Основные задачи и понятия экологии

Экология – в переводе с греческого обозначает «наука о доме» – наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и с окружающей средой. Сам термин «экология» был предложен немецким биологом, профессором Венского университета Эрнстом Геккелем в 1866 в книге «Всеобщая морфология организмов».

Однако наибольшее влияние на формирование экологии как самостоятельной науки оказал Чарлз Дарвин, опубликовавший в 1859г. свою книгу «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Именно под влиянием эволюционной теории Ч.Дарвина Э.Геккель пришёл к выводу о необходимости выделения экологии в особую биологическую дисциплину, изучающую взаимоотношения живых организмов между собой и с окружающей средой.

С тех пор экология как наука, развиваясь и обрастая научными данными, накопила огромное количество материала, которое уже не вмещалось в рамки единой общей экологии, или биоэкологии – экологии в первоначальном смысле, который придал ей автор термина Э.Геккель.

В настоящее время экология распалась на целый ряд научных отраслей и дисциплин, среди которых выделяются: теоретические, вскрывающие общие законы жизни, и прикладные, призванные помочь применить эти законы.

Проблема взаимодействия общества с окружающей природной средой в настоящее время является проблемой, от которой зависит будущее человечества. Взаимодействие человека и природы в результате продолжающейся ускоренными темпами индустриализации и урбанизации нашей планеты привело к кризисной ситуации, когда встал вопрос об угрозе самому существованию человека. Это требует экологизации, т.е. учета законов экологии, всей человеческой деятельности.

Основными задачами экологии являются:

1. Исследование закономерностей организации различных форм жизни и влияние на них антропогенных (греч. anthropos – человек, genos. – род, происхождение) воздействий;

2. Прогнозирование изменений окружающей среды под влиянием антропогенной деятельности и поиск способов адаптации к этим изменениям;

3. Создание научной основы сохранения среды обитания человека и рациональной эксплуатации биологических ресурсов.

Современная экология – это бурно развивающаяся, комплексная наука, представляющая собой разветвленную систему экологических дисциплин:

Ø Аутоэкология (греч. autos – сам) – раздел экологии, изучающий взаимоотношения отдельного организма с окружающей средой.

Ø Демэкология (греч. demos – народ) – изучает популяцию и ее среду.

Ø Эйдэкология (греч. eidos – образ) – экология видов.

Ø Синэкология (греч. sуn – вместе) – рассматривает жизнь сообществ организмов (экосистем).

Ø Ландшафтная экология – изучает приспособление организмов к разной географической среде.

Ø Мегаэкология или глобальная экология – наука о биосфере Земли и положения человека в ней.

В последнее время экологи пришли к принципиально важному обобщению, показав, что условия среды осваиваются организмами на уровне сообществ организмов (популяций, биоценозов), а не отдельными особями, поэтому современное определение экологии звучит так: "Экология– это наука о закономерностях формирования, развития и устойчивого функционирования биологических систем разного ранга в их взаимоотношениях с условиями среды." (И.А.Шилов).

Изучение экологии невозможно без определения основных понятий. Понятие организм (лат organize – устраиваю, придаю стройный вид) употребляется как в узком смысле – особь, индивидуум, живое существо так и в широком, самом общем смысле – сложно организованное единое целое.

Биологический вид – это совокупность особей, обладающих общими признаками, способных свободно скрещиваться между собой и давать плодовитое потомство, занимающих определённый ареал (лат. area – площадь, пространство) и отграниченных от других видов нескрещиваемостью в природных условиях.

Представление о видах, как об основной структурной и классификационной единице в системе живых организмов, было введено К. Линнеем.

Критерии вида – это характерные для вида признаки и свойства. Различают следующие критерии вида:

Ø Морфологический (основан на сходстве внешнего и внутреннего строения особей одного вида);

Ø Генетический (для каждого вида характерен набор хромосом, строго определённое их число, размеры и форма). Он является главным видовым признаком;

Ø Физиологический (сходство всех процессов жизнедеятельности у особей одного вида, прежде всего сходство процессов размножения);

Ø Географический (определённый ареал (территория, акватория), занимаемый видом в природе);

Ø Экологический (совокупность факторов внешней среды, в которой существует вид).

