы в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Для круговорота веществ необходим приток энергии извне. Источником внешней энергии является Солнце. Движение вещества, вызываемое деятельностью организмов, происходит, как показано ранее, циклически, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонаправленный характер. Из всего сказанного ясно, что круговорот веществ в биогеоценозе - необходимое условие существования жизни.

Известно, что из более 90 химических элементов, встречающихся в природе, 30-40 необходимы живым организмам – это биогенные элементы. Некоторые из них, такие как С, Н и N, требуются в больших количествах, другие – в малых или даже в минимальных количествах. Какова ни была потребность в них, все элементы участвуют в биогеохимических круговоротах, которые имеют вид кольца, направленного от автотрофов к гетеротрофам и от них снова к автотрофам. Биогенные элементы удерживаются в экосистеме, где они совершают непрерывный круговорот, в котором участвуют как живые организмы, так и физическая окружающая среда. Каждый химический элемент, совершая круговорот, следует по своему особому пути. Однако все элементы попеременно переходят из органической формы в неорганическую и наоборот, и приводятся в движение энергией. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества. Рассмотрим круговороты некоторых биогенных элементов:

Круговорот кислорода. В атмосфере вторым по содержанию после азота является кислород, составляющий 21,5% её по весу. Круговорот кислорода относительно прост: он обладает всеми основными чертами, присущими круговоротам биогенных элементов в системе. В атмосфере находится примерно 1,1х10²¹ г кислорода. Время же круговорота (время переноса) кислорода в атмосфере составляет 2,5 тыс.лет. Свободный кислород в атмосфере расходуется в основном на окисление, дыхание живых организмов. При этом образуется углекислота, которая в процессе фотосинтеза усваивается зелёными растениями и выделяется кислород, поступающий вновь в атмосферу.

Круговорот углерода. Обширные фонды углерода неорганического происхождения – атмосферный диоксид углерода (СО₂), растворённый диоксид углерода. Углекислота и карбонатные отложения – участвуют в круговороте углерода в различной степени.

Растения ежегодно ассимилируют примерно 10⁵х10¹⁵ г углерода. Из которых 32х10¹⁵ г возвращаются в фонд диоксида углерода в результате дыхания растений. Остальной объём обеспечивает дыхание и продукцию животных, бактерий, грибов. Растения ежегодно пропускают через себя от 0,25 до 0,30% углерода, содержащегося в атмосфере и в океанах в виде диоксида углерода и угольной кислоты, и следовательно, весь активный неорганический фонд претерпевает круговорот каждые 300-400 лет. После гибели растений и животных редуценты высвобождают свободный углерод, который поступая в атмосферу и соединяясь с кислородом, образуют вновь СО₂.

Сжигание угля и нефти повышает содержание диоксида углерода в атмосфере. На современном уровне использования ископаемого топлива человеком количество диоксида углерода, добавляемого в атмосферу в результате его сгорания, соответствует примерно 2% всего углерода, ежегодно участвующего в круговороте. Эта величина не слишком большая, однако всё же и это количество превышает то, которое поглощается при фотосинтезе живыми организмами. Наблюдение учёных показали, что содержание диоксида углерода в атмосфере за последнее столетие заметно возросло и следует ожидать, что в будущем оно будет возрастать ещё быстрее. Бесспорно, что человек при этом сдвигает стационарное равновесие экосистемы.

Круговорот азота. Путь прохождения азота через экосистему принципиально отличается от пути углерода. Во-первых, большинство организмов не могут ассимилировать азот. Во-вторых, азот не принимает непосредственного участия в высвобождении химической энергии при дыхании. Главная его роль состоит в том, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, которые создают структуру биологических систем и регулируют их функционирование. В-третьих, биологическое разложение азотсодержащих органических соединений до неорганических форм слагается из нескольких стадий, и некоторые из этих стадий могут осуществляться только специализированными бактериями.

При круговороте азота происходит поэтапный распад органических соединений, в котором участвуют много различных организмов, в результате которого азот в конечном итоге переходит в нитратную форму. Из всех доступных растениям форм, в каких азот содержится в почве, наиболее желательными является аммиак или ион аммония, потому что их превращение в органические соединения требует минимальных химических перестроек.

Биохимические превращения азотсодержащих соединений чрезвычайно разнообразны, потому что азот может соединяться с другими элементами несколькими различными способами. Наиболее важные процессы в круговороте азота – это распад органических азотсодержащих соединений, восстановление нитратов и нитритов до молекулярного азота (N₂) и его высвобождение в атмосферу, а также процесс накопления атмосферного азота путём его фиксации азотфиксирующими организмами.

Круговорот фосфора. Фосфор необходим живым организмам в довольно большом количестве, поскольку он представляет собой один из главных компонентов тканей живых организмов и систем переноса энергии. Считается, что недостаток фосфора ограничивает продуктивность растений во многих водных местообитаниях и что поступление фосфора в реки и озёра сточными водами стимулирует повышение продуктивности водной среды местообитания до нежелательного уровня, например, зарастание водорослями водоёмов.

Круговорот фосфора слагается из следующих этапов: растения ассимилируют фосфор в виде фосфат-ионов непосредственно из почвы или воды; у животных фосфор, избыточно содержащийся в их организмах, выводится в виде фосфатов; некоторые группы бактерий аналогичным образом превращают содержащийся в почве органический фосфор в фосфат. Фосфор поступает в атмосферу в единственной форме – в виде пыли. Поэтому в круговороте фосфора в экосистеме вовлечены только почва и вода.

Биогеохимические циклы. Круговорот веществ - это обмен химическими элементами между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы. Осуществление круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии - важная функция трофических цепей в экосистеме. Если трофическую цепь дополнить редуцентами, превращающими органическое вещество в минеральные неорганические соединения, потребляемые продуцентами в процессе образования органического вещества, то получим замкнутую цепь, по которой происходит направленное циклическое движение химических веществ, т.е. круговорот веществ. Такие круговороты называются биогеохимическими круговоротами, или биогеохимическими циклами.

Следовательно, биогеохимические циклы - круговороты питательных веществ, участниками которых являются как живые, так и неживые компоненты экосистемы. Термин биогеохимические циклы был предложен В.И.Вернадским для обозначения замкнутых (в большей или меньшей степени) путей циркулирования в биосфере химических веществ и элементов, которые сначала поглощаются живым веществом, заряжаясь биохимической энергией, и затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию, с многократным циклическим повторением этих процессов. Движение химических элементов по замкнутым циклам является результатом эколого-физиологической взаимосвязи автотрофов и гетеротрофов по цепям питания. Различные виды организмов непрерывно ищут и поглощают в виде пищи вещества, необходимые им для роста, поддержания жизни и воспроизводства вида.

Заметим, что несмотря на то, что из всех водных компонентов биосферы атмосферная влага содержит наименьшую массу воды (ее объем втрое меньше объема поверхностных вод суши и в 150 тысяч раз меньше объема Мирового океана), она имеет наибольшее значение для осуществления биогеохимических циклов, являясь источником осадков и вовлекая в круговорот химические вещества, в том числе и вредные для природных экосистем загрязнители.

Лекция №6. Атмосфера – основной компонент биосферы.

Геосфера Земли, с которой связана биосфера - это атмосфера (от греч. «атмо» – пар), представляющая собой газовую оболочку Земли, состоящую из азота (78,08% объема), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). На долю остальных газов приходится около 0,01% общего объема атмосферы. С удалением от поверхности Земли плотность атмосферы постепенно уменьшается до высоты около 3 тыс. км, где ее плотность становится равной плотности межпланетного пространства. Обычно атмосферу представляют в виде совокупности слоев - тропосферы, стратосферы и ионосферы. Тропосфера, заключающая в себя около 80% массы всей атмосферы и практически весь водяной пар, простирается до высоты приблизительно 9 км (на полюсах) - 17 км (на экваторе). В нижней части стратосферы, простирающейся от верхней границы тропосферы до высоты около 50 км, располагается озоновый слой, для которого характерно повышенное содержание озона. Концентрация озона на высотах расположения озонового слоя 15-26 км более чем в 100 раз превышает его концентрацию у поверхности Земли.

В качестве верхней границы биосферы принимается нижняя граница озонового слоя, почти полностью поглощающего губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Вот почему часто озоновый слой называют "озоновым щитом", защищающим жизнь на Земле. Здесь будет нелишним заметить, что включение в биосферу нижней атмосферы является несколько условным, так как нахождение организмов в ней на значительных высотах над земной поверхностью в большинстве случаев может быть временным, а истинной средой обитания их служит гидросфера, верхняя часть земной коры и тонкий слой приземной атмосферы.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. На высоте 25-27 км большая часть ультрафиолета поглощает находящийся здесь тонкий слой озона – так называемый озоновый экран. Всё живое, поднимающееся выше этого защитного слоя, погибает. Атмосфера же над поверхностью Земли насыщена многообразными организмами, передвигающимися в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживаются до высоты 20-22 км, но основная часть живых организмов в атмосфере сосредоточена в слое до 1-1,5 км. В горных районах граница распространена наземной жизнью около 6 км над уровнем моря.

Охрана атмосферы. Для защиты воздушного бассейна от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения вредными веществами используют:

- экологизацию технологических процессов;

- очистку газовых выбросов от вредных примесей;

- рассеивание газовых выбросов в атмосферу;

-устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планировочные решения и др.

Наиболее радикальная мера охраны атмосферы от загрязнения - экологизация технологических процессов и в первую очередь создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в воздух загрязняющих веществ. Для уменьшения загрязнения атмосферы автомобильными выхлопами ученые ведут исследования по созданию экологически "чистых" видов транспорта. В частности, делаются попытки замены бензина более "чистым" топливом - метанолом (метиловый спирт), водородом и т.п., а также замены карбюраторных двигателей дизельными, газотурбинными и т.д.