Для установления принадлежности особей к одному виду недостаточно использовать какой-либо один критерий. Только применение совокупности критериев с взаимным подтверждением различных признаков и свойств особей в их совокупности характеризует вид.

Конкретной формой существования вида в природе является популяция, т.е. вид – это совокупность популяций. Термин "популяция" ввел В.Иоганзен в 1903г. Популяция (лат. рорulus – народ) – это внутривидовая группировка особей, занимающая часть ареала данного вида, обладающих способностью свободно скрещиваться и неограниченно долго поддерживать свой существование.

Различают следующие разновидности популяций:

Ø Элементарная (локальная) популяция – это группа особей одного вида, занимающих какой-то небольшой участок однородной площади.

Ø Экологическая популяция – совокупность элементарных популяций. В основном, это внутривидовые группировки, приуроченные к конкретным экосистемам. Напр., "сосновые" и "елово-пихтовые" белки.

Ø Географические популяции – совокупность экологических популяций, заселяющих территорию с географически однородными условиями существования. Напр., белки Белоруссии и белки Дальнего Востока.

Ø Соседние популяции сообщаются друг с другом в процессах расселения, переноса семян, сезонных миграций. У некоторых видов такая связь соседних популяций постоянная, у других – эпизодическая.

Популяция обладает признаками, которые характеризуют группу как целое, а не отдельные особи в группе. Такими характеристиками являются: структура, численность и плотность популяции. Структура популяции – это количественное соотношение особей разного пола, возраста, размеров, генотипов и т.п. Соответственно, различают: половую, возрастную, размерную, генетическую.

Структура популяции зависит от различных причин. Напр., возрастная структура популяции зависит от двух причин: от особенностей жизненного цикла вида; от внешних условий. Есть виды с очень простой возрастной структурой популяции, которые состоят практически из представителей одного возраста (однолетние растения, саранча). Сложные возрастные структуры популяций возникают тогда, когда в них представлены все возрастные группы (стая обезьян, стадо слонов).

Пространственная структура популяции определяется характером распределе­ния особей в пространстве и зависит как от особенностей окружающей среды, так и от особенностей поведения самого вида.

Основными параметрами популяции являются её численность и плотность. Численность популяции – это общее количество особей на данной территории или в данном объёме. Уровень численности популяции, гарантирующий её сохранение зависит от конкретного биологического вида. Плотность популяции – это число особей, приходящихся на единицу площади или объёма.

Популяция регулирует свою численность и приспосабливается к изменяющимся условиям среды путём обновления и замещения особей. Особи появляются в популяции благодаря рождению и иммиграции, а исчезают в результате смерти и эмиграции. При сбалансированной интенсивности рождения и смертности формируется стабильная популяция. Несмотря на изменчивость, численность популяции колеблется не беспредельно. Популяция, как и любая биологическая система, обладает способностью к саморегуляции. Для популяции каждого вида имеются верхние и нижние пределы плотности, за границы которых она выходить не может.

Популяции различных видов живых организмов, заселяющие общие места обитания, неизбежно вступают во взаимоотношения. Длительное совместное существование лежит в основе формирования многовидовых сообществ – биоценозов, в которых подбор видов не случаен, а определяется возможностью непрерывного поддержания круговорота веществ. Термин "биоценоз" предложил К. Мёбиус в 1877г. Биоценоз (греч. bios – жизнь, koinos – общий) – это организованная группа взаимосвязанных популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, живущих совместно в одних и тех же условиях среды.

Биоценозы имеют видовую (число видов, способных ужиться в одном биоценозе), пространственную (первоначальное заселение того или иного биотопа определяется особенностями атмосферы, горной породы почвы и её вод) и трофическую (греч. trophe – питание) структуру (выражается в сложных пищевых связях между популяциями видов, входящих в биоценоз).

В природных сообществах каждый вид включен в одну или несколько цепей питания, в которых происходит перенос энергии пищи от её источника организмов-автотрофов, которые сами снабжают себя органическим веществом, к организмам-гетеротрофам, живущим за счет продуктов, синтезированных автотрофами. Цепи питали, или трофические цепи – это такие ряды, в которых каждый предыдущий вид служит пищей последующему. Все организмы-автотрофы по характеру источника энергии подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Фотоавтотрофы – это зеленые растения – основные поставщики органического вещества, используют для его синтеза энергию солнечного излучения. Хемоавтотрофы – это бактерии и архебактерии, которые в процессе синтеза органического вещества используют энергию химических связей.

Местообитание биоценоза называется биотопом. Биотоп (греч. bios – жизнь, topos – место) – это пространство с однородными условиями (рельефа, климата), заселённое определённым биоценозом. Любой биоценоз неразрывно связан с биотопом, образуя вместе с ним устойчивую биологическую макросистему ещё более высокого ранга – биогеоценоз, или экосистему. Термин «биогеоценоз» предложил в 1940 г Владимир Николаевич Сукачёв. Он практически тождественен широко распространённому за рубежом термину "экосистема" и применяется для обозначения наземных экосистем. Термин «экосистема» предложил в 1935г английский эколог А.Тенсли.

Экосистема (греч. oikos – дом, systema – сочетание, объединение) – экологическая система, совокупность совместно обитающих организмов разных видов и условий их существования, в которой живые и неживые компоненты связаны между собой обменом вещества и энергии.

Между экосистемами нет чётких границ, одна экосистема постепенно переходит в другую, более мелкие экосистемы входят в состав более крупных, вплоть до общей глобальной экосистемы Земли - биосферы.

Форма совместного существования организмов разных видов, обычно приносящая им взаимную пользу, называется симбиоз (греч. symbiosis – сожительство). Термин "симбиоз" предложил в 1879 г А. Де Барри. Различают несколько типов симбиоза: комменсализм, паразитизм, мутуализм и множество переходных форм между ними. Комменсализм (лат. com – с, вместе, mensa – трапеза) – сотрапезничество, один из партнёров системы (комменсал) возлагает на другого (хозяина) регуляцию своих отношений с внешней средой, но не вступает с ним в тесные отношения. Напр., акула и рыба-прилипало, которая питается остатками пищи акулы. Паразитизм (греч. parasitos – нахлебник) – форма взаимоотношений организмов разных видов, при которой один их них (паразит) использует другого (хозяина) в качестве среды обитания или источника пищи. Мутуализм (лат. mutuus – взаимный) – два различных организма возлагают друг на друга регуляцию своих отношений с внешней средой. При этом отношения между партнерами характеризуются взаимовыгодностью и ни один из них не может существовать без другого. Напр., термиты и живущие у них в кишечнике жгутиконосцы, обладающие способностью переваривать поглощаемую термитами клетчатку, которую эти насекомые без симбионтов не способны усваивать.

Биосфера(греч. bios – жизнь, spharia – шар) – глобальная экосистема всего земного шара, оболочка Земли, состоящая из совокупности всех живых организмов (биота), веществ, их составляющих, и среды их обитания, Биосфера – это область распространения жизни на Земле, включающая в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Термин "биосфера" ввел австрийский геолог Э.3юсс в 1873 г. Основные положения учения о биосфере опубликованы В.И.Вернадским в1926 г. в труде "Биосфера".