К сожалению, нынешний уровень развития экологизации технологических процессов недостаточен для полного предотвращения выбросов токсических веществ в атмосферу. Поэтому на предприятиях повсеместно используются различные методы очистки газовых выбросов от токсичных веществ и аэрозольных частиц.

Основные загрязнители атмосферы. Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, негативно влияющих на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем. Оно может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным). Естественное вызвано природными процессами. Сюда относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров и др.; антропогенное - выбросы в атмосферу различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своему объему оно зачастую превосходит природное загрязнение.

В зависимости от масштабов распространения выделяют местное, региональное и глобальное типы загрязнений атмосферы. Первое характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.); при втором в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета; третье связано с изменением состояния атмосферы в целом.

По агрегатному состоянию выбросы веществ в атмосферу классифицируются на: газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.); твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).

Главные загрязнители воздуха (поллютанты) образуются в процессе производственной и иной деятельности человека; это диоксид серы (SО₂), оксид углерода (СО) и твердые частицы; на их долю приходится около 98% от общего объема выбросов вредных веществ в атмосферу. Суммарный мировой выброс в атмосферу этих загрязнителей составил в 1990 г. - 401 млн. тонн. Помимо них, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ.

Другой формой загрязнения атмосферы является локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников. Признаком этого являются так называемые термические зоны, например, "остров тепла" в городах, потепление водоемов и т.п.

В настоящее время в основном загрязняют атмосферный воздух такие предприятия, как тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные и др., по производству черной и цветной металлургии, стройматериалов, по нефтедобыче и нефтехимии, автотранспорт.

В развитых промышленных странах Запада, например, основное количество выбросов вредных веществ приходится на автотранспорт (50-60%), тогда как на долю теплоэнергетики значительно меньше, всего 16 - 20%.

Тепловые электростанции. Котельные установки. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выбрасывается дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. При переводе установок на жидкое топливо (мазут) снижаются выбросы золы, но практически не уменьшаются выбросы оксидов серы и азота. Наиболее чистым является газовое топливо, которое загрязняет атмосферный воздух в три раза меньше, чем мазут и в пять раз меньше, чем уголь.

Крупный источник энергетического загрязнения атмосферы - отопительная система жилищ (котельные установки) – выделяет продукты неполного сгорания. Из-за небольшой высоты дымовых труб токсичные вещества в высоких концентрациях рассеиваются вблизи котельных установок.

Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тонны стали в атмосферу попадает 0,04 тонн твердых частиц, 0,03 тонн оксидов серы и до 0,05-тонн оксида углерода. Заводы цветной металлургии сбрасывают в атмосферу соединения марганца, свинца, фосфора, мышьяка, пары ртути, парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных веществ.

Химическое производство. Выбросы предприятий данной отрасли невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее ввиду своей весьма высокой токсичности, разнообразия и концентрированности представляют значительную угрозу для всей биоты. Атмосферный воздух загрязняется оксидами серы, соединениями фтора, аммиаком, нитрозными газами (смесь оксидов азота), хлористыми соединениями, сероводородом, неорганической пылью и т.д.

Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько сотен миллионов автомобилей, которые сжигая огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняют атмосферный воздух (особенно крупных городов). Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (в большей степени, карбюраторных) содержат такие токсичные соединения, как бенз(а)пирен, альдегиды, оксиды азота и углерода и соединения свинца (в случае применения этилированного бензина). Правильная регулировка топливной системы автомобилей позволяет снизить количество вредных веществ в специальные нейтрализаторы (каталитические дожигатели) - уменьшить токсичность выхлопных газов в 6 и более раз.

Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха происходит также при добыче и переработке сырья на нефте- и газоперерабатывающих заводах, при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) и т.д. В сельских районах очагами загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, распыление пестицидов и т.д.

Физико-химические методы очистки воздуха. Наиболее распространены адсорбционные, абсорбционные и каталитические методы очистки газов. Санитарная очистка промышленных газов включает в себя очистку от СО₂, СО, оксидов азота, SО₂ и от взвешенных частиц.

Очистка газов от СО_2:

а) абсорбция (поглощение) водой, растворами этаноламинов и холодным метанолом; б) поглощение цеолитами. Углекислый газ избирательно поглощается цеолитами (молекулярные сита), поэтому их используют для извлечения СО₂ из природного газа и удаления продуктов жизнедеятельности человека (влаги и СО₂) в современных экологически изолированных системах (космические корабли, подводные лодки и т.д.).

Очистка газов от СО:

а) дожигание на катализаторах; б) конверсия водяным паром: СО + Н₂О --> С0₂ + Н₂.

Очистка газов от оксидов азота: а) окислительные методы очистки основаны на реакции окисления оксидов азота с последующим поглощением их водой с образованием НNО₃; б) восстановительные каталитические методы очистки основаны на восстановлении оксидов азота до нейтральных продуктов в присутствии катализаторов или под действием высоких температур в присутствии восстановителей; в) сорбционные методы очистки включают абсорбцию оксидов азота водными растворами щелочей и известью, адсорбцию оксидов азота твердыми сорбентами (уголь, торф, силикагели, цеолиты и т.д.).

Очистка газов от SО₂ осуществляется аммиачным, нейтрализационным и каталитическим методами.

Очистка газов от взвешенных частиц (пыли) происходит с помощью специальных фильтров (фильтры Петрянова), скрубберов, циклонов и т.д.

Лекция №7. Гидросфера – один из главных компонентов биосферы.

Гидросфера (от греч. «гидро» – вода) -эта геосфера представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледников. Она образует прерывистую водную оболочку Земли, занимающую более 70% ее поверхности. Масса гидросферы распределена крайне неравномерно: 98,3% ее составляет Мировой океан, 1,6% связана в материковых льдах и лишь 0,1% приходится на воды материков.

Мировой океан, являющийся основной частью гидросферы, служит средой обитания огромного количества самых разнообразных представителей растительного и животного мира и мира микроорганизмов. Все морские организмы делят на три большие группы: планктон, нектон и бентос. Планктон (от греч. путешествующий) - самая большая по числу видов группа организмов, включающая в себя растения и животных, не способных самостоятельно передвигаться, «парящих» в толще воды и перемещаемых течениями. Планктон подразделяют на фито- и зоопланктон. Основная масса фитопланктона сосредоточена в поверхностном (50-80-метровом) слое воды океанов, где достаточно для фотосинтеза солнечного света. К нектону (от греч. плавающий) относятся животные, способные самостоятельно передвигаться в воде (рыбы, водные млекопитающие, кальмары и др.). Организмы, прикрепленные ко дну водоемов, ползающие по нему и зарывающиеся в него, относят к бентосу ( от греч. глубинный), который подразделяется на фитобентос (разнообразные многоклеточные водоросли) и зообентос (губки, черви, моллюски и другие беспозвоночные).

Масса живого вещества в гидросфере распределена крайне неравномерно. Наибольшую биомассу имеет фитопланктон, области концентрации которого занимают около 10% площади Мирового океана и в основном расположены на шельфах. Так как для большинства представителей нектона и зообентоса фитопланктон является основным или единственным источником пищи, распределение областей их концентрации приурочено к ареалам фитопланктона.

Роль воды во всех жизненных процессах общеизвестна. Например, человек без воды не может прожить более 8 суток, а за год он на свои нужды расходует около 1 тонны воды. Основной потребитель пресной воды - сельское хозяйство: она идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов и т.п. Для выращивания 1 т пшеницы необходимо воды 1500 т, 1 т риса - 7000 т, 1 т хлопка -10 000 т.

Вода необходима практически всем отраслям промышленности. На производство 1 т чугуна требуется воды 50 -150 т, 1 т пластмасс - 500 -1000 т, 1 т цемента - 4500 т, 1 т бумаги - 100 000 т. На электростанциях мощностью 300 тыс. кВт расход воды составляет 300 млн. т/год.

Перечисленные производства потребляют только пресную воду. Расчеты же показывают, что пресная вода на планете составляет всего 2,5% от всех запасов воды, 85% - соленая вода морей и океанов, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды на Земле распределены крайне неравномерно: 72,2% - льды; 22,4% - грунтовые воды; 5,05% - устойчивый сток рек и вода озер; 0,35% - атмосферная вода. В свою очередь, на долю пресной воды, которую человечество может использовать, приходится всего 10~²% пресной воды на Земле.

Основными источниками загрязнения природных вод являются:

1. Атмосферные воды, несущие массы вымываемых из воздуха поллютантов промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно увлекают с собой массы веществ;

2. Городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, детергенты (поверхностно-активные моющие средства), микроорганизмы, в том числе патогенные;

3. Промышленные сточные воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях производства, среди которых наиболее активно потребляют воду чёрная металлургия, химическая, нефтеперерабатывающая промышленность. С развитием промышленности и увеличением потребления воды растёт и количество жидких отходов – сточных вод.

Основные виды загрязнения вод. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение, значительно реже - радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.), которые могут значительно ухудшать органолептические показатели воды. Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или техническими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведёт к размножению анаэробных бактерий и выделению ядовитых газов – сероводорода и метана. Одновременно происходит «цветение» воды.

Методы очистки сточных вод. Загрязненные сточные воды - это воды, которые в процессе использования засоряются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также те, которые проходят очистку при норме, ниже установленной органами по охране окружающей среды. Сброс таких вод вызывает ухудшение качества воды в водном объекте.

Очистка промышленных стоков - это комплекс различных методов. Наиболее широко используется комбинация механической, реагентной (химической) и биохимической очисток.

1. Механическая очистка стоков включает в себя: отстой сточных вод
в специальных отстойниках, в результате которого происходит осаждение
взвешенных в воде частиц; сбор нефтепродуктов и других нерастворимых в воде жидкостей с поверхности воды в отстойниках; фильтрацию воды через слой песка толщиной 1,5 - 2 м.

2. Реагентная (химическая) очистка - химическая очистка сточных вод путем обработки их реагентами, которые нейтрализуют загрязняющие вещества и переводят их в нетоксичную или малорастворимую форму.

3. Биохимическая очистка. Аэробная биохимическая очистказаключается в минерализации органических веществ промышленных или бытовых стоков окислением их в присутствии аэробных микроорганизмов (минерализаторов). При этом микроорганизмы используют загрязняющие воду вещества в качестве продуктов питания. Процесс очистки проходит в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода. Чаще всего источником аэробных бактерий служит так называемый активный ил.

В основе анаэробной биохимической очистки лежит метановое брожение, осуществляемое в присутствии метанообразующих бактерий. В качестве продуктов брожения получаются газ, состоящий из метана (65%) и СО₂ (33%), и осадок, который уплотняют, сушат и затем используют как удобрение или если есть токсичные примеси, сжигают.

Эффективность биохимической очистки на самых современных установках 90% по органическим веществам и лишь 20-40% по неорганическим, так как в результате нее практически не снижается солесодержание воды.

4. Обеззараживание воды. Последней стадией подготовки воды для питьевых нужд является ее обеззараживание– уничтожение в ней болезнетворных микроорганизмов с помощью хлора, фтора или озона. Через воду могут распространяться такие страшные инфекционные заболевания, как холера, брюшной тиф, гепатит и т.п. Долгие годы обеззараживание воды осуществляли хлорированием. Однако при взаимодействии хлора с ароматическими соединениями, содержащимися в воде, образуются полихлорированные бифенилы. Окисляясь, они превращаются в диоксины - яды. Учитывая этот факт, в 80-е гг. во многих странах перешли к обработке воды фтором, однако оказалось, что это не менее вредно, чем хлорирование. В настоящее время наиболее перспективным и безвредным считается обеззараживание воды озоном (0₃).

5. Очистка воды от солей (деминерализация воды). Вода питьевого качества должна содержать солей не более 1000 мг в литре, из них: хлоридов не более 350 мг/л и сульфатов не более 500 мг/л. Существует несколько методов деминерализации природных и сточных вод:

- дистилляция (выпаривание); при кипячении сточной воды в пар переходит вода и летучие органические вещества, а минеральные и органические соли остаются в кубе. Основной недостаток этого метода - большой расход энергии - 0,080 ГДж/т. По этой причине самые мощные выпарные установки сооружают на предприятиях атомной энергетики, имеющих дешевую тепловую энергию.

- вымораживание; при кристаллизации воды, содержащей соли, в первую очередь выделяются кристаллы пресного льда. По сравнению с дистилляцией вымораживание имеет энергетические, технологические, конструкционные преимущества;

- мембранные методы основаны на свойстве полупроницаемых мембран (синтетические полимерные пленки) избирательно пропускать через себя молекулы воды, но задерживать растворенные в ней соли и органические вещества. К ним относят электродиализ и ультрафильтрацию (обратный осмос). Электродиализ – метод деминерализации и концентрирования растворов, основанный на направленном переносе ионов солей в поле постоянного тока через полупроницаемую мембрану. За рубежом этот метод получил широкое распространение для обессоливания морской воды. Например, в Ливии функционирует установка производительностью 20 тыс. м³/сутки, в США - 400 тыс. м³/сутки.

Метод обратного осмоса базируется на очистке водных растворов путем их фильтрации через полупроницаемую мембрану под давлением 6-8 МПа. Процесс характеризуется относительно небольшими затратами энергии. За рубежом освоено производство подобных установок производительностью до 1 тыс. м³/сутки;

- ионный обмен основан на избирательном поглощении ионов, содержащихся в воде, в слое ионита и является основным для приготовления глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысокого и критического давления. Кроме того, он используется в водооборотных циклах на предприятиях для концентрирования и
извлечения из сточных вод ценных компонентов (например, ионов тяжелых металлов). Широкое применение этот метод нашел и в практике смягчения воды, т. е. избавления ее от солей постоянной жесткости.

6. Удаление остаточных органических веществ. После очистки в сточных водах могут остаться органические вещества. Лучший способ их удаления - адсорбция активированным углем. Для этого воду пропускают через колонки с активированным углем (время контакта 20-40 мин). Адсорбция эффективна для большинства органических соединений и используется для очистки бытовых стоков от жидких отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений. Метод позволяет очистить сточные воды до биологической потребности в кислороде менее или равно 1 мг 0₂/л (меньше нормы по ГОСТ).

Лекция №8. Литосфера и ее рациональное использование.

Литосфера. В современном понимании литосфера (от греч. литос - камень) - верхняя твердая оболочка Земли, толщина которой колеблется в пределах 50-200 км. Верхняя часть литосферы образует земную кору, а нижняя - верхнюю часть мантии Земли. Земная кора, представляющая собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку планеты, состоит из трёх слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Осадочный слой в основном сложен осадочными породами (глинами, песчаниками, известняками, доломитами, гипсами и др.), образовавшимися на поверхности Земли в основном в результате отложения продуктов выветривания и разрушения более древних пород, химического и механического выпадения осадка из воды, а также продуктов жизнедеятельности организмов. Мощность осадочного слоя крайне изменчива: в одних местах он отсутствует, в других - достигает толщины 20-25 км. Общий объем этого слоя составляет около 10% от объема всей земной коры, причем основная часть слагающих его пород приходится на материки и шельфы океанов.

С точки зрения концентрации живого вещества биосферы особый интерес представляет почвенный слой, толщина которого в различных ландшафтных и климатических зонах изменяется в широких пределах (от нескольких сантиметров до 1-1,5 м). Практически вся растительность суши, а следовательно и весь ее животный мир связаны с почвой как необходимым источником пищи. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечить необходимые условия для жизни растений. Большое значение в плодородии почв играет гумус, состоящий преимущественно из продуктов биохимического разложения отмерших остатков организмов. Почва является местом обитания огромного количества микроорганизмов, водорослей, простейших, насекомых, червей и других беспозвоночных животных и большого количества позвоночных животных.

Нижняя граница биосферы проходит в самой верхней части земной коры. Вглубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние (лишь до глубины в несколько десятков метров)– жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 15 км превышает уже 100 ⁰С. С подземными водами микроорганизмы распространяются до глубин 2-3 км, хотя известны случаи обнаружения микроорганизмов в нефтяных водах и нефти, добытых при бурении скважин с глубин более 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2-2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве. В Мировом океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности, т.к. температура там около 0 С.

Охрана литосферы включает в себя защиту почв о т деградации и потерь в результате водной и ветровой эрозии, заболачивания, засоления, загрязнения, необоснованного изъятия их из сельскохозяйственного оборота и т.п. В понятие "охрана литосферы" входит также утилизация отходов, охрана и рациональное использование недр, рекультивация нарушенных территорий, защита массивов горных пород и т.п.

Почва – один из важнейших компонентов окружающей среды. Основные виды антропогенного воздействия на почву следующие:

· эрозия (ветровая и водная);

· загрязнение;

· вторичное засоление и заболачивание;

· опустынивание;

· отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.

Большое значение имеет защита почв от эрозии. Эрозия почв - разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Серьёзную опасность для почв представляют пыльные бури, которые уничтожают пахотный слой на десять и более сантиметров. Основные мероприятия по борьбе с последствиями пыльных бурь включают выращивание лесозащитных полос, а также коренное изменение технологии возделывания с/х культур, в частности, переход на безотвальную технологию распашки для повышения противоэрозийной устойчивости почвы. Систематическое внесение удобрений в резко повышенных дозах может вызывать серьёзные нарушения в круговороте питательных веществ между почвой и другими компонентами природной среды.

Твердые отходы и методы их утилизации. Основные виды загрязнения литосферы - твердые бытовые и промышленные отходы. На одного жителя в городе в среднем приходится в год примерно по 1 тонне твердых отходов, причем этот показатель ежегодно растет. Рассмотрим основные методы охраны окружающей среды от твердых бытовых и промышленных отходов, но прежде познакомимся с такими основными понятиями, как:

утилизация отходов (от лат. — полезный) -вовлечение отходов в новые технологические циклы и дальнейшее их хозяйственное использование, утилизация промышленных отходов, их использование в качестве вторичного сырья, топлива, удобрений и т. п.;

реутилизация -повторная, иногда многократно-последовательная переработка образовавшихся ранее отходов;

захоронение отходов - помещение их под землю в специально созданные выемки, брошенные угольные шахты и др. в целях исключения возможности их дальнейшего использования и предотвращения попадания загрязняющих веществ в окружающую среду;

детоксикация (обезвреживание) отходов -освобождение их от вредных (токсичных) компонентов на специализированных установках.

В настоящее время и по масштабам накопления, и по степени негативного воздействия на окружающую среду экологической проблемой века стали твердые отходы. Поэтому их сбор, удаление, детоксикация, переработка и утилизация - одна из главнейших задач инженерной защиты окружающей природной среды. Важна защита среды обитания и от обычных, т.е. нетоксичных отходов. На урбанизированных территориях размещение отходов уже сейчас имеет первостепенное значение среди экологических проблем.

Рассмотрим, как в современный период осуществляют защиту окружающей среды от твердых бытовых и промышленных отходов, а также от радиоактивных и диоксинсодержащих отходов. В отечественной и мировой практике наибольшее распространение получили следующие методы переработки твердых бытовых отходов (ТБО):

- строительство полигонов для захоронения и их частичной переработки;

- уничтожение на мусоросжигающих заводах;

- компостирование (с получением ценного азотного удобрения или биотоплива);

- ферментация (получение биогаза из животноводческих стоков и др.);

- предварительная сортировка, утилизация и реутилизация ценных компонентов;

- пиролиз (высокомолекулярный нагрев без доступа воздуха) ТБО при температуре -1700°С.