Экологический фактор – это любое свойство или компонент среды, оказывающий влияние на живой организм и вызывающий его ответную реакцию. Под средой в экологии понимается все то, что окружает организм, вся совокупность тел и сил, внешних по отношению к нему. Все многообразие воздействующих на организм экологических факторов принято делить на две большие группы: абиогенные факторы (греч. а... – не..., bios – жизнь) – это факторы неживой природы, напр., солнечный свет, температура, влажность, рельеф, ветер, соленость, гравитационное и магнитное поле и т.д.; биогенные факторы – это всевозможные формы влияния живых организмов друг на друга (опыление насекомыми растений, паразитизм) и на среду. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями. В свою очередь и абиогенные и биогенные факторы подразделяются на природные и антропогенные. И те, и другие могут быть физическими (климатические, космические), химическими (компоненты воды, воздуха, почвы), зоогенными (воздействие животных), фитогенными и микробогенными.

Испытывая воздействие экологических факторов, каждый биологический вид отвечает на него по-разному. Однако, существуют общие законы, которым подчиняются ответные реакции организмов на любой фактор среды. Главные из них: закон минимума Ю. Либиха и закон оптимума В. Шелфорда. У всех организмов в процессе эволюции выработались приспособления к восприятию факторов в определенных количествах.

Фактор ограничивавший или лимитирующий – это фактор внешней среды, ограничивающий рост или активность организма (популяции или вида), будучи ниже уровня нормальных потребностей организма или, наоборот, превосходя их.

В 1840 г Ю. Либих, изучая влияние разнообразных факторов на рост растений, установил, что урожай часто лимитируется не теми элементами питания растений, которые требуются в больших количествах, как, например, вода или углекислый газ, и которых обычно хватает, а теми, которые требуются в ничтожнейших количествах (напр., цинк) и которых в почве очень мало. В результате, он сформулировал закон минимума (закон ограничивающего (лимитирующего) фактора): успешную жизнедеятельность организма ограничивает экологический фактор, количество и качество которого близки к минимуму, необходимому организму. Дальнейшие исследования влияния факторов на организмы показали, что лимитирующим фактором может быть не только недостаток (минимум), на что указал Ю. Либих, но и избыток (максимум) факторов. Представление в лимитирующем влиянии максимума наравне с минимумом ввёл В. Шелфорд, сформулировавший в 1913 г закон оптимума (закон экологического оптимума, закон толерантности (лат. tolerantia – терпение): каждый экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы, как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизни организмов ("слишком хорошо – тоже нехорошо").

Интенсивность экологического фактора, наиболее благоприятная для жизнедеятельности организма, называется оптимумом, а наименее благоприятная, при которой жизнедеятельность организма максимально угнетается, но он еще может существовать – пессимумом.

Для каждого организма и вида в целом существует свой оптимум экологических факторов, который различен не только для разных видов, но и для отдельных стадий развития одного и того же организма. Напр., период размножения обычно является критическим: в этот период многие факторы среды часто становятся лимитирующими. Экологический оптимум нередко изменяется в зависимости от возраста, пола, сезона и других обстоятельств. Экологическая валентность (экологическая пластичность, пределы толерантности) – это пределы выносливости организма к какому-либо фактору среды, т.е. зоны оптимума и пессимума. Количественно она выражается диапазоном изменений среды, в пределах которого данный вид сохраняет нормальную жизнедеятельность. Организмы с большой экологической валентностью (с широким диапазоном толерантности) в экологии обозначают приставкой "эври-" (греч. eurys – широкий). Эврибионт – организм, способный жить при различных условиях среды. Организмы с малой экологической валентностью, способные существовать в строго определённых условиях среды обозначают приставкой, "стено-" (греч. stenos – узкий). Стенобионт – организм, требующий строго определенных условий среды.

Для определения роли, которую тот или иной вид играет в составе экосистемы, И. Гринелл ввёл в 1917 г понятие «экологическая ниша». Экологическая ниша– это совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе, его положение и функциональная роль в составе экосистемы. Виды уживаются в одной экосистеме в составе биоценоза в тех случаях, когда они расходятся по экологическим требованиям и ослабляют тем самым конкуренцию друг с другом. Два вида в одном биоценозе не могут занимать одну и ту же экологическую нишу.

Многие организмы в течение жизни периодически испытывают влияние факторов, сильно отклоняющихся от оптимума. Существует три основных способа приспособления к переживанию неблагоприятных условий:

Ø Переход в состояние временной пониженной физиологической активности (спячка, оцепенение, анабиоз).

Ø Поддержание постоянства внутренней среды организма, несмотря на колебания воздействий внешних факторов.

Ø Миграция, т.е. перемещение, вызываемое сменой условий существования, активный поиск других, более благоприятных мест обитания. Миграции бывают, суточными, связанными со сменой освещённости, температуры, влажности и других факторов в течение суток, и осуществляются многими животными на сравнительно небольшие расстояния.

Типы и основные характеристики экосистем.

1. По происхождение различают следующие типы экосистем: Природные (естественные) экосистемы – это такие экосистемы в которых биологический круговорот протекает без прямого участия человека. Антропогенные (искусственные) экосистема – экосистемы, созданные человеком, которые способны существовать только при поддержке человека.

2. По источнику энергии, который обеспечивает их жизнедеятельность, экосистемы подразделяют на следующие типы: Автотрофные экосистема – это экосистемы, которые сами обеспечивают себя энергией, получаемой, от Солнца, за счёт собственных фото- или хемотрофных организмов. Гетеротрофные экосистемы – это такие экосистемы, которые получают энергию, используя готовые органические соединения, синтезированные организмами, не являющимися компонентами данных экосистем, или использующих энергию созданных человеком энергетических установок.

Основными характеристиками экосистем являются: размер, ёмкость, устойчивость, надежность, самовосстановление, саморегуляция и самоочищение. Размер экосистемы – это пространство, в котором возможно осуществление процессов саморегуляции и самовосстановления всех составляющих экосистему компонентов и элементов. Емкость экосистемы – это максимальная численность популяции одного вида, которую данная экосистема способна поддерживать в определённых экологических условиях на протяжении длительного времени. Устойчивость экосистемы – это способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних и внутренних факторов, т.е. её способность к реакции, пропорциональной по величине силе воздействия. Надёжность экосистемы – это способность экосистемы относительно полно самовосстанавливаться и саморегулироваться (в течение сукцессионного или эволюционного периода своего существования), т.е., удерживать свои основные параметры во времени и пространстве. Самовосстановление природных экосистем – это самостоятельный возврат экосистем к состоянию динамического равновесия, из которого они были выведены воздействием каких-либо природных и антропогенных факторов. Саморегуляция природных экосистем – это способность природных экосистем к самостоятельному восстановлению баланса внутренних свойств после какого-либо природного или антропогенного воздействия с помощью принципа обратной связи между её компонентами, т.е. экосистема способна сохранять свою структуру и функционирование в определённом диапазоне внешних условий. Самоочищение экосистем – это естественное разрушение загрязнителя в среде в результате природных физических, химических и биологических процессов, происходящих в ней.

Многие экосистемы существуют в течение десятков и даже сотен лет. Для поддержания такой стабильности экосистем необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена между организмами и окружающей их средой. Экологическое равновесие – это состояние экосистемы, характеризующее­ся балансом между притоком и оттоком вещества и энергии в экосистеме. Другими словами, экологическое равновесие – это относительная устойчивость видового состава живых организмов, их численности, продуктивности, распределения в пространстве, а также сезонных изменений, биологического круговорота веществ и других биологических процессов в экосистеме, приводящая к длительному (условно-бесконечному) существованию данной экосистемы. Конечно, ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной, неподвижной: периодически увеличивается численность одних видов, но уменьшается других. Подобные процессы происходят периодически и в целом не выводят систему из равновесия. Поэтому, главная особенность экологического равновесия – его подвижность. Различают два типа подвижности равновесия: 1) обратимые изменения в экосистеме – это изменения экосистем в течение года с весны до весны с сохранением видового состава экосистем; 2) экологические сукцессии (лат. succesio преемственность, наследование) – это последовательная смена экосистем, возникающих на одной и той же территории или акватории (биотопе) под влиянием природных или антропогенных факторов.