По оценке ряда специалистов на данной стадии развития производства, которое в целом характеризуется преобладанием ресурсопотребляющих технологий и огромным накоплением отходов, наиболее приемлемым методом следует признать строительство полигонов для организованного и санкционированного хранения отходов и частичной их переработки (в основном методом прямого сжигания). Конструктивные схемы допускают высоту таких полигонов до 60 м и послойное его заполнение с помощью бульдозеров, для чего устраивают пологий внешний откос. При определенных условиях (инертность, слабая токсичность) совместно с ТБО могут складироваться и промышленные отходы. Особое внимание обращают на гидроизоляцию полигонов, чтобы исключить попадание загрязняющих веществ в подземные воды. Срок полного обезвреживания отходов - 50 -100 лет.

Один из перспективных методов переработки твердых бытовых пищевых обходов - их компостирование с аэробным окислением органического вещества. Полученный компост используют в сельском хозяйстве, а некомпостируемые бытовые отходы поступают в специальные печи, где термически разлагаются и превращаются в разные ценные продукты.

Другой метод переработки ТБО - уничтожение их на мусоросжигающих заводах. Сжигание отходов в них происходит при температуре 800 - 850°С. Вторая стадия газовой очистки отсутствует. В золе отработанных отходов отмечается повышенная концентрация диоксинов (0,9 мкг/кг и более). С каждого кубометра сжигаемых отходов в атмосферу выбрасывается 3 кг ингредиентов (пыль, сажа, газы) и остается 23 кг. золы.

На зарубежных мусоросжигающих заводах реализуется более экологичная двустадийная очистка отходящих газов, регламентируется очистка более десяти вредных компонентов, включая дибензодиоксин и дибензофурамы. Режим сжигания предусматривает разложение отходов, в том числе образующихся из пластмасс диоксинов при температуре 900 - 1000'С. До сжигания проводится предварительная сортировка твердых отходов, что на порядок снижает содержание вредных веществ в шлаках.

На заводах по пиролизу ТБО при температуре 1700°С практически утилизируются все материальные и энергетические компоненты, что резко снижает загрязнение окружающей среды. Однако технологический процесс очень трудоемкий, по существу завод по пиролизу - это доменная печь.

К новейшим разработкам относится технология комплексной переработки ТБО. Она предусматривает предварительную механизированную сортировку ТБО (извлечение черных и цветных металлов, выделение части балластных компонентов - стеклобоя, бытовых электробатареек, выделение текстильных компонентов и др. для последующего их использования или ликвидации).

Термообработка обогащенной и подсушенной фракции мусора осуществляется при температуре до 1000°С, обогащенные шлаки перерабатываются и сжигаются в камни строительного назначения, предусматривается двустадийная современная газоочистка.

Мусороперерабатывающий завод нового типа, функционирующий по данной комбинированной технологии, дает всего 15 % отходов.

И все же следует подчеркнуть, что и у нас в стране, и за рубежом основная масса ТБО из-за нехватки полигонов вывозится в пригородные зоны и выбрасывается на свалки. Экологическое состояние свалок явно неудовлетворительное: отходы на них разлагаются, часто загораются и отравляют воздух токсичными веществами, а дождевые и талые воды, просачиваясь через толщу горных пород, загрязняют грунтовые воды.

Лекция №9. Качество природной среды и здоровье населения.

Устойчивое развитие - форма развития общества, которая удовлетворяет потребности ныне живущих и не ограничивает будущие поколения в обеспечении своего существования, что предполагает наряду с рациональным природопользованием уменьшение личных и социальных нужд до жизненно необходимого уровня.

Данное понятие впервые использовано во всемирной стратегии охраны природы. В 1986г. в рамках Международной геосферно-биосферной программы была сформулирована цель стратегии устойчивого развития - выработка основных путей и приспособления к глобальным изменениям. В ООН создана Комиссия по устойчивому развитию.

"Демографический взрыв" как ведущий фактор возникновения глобальных проблем человечества. Вопрос о характере изменения численности людей на Земле является одним из глобальных вопросов, волнующих человечество. Дело в том, что масштаб практически всех экологических бедствий зависит от того, сколько людей живет, жило и будет жить на Земле.

Отрицательное воздействие на окружающую природную среду оказывают все страны мира: и богатые (промышленно развитые), и бедные (аграрные). Влияние первых в основном связано с техногенными загрязнениями (проживающие в этих странах 20 - 25% мирового населения выбрасывают в среду около 80% загрязнений) и порождаемыми ими экологическими проблемами: кислотные дожди, глобальное потепление и т.д.; вторых - с прямым уничтожением природы: сведением лесов, исчерпанием природных ресурсов и т.п.

Население мира превысило уже 6 млрд. и увеличивается сегодня на 250 тыс. человек ежедневно, 1 млн. 750 тыс. каждую неделю, 7,5 млн. в месяц, 90 млн. в год. По данным ООН, основной прирост населения нашей планеты приходится на развивающиеся страны. Распределение плотности населения на Земном шаре весьма неравномерно, это ярко проявляется даже в пределах одной страны из-за концентрации населения в городах.

Быстрый рост населения в развивающихся странах резко обостряет экологические и социальные проблемы. Жители развивающихся стран составляют три четверти населения планеты, а потребляют они всего одну треть общемировой продукции, причем разрыв в потреблении на душу населения продолжает увеличиваться.

Долгое время в описании демографического развития господствовали теории (примером может служить широко известная теория Т.Мальтуса, согласно которой рост численности населения происходит по закону геометрической прогрессии (производство продовольствия при этом растет в арифметической прогрессии)), предполагающие, что скорость увеличения числа людей на Земле пропорциональна числу людей N (так называемая кинетика первого порядка). По такому закону, например, происходит размножение бактерий в ограниченной по объему питательной среде. Рост числа бактерий идет сначала медленно (скорость процесса прямо пропорциональна числу бактерий), но со временем все больше и больше ускоряется и, наконец, приобретает характер "взрыва". Постепенно микроорганизмы пожирают окружающую среду и начинают задыхаться.в собственных отходах. С этого момента рост "народонаселения" замедляется, а затем вся микробная "цивилизация" переходит "в мир иной". Такая "экологическая катастрофа" происходит всякий раз при спиртовом брожении, например, вина. При достижении 11-13% спирта бактерии, вырабатывающие ферменты брожения, погибают. Именно поэтому крепость всех сухих вин ограничена этими цифрами. В десертные (крепленые) вина спирт добавляют. Данная схема развития присуща любой цивилизации, паразитирующей на окружающей среде.

Статистические данные вроде бы подтверждают экспоненциальный рост народонаселения, есть основания говорить о "демографическом взрыве" — беспрецедентно быстром росте народонаселения мира. Однако в последние годы в связи с развитием идей и методов синергетики (науки о самоорганизации так называемых открытых систем, способных обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией) появились новые модели, описывающие демографический кризис и законы развития человечества. Согласно этим представлениям, демографическая среда может рассматриваться как открытая и эволюционирующая система.

Воздействие загрязнения среды на здоровье человека. Ранее отмечалось, что из вредных химических веществ, регулярно попадающих в организм человека, около 70% поступает с пищей. Попадая в организм человека в основном с продуктами животного и растительного происхождения, загрязняющие вещества накапливаются в организме постепенно, проявляя патологическое действие, которое своему характеру может быть:

1) общетоксическим с преимущественным поражением центральной нервной системы, нарушением метаболических (обменных) процессов, пищеварения и усвоения пищевых веществ;

2) иммуномодулирующим, проявляющимся как способность вызывать опасные отдаленные последствия (канцерогенное, мутагенное, аллергенное, тератогенное, эмбриотоксическое).

Кратко поясним смысловое содержание использованных здесь медицинских терминов. Канцерогенное (от лат. канцер - рак и греч. генос происхождение) действие проявляется в онкологических (раковых) заболеваниях, связанных с возникновением в организме злокачественных новообразований (опухолей). Мутагенное действие вызывает нарушения (мутации) генной структуры клеток, проявляющиеся в рождении детей с уродствами либо с генетическими болезнями. Аллергенное действие означает способность некоторых веществ вызывать в организме аллергию, т.е. измененную реактивность организма к их повторным воздействиям, проявляющуюся в виде различных аллергических заболеваний (крапивница, астма и др.). Эмбриотоксическое действие проявляется в отравляющем воздействии на плод в период беременности матери с разнообразными неблагоприятными последствиями.

Медико-биологические исследования воздействий загрязнения на здоровье человека показывают, что большинство исследованных химических веществ вызывают комплексные вредные воздействия на организм человека. Например, многие пестициды наряду с общетоксическим действием проявляют и сильные канцерогенное и мутагенное воздействия, вызывая отдаленные патологические последствия как в самом организме, так и в его потомстве. Радиационное загрязнение также приводит к комплексу патологических изменений в организме, вызывая одновременно, например, раковые заболевания кожи и лучевую болезнь. Такое сложное воздействие загрязнений окружающей среды привело к необходимости нормирования качества среды, т.е. к определению норм или пороговых уровней, различных негативных воздействий, при которых они могут считаться относительно безвредными для здоровья.

Нормирование качества среды. Под качеством окружающей среды в широком смысле принято понимать степень соответствия природных условий потребностям людей или других живых организмов. В настоящем разделе рассматривается качество среды жизни человека (в узком смысле), определяемое как совокупность условий состояния среды обитания, обеспечивающих соответствие среды жизни человека его потребностям, которое отражается средней продолжительностью жизни, смертностью и рождаемостью, уровнем заболеваемости населения и др. В частности, качество воды определяется совокупностью физических, химических, биологических и бактериологических показателей, обусловливающих пригодность ее для использования в производственных, бытовых и других целях

Нормирование качества среды - это установление предельных значений показателей качества, в которых допустимо изменение этих показателей. Нормирование качества среды обитания сводится к нормированию качества воды (питьевой или для полива земель), качества воздуха (атмосферного или в жилых и производственных помещениях) и качества почвы. При этом вводятся нормы безопасных для здоровья человека уровней воздействий техногенных факторов (химического, радиационного и других видов загрязнения) раздельно для воздуха, воды и почвы.