Климаксное сообщество, климакс (греч. кlimax – лестница) – это заключительная стадия экологической сукцессии, когда биоценоз находится в полном соответствии с биотопом. Для него характерно равновесие между биотическими и абиотическими компонентами (продукция и поток веществ извне уравновешиваются потреблением, расходом и выносом веществ из системы). Термин "климаксное сообщество" был введён Ф. Клементсом в 1916 г.

Таким образом, экологическое равновесие – это динамическое равновесие притока и оттока энергии, вещества и информации, поддерживающее экосистему в определённом состоянии или ведущее к закономерной сукцессионной смене одной экосистемы другой. Существуют три основных направления поддержания экологического равновесия природных экосистем:

Ø Территориальное – это сохранение природных экосистем на части территории (акватории) с таким расчетом, чтобы эти специально выделенные участки поддерживали ранее существовавший или желаемый баланс между средообразующими компонентами. Напр., создание заповедников, заказников, национальных парков;

Ø Компонентное – это искусственное добавление какого-то из средообра-зуюших компонентов при его нехватке против естественно существовавшего количества. Напр., путём переброски вод в период засухи и т.п.;

Ø Социально-экономическое – это развитие природопользования в соответствии с ресурсными возможностями каждого региона без их переэксплуатации, ведущей к деградации природы.

Общий биологический круговорот вещества на Земле складывается из взаимодействия множества более частных круговоротов, осуществляемых в экосистемах.

Экосистема же может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части:

1. Запасы биогенных элементов, т.е. химических элементов, постоянно входящих в состав организмов и необходимых им для жизнедеятельности. Биогенные элементы подразделяются на: макротрофные (греч. trophe – питание), охватывающие элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов, это: С, Н, О, N, Р, К, Са, Mg; микротрофные необходимые в малых количествах: Fe, Mn, Cu, Zn, В, Na, Mo, Cl, V, Со. Циркуляция биогенных элементов сопровождается их химическими превращениями.

2. Продуценты (лат. producentis – производящий) – живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганические составляющих с использованием внешних источников энергии. Продуценты – это автотрофы, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом. Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органические веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов.

3. Консументы (лат. соnsumо – потреблять, съедать) – потребители органического вещества живых организмов, это организмы, не способные строить своё тело на базе использования неорганических веществ, требующие поступления органического вещества извне, в составе пищи. К их числу относятся консументы первого порядка – растительноядные виды животных (фитофаги); второго и больших порядков – плотоядные (зоофаги), хищники; паразиты (не только животные – черви, насекомые, клещи, но и микроорганизмы – бактерии, простейшие). Детритофаги или сапрофаги – организмы, питающиеся мертвыми органическим веществом – остатками растений и животных. Они выполняют функцию очищения экосистем. Детритофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов.

4. Редуценты (деструкторы) (лат. redicens – возвращающий, восстанав­ливающий) – организмы (низшие грибы и многие виды бактерий) – завершают деструктивную работы консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации (до неорганических вещества), пригодных для использования продуцентами. Минерализация органических веществ частично идёт у всех живых организмов: в процессе дыхания выделяется углекислый газ, из организма выводятся вода, минеральные соли, аммиак и т.д., но одновременно выделяются и органические вещества. Истинными редуцентами, завершающими цикл разрушения органических веществ, считаются такие организмы, которые выделяют во внешнюю среду только неорганические вещества. Конечными продуктами разложения органических веществ редуцентами являются – углекислый газ, вода, аммиак, минеральные соли.