Санитарно-гигиенические нормативы. Для учета влияния химического загрязнения на здоровье человека введены различные международные и национальные нормы или нормативы. Норма загрязнения - это предельная концентрация содержания вещества в среде, допускаемая нормативными актами. Санитарно-гигиенические нормативы - совокупность показателей санитарно-гигиенического состояния компонентов окружающей среды (воздуха, воды, почвы и др.), определяемых величиной уровней их загрязнения, непревышение которых обеспечивает нормальные условия жизни и безопасность для здоровья. Санитарно-гигиенические нормативы загрязнения используются для управления качеством окружающей среды, что позволяет снизить их воздействие на здоровье человека и заболеваемость населения до приемлемого уровня.

Наибольшее распространение в мире получили нормативы ВОЗ. В нашей стране статус государственных стандартов в этой области получили предельно-допустимые концентрации (ПДК), определяющие максимальный уровень присутствия химических загрязняющих веществ в воздухе, воде или почве. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) - санитарно-гигиенический норматив, определяемый как максимальная концентрация химических веществ в воздухе, воде и почве, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни не оказывает вредного влияния на здоровье человека и его потомства. Различают ПДК максимально разовые и среднесуточные, ПДК для рабочей зоны (помещения) или для жилой зоны. Причем ПДК для жилой зоны устанавливается меньше, чем для рабочей зоны, так как в ней находятся наиболее уязвимые дети и старики.

Определение ПДК - дорогостоящая и долговременная медико-биологическая и санитарно-гигиеническая процедура. Первый перечень ПДК для 120 вредных веществ был утвержден Минздравом СССР в 1971 году. В настоящее время общее количество веществ, для которых определены ПДК, незначительно превышает одну тысячу, в то время как вредных веществ, с которыми человек имеет дело на протяжении жизни, на порядок больше.

Интегральные нормативы качества. Если бы в компонентах окружающей среды оказалось только по одному загрязняющему веществу, то норматив в виде ПДК был бы вполне достаточным, чтобы обеспечить приемлемое качество среды. Однако в реальных условиях в воде, воздухе или почве одновременно присутствует большое количество различных загрязняющих веществ, что делает использование ПДК для контроля качества среды недостаточным. Поэтому на практике применяют различные интегральные нормативы качества, позволяющие учитывать одновременное присутствие в компонентах среды, по крайней мере, нескольких загрязняющих веществ, которые в наибольшей степени определяют (ухудшают) ее качество. Такие вещества, либо относящиеся к наиболее опасным для здоровья, либо присутствующие в среде в очень больших концентрациях, называют приоритетными загрязнителями.

Примерами интегральных нормативов являются широко используемые в отечественной природоохранной практике индексы загрязнения атмосферного воздуха и воды. В частности, один из индексов загрязнения атмосферы учитывает до шести приоритетных загрязнителей. Другим примером применения интегральных нормативов является использование методов биоиндикации, основанных на определении степени воздействия комплексного загрязнения на условия существования микроорганизмов, рыб и других видов живых организмов. Известен, например, швейцарский опыт применения некоторых видов форели, которые могут жить только в чистой воде горных рек, для контроля качества питьевой воды. В качестве также широко используемого интегрального норматива можно назвать так называемый норматив ЛД-50 (летальная доза загрязнения, при которой в единицу времени погибает 50% испытуемых особей вида-индикатора). Последний норматив учитывает даже не несколько приоритетных загрязнителей, а весь комплекс присутствующих в компонентах среды загрязнителей.

Предельно-допустимые выбросы и сбросы. Для управления качеством среды в отечественной практике разработан и широко применяется еще один вид санитарно-гигиенических нормативов - предельно-допустимый выброс (ПДВ) загрязнителей в атмосферу и предельно-допустимый сброс (ПДС) в водоемы и в почву. Предельно-допустимый выброс (сброс), устанавливаемый государственными органами охраны окружающей природной среды, определяет предельную массу выбрасываемых в окружающую среду конкретных загрязнителей для каждого стационарного либо передвижного источника загрязнения. Расчет величины ПДВ (или ПДС) проводится при условии, чтобы ни в одной точке территории (или в створе реки) концентрация каждого загрязняющего вещества, обнаруживаемого в воздухе (или в водоеме), не превысила величину ПДК для этого загрязняющего вещества. Расчеты ПДВ выполняются для каждого населенного пункта и являются обязательными для всех предприятий.

Безотходные и малоотходные производства. Термин "безотходная технология" впервые был предложен российскими учеными Н.Н. Семеновым и И.В. Петряновым-Соколовым в 1972 г. (в ряде стран Западной Европы вместо терминов "мало- и безотходная технология" применяется "чистая или более чистая технология". Безотходная технология есть практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы в рамках потребностей человека обеспечить наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии и защитить окружающую среду.

В определении безотходной технологии подразумевается не только производственный процесс. Это понятие затрагивает и конечную продукцию, которая должна характеризоваться:

- долгим сроком службы изделий;

- возможностью многократного использования;

- простотой ремонта;

- легкостью возвращения в производственный цикл или перевода в экологически безвредную форму после выхода из строя.

Теория безотходных технологических процессов в рамках основных законов природопользования базируется на двух предпосылках: 1) исходные природные ресурсы должны добываться один раз для всех возможных продуктов; 2) создаваемые продукты после использования по прямому назначению должны относительно легко превращаться в исходные элементы нового производства.

Схема такого процесса: спрос - готовый продукт - сырье. Но каждый этап данной схемы требует затрат энергии, производство которой связано с потреблением природных ресурсов вне замкнутой системы. Вторым препятствием полной замкнутости процесса является износ материалов, их рассеивание в окружающей среде. Например, долгое, на протяжении многих столетий, использование таких металлов, как серебро, свинец, цинк, медь и др., и их рассеивание в процессе применения привели к тому, что сроки их добывания из земных недр составляют, согласно своду международных прогнозов "Мир в 2000 году", всего 10-20 лет.

Понятие безотходной технологии условно. Под ним понимается теоретический предел или предельная модель производства, которая в большинстве случаев может быть реализована не в полной мере, а лишь частично (отсюда малоотходная технология). Но с развитием современных наукоемких технологий безотходная технология должна быть реализована все с большим приближением к идеальной модели.

Критики концепции безотходного производства, ссылаясь на второй закон термодинамики, утверждают, что как энергию нельзя полностью перевести в работу, так и сырье невозможно полностью переработать в продукты производства и потребления. С этим нельзя согласиться,

поскольку речь идет, прежде всего, о материи и о Земле как открытой системе, а материю - продукцию - в соответствии с законом сохранения вещества и энергии всегда можно преобразовать снова в соответствующую продукцию. Примерами служат безотходно функционирующие природные экосистемы.

Имеется и другая крайность, когда все работы, связанные с охраной окружающей среды от промышленных загрязнений, относят к безотходной и малоотходной технологиям. Необходимо помнить, что оценка степени безотходности производства - очень сложная задача, и единых критериев для всех отраслей промышленности нет.

Для точного определения степени безотходности необходимо введение поправки на токсичность отходов. Невозможно сопоставлять только по массе, например, отходы рядового производства и отработанные растворы гальванических цехов. Для сравнительного анализа различных технологических схем однотипных производств, выпускающих продукцию одного и того же вида, на стадии их проектирования вполне может быть использован поправочный коэффициент на токсичность отходов.

Для расчета энергетических затрат следует рассматривать энергоемкость продукции с учетом коэффициентов безотходности. Только в этом случае можно получить объективный показатель безотходности рассматриваемого производства. Масштабы загрязнения окружающей среды при производстве электроэнергии на ТЭС часто таковы, что могут свести к минимуму те экологические преимущества, которые удается достичь при совершенствовании основного производства.

Лекция №10. Глобальные экологические проблемы.

Глобальный экологический кризис распространяется или уже распространился на всю нашу планету Земля. Поэтому традиционные методы выхода из кризисных ситуаций уже не годятся. Неправильное же решение проблем может привести к гибели всего человечества. Следует принципиально изменить способы производства, нормы потребления и объемы использования природных ресурсов, т.е. перейти к рациональному природопользованию. За изменениями в биосфере, отрицательными и положительными, необходимо вести постоянные наблюдения. Рациональное природопользование, как и любая хозяйственная деятельность, невозможны, если они не будут экономически стимулированы.

Впервые, на самом высоком уровне, в 1992 году на состоявшейся в Рио-де-Жанейро Конференции ООН по окружающей среде и развитию, учеными всего мира единогласно была констатирована актуальность угрозы глобальной экологической катастрофы, связанной с разрушением сложившегося в течение ок. пяти миллиардов лет (примерный возраст Земли) экосистемного равновесия в биосфере.

Загрязнение окружающей среды. Понятие «загрязнение окружающей среды» довольно широкое. С точки зрения экологии это понятие чаще всего рассматривается в двух аспектах:

1) как процесс (действие) - поступление в окружающую среду или возникновение в ней под действием различных факторов вредных для человека и природной среды агентов различной природы;

2) как загрязняющий окружающую среду агент (например, химическое вещество).

В рамках изучаемой дисциплины под загрязнением окружающей среды будем понимать привнесение в нее новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов (загрязнителей) либо превышение в ней естественного многолетнего уровня этих агентов. Различают биологическое, физическое (в том числе радиационное, световое, электромагнитное, шумовое и др.) либо химическое загрязнение. Загрязнители окружающей среды - это несвойственные (новые) для среды физические, химические и биологические агенты либо характерные для нее агенты, но находящиеся в объемах, превышающих естественно сложившийся многолетний (фоновый) уровень их присутствия.

Классификация видов загрязнения. Рассматривают обычно два различных по происхождению вида загрязнения:

- естественное загрязнение, возникающее в результате действий природных явлений без участия людей;

- антропогенное загрязнение, связанное с человеческой деятельностью, главной составной частью которого является техногенное загрязнение, обусловленное деятельностью промышленных производств.

По природе загрязнителей различают следующие виды загрязнения:

1) биологическое - либо привнесение в окружающую среду и размножение в ней нежелательных для человека организмов, либо проникновение (естественное или антропогенное) в экосистему организмов, чуждых сообществам экосистемы и обычно там отсутствующих;

2) физическое - радиационное, тепловое, световое, электромагнитное, шумовое и др.;

3) химическое - загрязнение биосферы химическими веществами.

По способу образования различают загрязнение первичное и вторичное. Первичное загрязнение - поступление в среду загрязнителей, образующихся непосредственно в ходе естественных или антропогенных процессов в биосфере. Вторичное загрязнение - образование (синтез) вредных и опасных для окружающей среды и человека загрязнителей в ходе физико-химических процессов в окружающей среде, при этом все или некоторые реагенты могут быть сами по себе неопасными. Например, вторичным загрязнением является образование при некоторых условиях ядовитых химических веществ в атмосфере, называемое смогом.

По пространственному признаку различают глобальное (обнаруживаемое в любой точке планеты как угодно далеко от его источника), региональное (обнаруживаемое в пределах значительных территорий, но не охватывающее всей планеты) и локальное (наблюдаемое на небольшой территории, ограниченной пределами населенного пункта, предприятия и т.п.) загрязнения.

По видам компонентов окружающей среды рассматривают, во-первых, загрязнения атмосферы, гидросферы или литосферы (на глобальном уровне) и загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и подземных водоемов и почвы (на локальном уровне). Считается, что из загрязняющих агентов, регулярно попадающих в организм человека, около 70% поступает с пищей, 20% - из воздуха и 10% - с водой.

"Парниковый эффект" и глобальные изменения климата. Парник - это участок земли, изолированный от окружающей среды прозрачной пленкой или стеклом. Как же он функционирует? Солнечные лучи нагревают землю, от нее нагревается воздух. Если бы пленки не было, то теплый воздух, как более легкий, поднялся бы вверх, а на его место поступил холодный. В результате такого перемешивания установилась бы какая-то средняя температура воздуха. Пленка же не дает воздуху перемешиваться, холодный воздух не поступает в парник, и температура внутри него становится выше, чем снаружи.

Атмосферный эффект, о котором идет речь, вызван аналогичными причинами, отсюда и его название - парниковый. Еще в 1827 году французский физик Ж.Фурье предположил, что атмосфера Земли выполняет функцию пленки (стекла) в парнике: воздух пропускает солнечную энергию, не давая ей при этом рассеяться обратно в космос. Солнце нагревает поверхность Земли. Как и всякое нагретое тело, Земля испускает невидимые глазом инфракрасные лучи, а так как главные газы атмосферы - кислород и азот - не поглощают их, они рассеиваются в космическом пространстве. Но в атмосфере в малых концентрациях содержатся водяные пары, углекислый газ (диоксид углерода), метан, оксиды азота и т.д. - парниковые газы, способные поглощать инфракрасное излучение. В результате такого поглощения часть энергии Солнца аккумулируется в атмосфере, что способствует повышению ее средней температуры. Если бы этого не происходило, Земля была бы примерно на 30 градусов холоднее, чем сейчас, и жизнь бы на ней в современных формах не существовала. Парниковый эффект - повышение средней температуры за счет поглощения атмосферой инфракрасного излучения нагретой Солнцем Земли.

Исходя из того, что "естественный" парниковый эффект - это устоявшийся, сбалансированный процесс, логично предположить, что повышение концентрации парниковых газов в атмосфере должно привести к усилению парникового эффекта, который в свою очередь приведет к повсеместному потеплению климата. Количество СО₂ в атмосфере неуклонно растет, так как человек для своих нужд сжигает все большее количество ископаемого топлива (газ, уголь и нефть), накопление ускоряется еще и в результате сплошной, вырубки лесов и загрязнения Мирового океана: именно они, поглощая углекислый газ и выделяя кислород, являются буферной системой Земли.

Кроме того, как результат человеческой деятельности в атмосферу попадают и другие парниковые газы, например, метан, оксиды азота и целый ряд хлорсодержащих веществ. Несмотря на то, что они производятся в меньших объемах, некоторые из них куда более эффективны с точки зрения глобального потепления, чем углекислый газ.

Всего известно около 30 парниковых газов. Если принять за единицу парниковую эффективность СО₂, то для метана она равна 25, для оксидов азота - 165, а для фреонов - 11000.

Сегодня уже мало кто из ученых, занимающихся этой проблемой, оспаривает тот факт, что деятельность человека приводит к повышению концентрации парниковых газов в атмосфере. По мнению Межправительственной комиссии по изменению климата, "увеличение концентрации парниковых газов приведет к разогреву нижних слоев атмосферы и поверхности Земли... Любое изменение в способности Земли отражать и поглощать тепло, в том числе вызванное увеличением содержания в атмосфере тепличных газов и аэрозолей, приведет к изменению температуры атмосферы и Мирового океана и нарушит устойчивые типы циркуляции и погоды".

Тем не менее ведутся споры вокруг того, какое конкретно количество этих газов вызовет потепление климата и в какой степени, а также как скоро это произойдет. Дело в том, что мировые средние температуры могут сильно колебаться в пределах нескольких лет и десятилетий, и причем по естественным причинам. Проблема в том, что считать средней температурой и на основании каких критериев судить, действительно ли она изменилась в ту или другую сторону.

В конце 80 - начале 90-х годов несколько лет подряд среднегодовая температура была выше обычной. Это вызвало опасения, что обусловленное человеческой деятельностью глобальное потепление уже началось. Среди ученых существует консенсус, что за последние сто лет среднегодовая температура поднялась на 0,3-0,6 градусов. Однако среди них нет согласия в том, что именно явилось причиной этого явления. Трудно с уверенностью сказать, происходит глобальное потепление или нет, так как наблюдаемый рост температуры все еще находится в пределах естественных температурных колебаний. Неопределенность в вопросе всеобщего потепления порождает скепсис по поводу грозящей опасности. Проблема заключается в том, что когда гипотеза об антропогенных факторах потепления подтвердится, уже поздно будет что-либо предпринимать.

По мнению многих исследователей, если сохранится тенденция к потеплению, это приведет к изменению погоды и увеличению количества осадков, и как следствие, к подъему уровня Мирового океана. Ученые уже отметили перемены в картине выпадения осадков. Они подсчитали, что в США и России последние 30 - 40 лет осадков выпадет на 10 больше, чем в прошлом. В то же время количество осадков над экватором уменьшилось на те же десять процентов. Дальнейшее изменение в системе выпадения осадков окажет огромное воздействие на сельское хозяйство, смещая зоны возделывания культур в северные районы Северной Америки и Евразии.

Потепление климата приведет к таянию ледников на Северном и Южном полюсах, в Гренландии и т.д. По расчетам ученых, увеличение температуры на 10 градусов по Цельсию вызовет повышение уровня Мирового океана на 5-6 метров, что обусловит затопление многих прибрежных территорий. Например, Бангладеш полностью погрузится в океан.

Но это еще не все. По мнению ряда исследователей, парниковый эффект приведет к совершенно катастрофическим последствиям. Так, в результате глобального потепления начал таять Гренландский ледник, стекающие с него воды стали опреснять холодное Лабрадорское течение, берущее начало в одноименном заливе между Гренландией и Канадой. Раньше оно из-за большей плотности (соленая вода плотнее пресной) "подныривало" под теплый, а следовательно, и более легкий Гольфстрим (Северо-Атлантическое течение) и пропускало его на север, обеспечивая комфортный климат всей Европе и восточной части Америки. Но, будучи опресненным, Лабрадор уже не сможет опускаться ниже Гольфстрима и проходить к югу. Оттолкнув Гольфстрим, он снова устремится на север, охлаждая океаны и материки. А это грозит Северному полушарию новым ледниковым периодом, который может наступить уже через 5 - 10 лет. Как один из вариантов развития бедствия возможен следующий: полностью промерзнут низовья сибирских и европейских рек, они разольются и затопят громадные территории.

Так как предполагаемое потепление, вызванное человеческой деятельностью, в основном происходит в результате сжигания топлива, следовательно, для предотвращения кризиса необходимо изменить практику энергопотребления. По мнению Агентства по охране окружающей среды США, мировое сообщество должно предпринять серьезные меры. Если опасения, связанные с потеплением климата, оправдаются, то плата за бездействие будет намного выше, чем затраты на предотвращение кризиса.

По мнению экологов, наиболее действенным будет повышение эффективности энергопользования и переход к альтернативным видам топлива: отказ от ископаемых видов топлива, таких, как нефть и уголь. В этом направлении еще предстоит огромная работа,

В 1980 году более 100 миллионов тонн СО₂ было выброшено в атмосферу в восточной части Северной Америки, Европе, западной части СССР и крупных городах Японии. Выбросы СО₂ в развитых странах в 1985 году составили 74% от общего объема, а доля развивающихся стран составила 24%. Ученые полагают, что к 2025 году доля развивающихся стран в производстве углекислого газа возрастет до 44%. В последнее время страны СНГ значительно сократили выбросы в атмосферу СО₂ и других тепличных газов, что прежде всего объясняется падением уровня производства.

В декабре 1997г. на встрече в Киото (Япония), посвященной глобальному изменению климата, делегатами из более чем ста шестидесяти стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить выбросы СО₂. Киотский протокол предписывает тридцати восьми индустриально развитым странам сократить к 2008 - 2012 годам выбросы СО₂ на 5% по сравнению с уровнем 1990 года: Европейский союз должен сократить выбросы СО₂ и других тепличных газов на 8%, США - на 7%, Япония - на 6%.

Протокол предусматривает систему квот на выбросы тепличных газов. Суть его в том, что каждая из стран (пока это относится только к тридцати восьми странам, которые взяли на себя обязательства сократить выбросы) получает разрешение на выброс определенного количества тепличных газов. При этом предполагается, что какие-то страны или компании превысят квоту выбросов. В таких случаях они смогут купить право на дополнительные выбросы у тех, у кого выбросы меньше выделенной квоты. Таким образом, планируется сокращение выбросов тепличных газов в последующие 15 лет на 5%.

"Озоновые дыры" и пути их предотвращения. Озоновый слой - это слой атмосферы (стратосферы) с повышенным содержанием озона. Он начинается на высоте около 8 км над полюсами (или 17 км над экватором) и простирается вверх вплоть до 50 км. Концентрация озона в слое очень низкая, и если его выделить в чистом виде и сжать до плотности, которую имеет воздух у поверхности Земли, то толщина озонового слоя не превысит 5 мм.

Озон - аллотропная форма (в том случае, когда элемент имеет несколько простых веществ (они состоят из атомов одного вида), их называют аллотропными формами) кислорода (от греч. "пахнущий"), его молекула состоит из трех атомов кислорода (О₃). Озон образуется из кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения.

Озон поглощает жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение Солнца, предохраняя живые организмы от его губительного воздействия. Поэтому разрушение озонового слоя приведет к более высоким уровням ультрафиолетового излучения на поверхности Земли, то будет способствовать увеличению случаев рака кожи у людей, мутаций растений и т. п.

В 1985 году британские исследователи обнародовали данные своих восьмилетних наблюдений. Они обнаружили над Северным и Южным полюсами области атмосферы с пониженным содержанием озона (до 50 %) - "озоновые дыры". В настоящее время большинство ученых пришло к заключению, что озоновый слой земли разрушают так называемые фреоны - хлорфторуглероды (ХФУ), чрезвычайно химически стойкие вещества, применяемые как хладоагенты в холодильниках и наполнители аэрозольных упаковок. Благодаря химической стойкости фреонов ничто в природе неспособно разрушить (утилизировать) их. Диффундируя в атмосфере, пары фреона достигают озонового слоя и там под действием ультрафиолета вступают во взаимодействие с озоном и "проедают" дыру в озоновом слое.

В середине сентября 1987 года представители двадцати четырех стран встретились в Монреале и подписали соглашение, по которому обязались вдвое сократить использование озоноразрушающих ХФУ к 1999 году. Однако в связи с ухудшающейся ситуацией в 1990 году в Лондоне были приняты поправки к Монреальскому протоколу, согласно которым в список регулируемых ХФУ вошли еще десять веществ. Было принято решение прекратить использование ХФУ, галогенов и четырехлористого углерода (ССl₄) к 2000, а метилхлороформа - к 2005 году.

В результате всех указанных мер запрета "озоновые дыры", к сожалению, не исчезли и даже не уменьшились. Возможно, что в их существовании виноваты вовсе не фреоны, а естественные причины: циклическая активность Солнца, процесс дегазации Земли и т.п. В любом случае "озоновые дыры" несут в себе угрозу человечеству и требуют постоянного экологического мониторинга (наблюдения) за ними.

Иная проблема, касающаяся озона, но не связанная с разрушением озонового слоя, - фотохимический смог: образуясь на свету при протекании реакций оксидов азота с углеводородами, озон, собираясь в нижних слоях атмосферы (тропосфере), является составной частью смога.

Наличие озона в тропосфере ускоряет процесс разрушения резиновых изделий, текстиля, красочных покрытий и т.п., снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, замедляет фотосинтез в растениях и ослабляет их. Так, по оценкам специалистов, в США ежегодные потери кукурузы, пшеницы, соевых бобов и арахиса, вызванные озоном, составляют от 1,9 до 4,5 миллиардов долларов.

Кислотные дожди, их причины и методы устранения. Кислотными дождями называют все виды метеорологических осадков (дождь, снег, град, туман, дождь со снегом), показатель рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды, равное 5,6. Впервые термин "кислотный дождь" был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом при изучении викторианского смога в Манчестере.

Показатель кислотности воды рН = - lg[С_н+], где [С_н+] -концентрация ионов водорода. Значение рН нейтрального раствора равняется 7. При растворении кислот в воде концентрация ионов H возрастает, а показатель рН снижается. Для кислых растворов рн< 7, для щелочных рН >7.

Вода "нормального" дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что двуокись углерода вступает в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃). Теоретическое значение рН дождевой воды равняется 5,6 - 5,7. В реальной жизни показатель ее кислотности в разных местах может сильно различаться, что прежде всего зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности (оксид серы, оксиды азота).

Кислотный дождь образуется в результате химического взаимодействия оксидов серы (SО₂ и S0₃) и азота (N0_х) с водой в атмосфере. Эти вещества выбрасываются автомобильным транспортом, образуются в результате деятельности металлургических и химических предприятий, а также при сжигании ископаемого топлива на электростанциях (при высокой температуре азот горит в кислороде воздуха). Вступая в реакцию с водой, оксиды превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем вместе со снегом или дождем они выпадают на землю.

В настоящее время последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются практически во всех странах Земного шара. Он оказывает отрицательное воздействие на водоемы - озера, реки, заливы, пруды, повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Водяные растения лучше всего растут в воде со значениями рН=7-9,2. С увеличением кислотности водяные растения гибнут, лишая других животных водоема пищи. При рН=6 погибают пресноводные креветки, а при повышении рН до 5,5 - донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон, он составляет основу пищевой цепи водоемов и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Когда рН достигает 4,5 погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых.

По мере повышения кислотности воды становится возможным растворение из донных отложений и почв токсичных тяжелых и легких металлов: кадмия, ртути, свинца, алюминия и др. Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу, перенасыщенную ртутью, могут приобрести серьезные заболевания. Возрастание в подкисленной воде содержания алюминия всего лишь до 0,2 мг/л летально для рыб. Резко сокращается развитие фитопланктона, так как фосфаты, активизирующие этот процесс, соединяются с алюминием и становятся недоступными для усвоения.

Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне, но также уничтожает растительность на суше. Хотя до сегодняшнего дня механизм этого процесса до конца не изучен, ученые считают, что "сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов". Особенно чувствительны к кислотным дождям хвойные леса - с них опадает хвоя. Воздействие кислотных дождей также снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к еще более выраженному их ухудшению как природных экосистем.

Они разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, снижают плодородие почв и т.п. Так, ежегодно экономические потери от кислотных дождей в США составляют лишь на восточном побережье 13 млн. долл.

Единственный способ изменить ситуацию к лучшему - это снизить количество кислотообразующих выбросов в атмосферу, В теплоэнергетике это может быть достигнуто за счет перехода с угля на газовое топливо, поскольку содержание серы в газе существенно меньше, чем в углях. Для устранения образования оксидов азота следует понизить температуру горения газа или мазута до 500-600°С, этого можно достичь, применяя так называемые каталитические генераторы тепла, в которых сжигание топлива происходит не в факеле (форсунке), а в слое катализатора путем окисления.

Для снижения выбросов оксидов азота (и оксида углерода СО - угарного газа) автомобильного транспорта следует применять каталитические дожигатели, которые монтируются на выхлопную трубу автомобиля. Проходя через слой катализатора в дожигателе (это платиновые металлы, нанесенные на инертный носитель), выхлопные газы очищаются: СО превращается в С0₂ -- углекислый газ, а оксиды азота - в азот.

Лекция №11. Классификация природных ресурсов.

Охрана растительного и животного мира.

Истощение природных ресурсов и проблема отходов. Истощение природных ресурсов - одна из глобальных экологических проблем человечества. Природные ресурсы (ПР) — объекты и явления природы, которые используются (или могут быть использованы) для удовлетворения материальных, научных или культурных потребностей общества.

По происхождению ПР классифицируются на биологические (леса, растения, животные), минеральные (полезные ископаемые) и энергетические (энергия солнца, приливов и отливов, ветра и т.д.).

По обеспечению общества в конкретный период развития ПР делят на реальные и потенциальные. Реальные природные ресурсы - это те, что разведаны, их запасы количественно определены и активно используются обществом. По мере развития общества они изменяются. Например, на первом этапе становления промышленности в качестве топлива широко использовался китовый жир; на современном этапе развития общества одним из ведущих энергоресурсов является электроэнергия, производимая гидро-, тепло- и атомными электростанциями.

Потенциальные природные ресурсы - ресурсы, которые на данном этапе развития общества разведаны, а часто и количественно определены, однако не используются в силу тех или иных причин (слабая техническая оснащенность, отсутствие соответствующей технологии переработки и т. п.). Например, потенциальными земельными ресурсами можно считать пустынные, горные, заболоченные, засоленные территории и зону вечной мерзлоты. Несмотря на большую потребность в пашне и земельных ресурсах, люди не в силах освоить эти земли под сельское хозяйство: нужны крупные капиталовложения.

По возможности использования ПР делят на исчерпаемые и неисчерпаемые. Исчерпаемые природные ресурсы могут быть израсходованы человечеством в ближайшем или отдаленном будущем: нефть, уголь, почва, лес и т.п. Они обеспечивают потребности человеческого общества лишь в течение определенного периода времени, продолжительность которого зависит от запасов ресурса и интенсивности его использования. Их самовосстановление в природе невозможно, создание человеком исключено, так как они возникли в результате депонирования (отложения в запас) химических элементов, которые не могли быть вовлечены природой в биогеохимический цикл. Сюда относятся, в первую очередь, ресурсы недр и живой природы.

Исчерпаемые ресурсы, в свою очередь, подразделяются на невозобновимые и возобновимые. Невозобновимые ресурсы совершенно не восстанавливаются. К ним относятся нефть, каменный уголь и большинство других полезных ископаемых, результатом использования которых является неизбежное их истощение. Следовательно, охрана невозобновимых природных ресурсов состоит в их экономном, рациональном, комплексном использовании, предусматривающем возможно меньшие потери при их добыче и переработке, а также заменяемость этих ресурсов другими природными или искусственно созданными.

Возобновимые природные ресурсы по мере их использования могут восстанавливаться. К ним относятся растительный и животный мир, ряд минеральных ресурсов, например накапливающаяся в озерах соль, отложения торфа и т.п. Однако для их восстановления необходимо создание определенных условий (лесопосадки, разведение животных в заказниках и т.д.).

Восстанавливаются ресурсы по времени по-разному. Для образования 1 см гумусового слоя почвы требуется 300-600 лет, для восстановления вырубленного леса - десятки лет, популяции охотничьих животных - годы. Следовательно, темпы расходования возобновляемых ресурсов должны соответствовать темпам их восстановления, в противном случае возобновимые ПР могут стать невозобновимыми - почвы эродируют, виды животных и растений полностью исчезнут.

Неисчерпаемые ресурсы можно использовать бесконечно долго: космические, климатические, водные и т.п. Космические ресурсы (солнечная радиация, энергия морских приливов и т.д.) практически неиссякаемы, и защита их например, Солнца) не может быть предметом охраны окружающей среды, так как человечество не располагает такими возможностями. Однако поступление солнечной энергии на поверхность Земли зависит от состояния атмосферы, степени ее загрязненности, т.е. тех факторов, которыми человек может управлять.

Климатические ресурсы (тепло и влага атмосферы, воздух, энергия ветра) также практически неисчерпаемы. Однако состав атмосферы может значительно изменяться в результате загрязнения ее механическими примесями, газами промышленности и транспорта, а также радиоактивными веществами. Борьба за чистоту воздуха - одна из важнейших задач охраны этого природного ресурса.

Водные ресурсы для биосферы в целом неизменны, но запасы и качество пресной воды ограничены, некоторые регионы уже сейчас испытывают в ней недостаток, который вызван обмелением рек и озер, а также ее повсеместным загрязнением. Практически неиссякаемыми остаются воды Мирового океана, но они перед угрозой загрязнения нефтью, радиоактивными и другими отходами, что изменит условия существования населяющих их животных и растений.

Проблема исчерпаемости природных ресурсов с каждым годом приобретает все большую актуальность, это связано как с осознанием факта их ограниченности, так и с интенсивно увеличивающимся потреблением.

Расходование ресурсов приводит к существенным изменениям биосферы. Преждевременное изъятие погребенных в литосфере веществ и ввод их в оборот нарушает оптимальный баланс круговорота веществ в природе. Кроме того, использование невозобновимых ресурсов влечет за собой цепь частных последствий, важных для биосферы: преобразование ландшафтов, изъятие площадей природных экосистем, деградация почв, изменение распределения грунтовых вод и др.

Проблема сохранения биоразнообразия. Под биоразнообразием понимают все виды растений, животных, микроорганизмов, а также сами экосистемы и экологические процессы, частью которых они являются. Оно является основой жизни на Земле: чем большее число растительных и живых организмов образуют экосистему, тем более она устойчива.

Биологические ресурсы являются основным источником сырья для промышленности (люди используют в пищу около 7000 видов растений, но 90 % мирового продовольствия создается всего двадцатью, а три вида из них (пшеница, кукуруза и рис) покрывают более половины всех потребностей). В последнее время человечество осознало полезность диких видов животных и растений. Они не только содействуют развитию сельского хозяйства, медицины и промышленности, но и полезны для окружающей среды, являясь неотъемлемой частью природных экосистем. Даже виды организмов, которые не входят в пищевую цепь человека, могут быть ему полезны, хотя и приносят пользу косвенным путем.

Понятие биоразнообразия все чаще ставится во главу угла при оценке состояния и экологического благополучия экосистем. Эволюционные процессы, происходившие в различные геологические периоды, привели к существенному изменению видового состава обитателей Земли. По мнению экспертов, в ближайшие 20-30 лет под серьезной угрозой исчезновения будет находиться примерно 25% всего биоразнообразия Земли. Опасность, грозящая биоразнообразию, постоянно растет. Между 1990 и 2020 гг. могут исчезнуть от 5 до 15% видов. По-видимому, около 22000 видов растений и животных сейчас находятся под угрозой исчезновения. Из них 66% видов позвоночных животных являются обитателями континентов.

Называют четыре основные причины исчезновения видов:

• утрата среды обитания, фрагментация и модификация;

• чрезмерная эксплуатация ресурсов;

• загрязнение окружающей среды;

• вытеснение естественных видов интродуцированными экзотическими видами.

Во всех случаях эти причины имеют антропогенный характер. Подсчитано, что сокращение 70% тропических лесов ведет не только к исчезновению тех видов, которые обитали на уничтоженных участках леса, но и к сокращению до 30% численности видов, обитавших на соседних участках.

Многие морские виды уничтожаются ввиду коммерческой эксплуатации моря. Крупные наземные животные, в частности африканский слон, также находятся под угрозой исчезновения вследствие чрезмерной антропогенной нагрузки на зоны их естественного обитания.

Большую опасность для окружающей среды представляет ее загрязнение, особенно токсичными химическими веществами и ксенобиотиками, в частности пестицидами.

Изменения климата в результате выброса в атмосферу парниковых газов, по прогнозам специалистов, могут привести к нарушению видового состава многих экосистем на Земле, так как количество одних видов уменьшится, а других возрастет.

Утрата видового разнообразия как жизненного ресурса может привести к серьезным глобальным последствиям для человека и даже его существования на Земле.

Разрабатываются меры, направленные на сохранение биоразнообразия:

• защита особой среды обитания - создание охраняемых природных территорий;

• защита отдельных видов или групп организмов от чрезмерной эксплуатации;

• сохранение видов в виде генофонда в ботанических садах или в банках генов.

Конвенция по биоразнообразию, принятая 153 государствами на Конференции ООН по охране окружающей среды и устойчивому развитию в Рио (1992 г.), отражает остроту ситуации и представляет собой результат длительных усилий по согласованию противоречивых интересов различных государств.

Особо охраняемые природные территории – это участки суши или водной поверхности, которые в силу своего природоохранного и иного значения полностью или частично изъяты из хозяйственного пользования и для которых установлен режим особой охраны.

Они предназначены для поддержания экологического баланса, сохранения генетического многообразия природных ресурсов, наиболее полного отражения биогеоценотического разнообразия биомов страны, изучения эволюции экосистем и влияния на них антропогенных факторов, а также для решения различных хозяйственных и социальных задач. Различают следующие категории особо охраняемых природных территорий.

Государственные природные заповедники - участки территории, которые полностью изъяты из обычного хозяйственного использования с целью сохранения в естественном состоянии природного комплекса. В основу природно-заповедного дела положены основные принципы:

- создание как в своеобразных "эталонах" природы условий, необходимых для сохранения и развития всех видов животных и растений;

- поддержание экологического равновесия ландшафтов путем охраны природных экосистем;

- возможность изучения эволюции природных экосистем, как в региональном, так и в более широком биогеографическом плане; решение многих аутэкологических и синэкологических вопросов;

- сеть заповедных объектов должна отображать широтно-меридиональные, а в горных регионах - высотные закономерности распространения экосистем;

- включение в сферу деятельности заповедников социально-экономических вопросов, связанных с удовлетворением рекреационных, краеведческих и иных нужд населения.

Заповедники рассматривают и как природные комплексы, изъятые из хозяйственного оборота, и как научно-исследовательские учреждения, выполняющие научные, охранительные, культурно-просветительские и иные функции.

Для сглаживания влияния прилегающих территорий, особенно в зонах с хорошо развитой инфраструктурой, вокруг заповедников создают охранные зоны, в которых хозяйственная деятельность ограничена.

Биосферные заповедники. Такой статус присваивается ЮНЕСКО заповедникам, которые используются в качестве фонового заповедно-эталонного объекта при изучении биосферных процессов. Согласно статистическим данным, на конец сентября 2001 г. всемирная сеть включала 411 биосферных территорий в 94 странах мира.

Природные национальные парки - одна из новых форм охраны и использования природных экосистем. Это относительно большие природные территории и акватории, где акцент делается на такие моменты: экологический (поддержание экологического баланса и сохранение природных экосистем), рекреационный (регулируемый туризм и отдых людей) и научный (разработка и внедрение методов сохранения природного комплекса в условиях массового допуска посетителей). В национальных парках есть и зоны хозяйственного использования.

Природные парки - территории, отличающиеся особой экологической и эстетической ценностью, с относительно мягким охранным режимом и используемые преимущественно для организованного отдыха населения. Это некоммерческие организации, финансируемые за счет бюджетных средств. По своей структуре они более просты, чем национальные природные парки.

Заказники - территории, созданные на определенный срок (в ряде случаев постоянно) для сохранения или восстановления природных комплексов или их компонентов и поддержания экологического баланса. В них уделяют внимание плотности популяций одного или нескольких видов животных или растений, а также природным ландшафтам, водным объектам и др. Существуют ландшафтные, лесные, ихтиологические, орнитологические и другие типы заказников. После восстановления плотности популяции видов животных и растений, природного ландшафта и т.д. заказники закрываются.

Памятники природы - уникальные природные объекты, имеющие научную, экологическую, культурную и эстетическую ценность. Это пещеры, небольшие урочища, вековые деревья, скалы, водопады и др. Иногда для сохранения ценнейших памятников природы вокруг них создаются специальные заповедники. На территории, где расположены памятники природы, запрещена любая деятельность, угрожающая их сохранности.

Дендрологические парки и ботанические сады - коллекции деревьев и кустарников, созданные человеком для того, чтобы не утратить биоразнообразия и обогатить растительный мир, а также в научных, учебных и культурно-просветительных целях. Здесь проводят работы по интродукции и акклиматизации новых для данного региона растений.

Дата добавления: 2014-01-04