Закон биологической продуктивности (экологические пирамиды). Первый трофические уровень образуют автотрофные организмы, виды-продуценты (растения). На этом уровне в процессе фотосинтеза связывается энергия Солнца и из неорганических веществ создаётся масса органического вещества. Биомасса – это количество живого вещества, приходящегося на единицу площади или объёма. Биологическая продуктивность – это скорость формирования в экосистемах биомассы, т.е., количество биомассы, синтезируемой за единицу времени (или энергетический эквивалент). Первичная биопродукция – это биомасса органического вещества, синтезированного автотрофами. Вторичная биопродукпия – это биомасса органического вещества, синтезированного гетеротрофными организмами (животными). Поскольку она создаётся за счёт энергии, связанной растениями, она всегда меньше первичной.

В 1942 г американский гидробиолог Р. Линдеман установил, что если оценить биопродукцию в последовательных трофических уровнях в любой экосистеме, то получится убывающий ряд чисел, каждое из которых примерно в 10 раз меньше предыдущего. В экологию оно вошло под названием – закон десяти процентов, или правило Линдемана: при переходе с одного трофического уровня на другой потребляется в среднем 10 % энергии биомассы (или вещества в энергетическом выражении). Другими словами, на каждом этапе передачи вещества и энергии по пищевой цепи теряется примерно 90 % и только 10 % переходит к очередному потребителю. Если это выразить графически, то получится пирамида с широким осно­ванием и узкой вершиной. Такие графические модели соотношений между продуцентами, консументами и редуцентами в экосистеме называются экологическими пирамидами. Существуют пирамиды биопродукции, биомасс, чисел и энергии. Пирамида биопродукпии – это графическое выражение закономерности создания биомассы в трофических цепях (здесь нет исключений, отражает передачу энергии в цепях питания). Пирамида биомасс – это соотношение биомасс организмов разных трофических уровней (площадь прямоугольника одного трофического уровня соответствует его биомассе; в наземных – уменьшается, в морских, как правило, увеличивается). Пирамида чисел – это соотношение численности организмов разных трофических уровней. Пирамида энергий – это соотношение между количеством энергии, заключенной в каждом из трофических уровней экосистемы.

Основные закономерности экологии. Законы Б. Коммонера (законы рационального природопользования), не являются общими законами, а носят вероятностный характер, определяя лишь основное направление развития, наиболее вероятное:

1. Результаты развития любого объекта определяется соотношением его внутренних особенностей и особенностей той среды, в которой он существует. «Все связано со всем».

2. Жизнь может существовать только в процессе движения через живой организм потока веществ, энергии и информации, при чем сам организм, выделяя в ОС продукты своей жизнедеятельности, изменяет ее, ухудшая условия и приближая их к непригодным для жизни. «Ничто не дается даром».

3. Постоянное существование организмов в ограниченном пространстве возможно только в экологических системах, внутри которых отходы жизнедеятельности одних видом организмов в основном утилизируются другими, а остатки не оказывают решающего действия на функционирование системы. «Все должно куда-то деваться».

4. Стабильность систем определяется их развитием и возможностью приспособления. «Природа знает лучше!».

Тема 2: «Проблемы питания, энергетики и народонаселения»

План лекции:

1. Демографический взрыв и Теория Т. Мальтуса.

2. Связь между ростом материальных потребностей и экологий.

3. Энергетико-экологический кризис, меры разрешения.

4. Взаимосвязь между экологией и здоровьем населения.

Признанный всеми лауреат Нобелевской премии, почетный член Британской и ряда других академий Петр Леонидович Капица, выступая перед учеными Англии в 1976 г., дал перечень важнейших проблем, от решения которых зависит дальнейшая жизнь чело­вечества:

1. Рост народонаселения.

2. Потребности в энергетических ресурсах.

3. Потребности в промышленном сырье.

4. Рост загрязнения окружающей среды. Рассмотрим экологические аспекты первых трех проблем.

На протяжении многих тысячелетий народонаселение мира росло чрезвычайно медленно. Считается, что к началу 4-го тысячелетия до н. э. оно составляло около 100 млн., к 1000 г. н. э. едва достигало 300 млн., а к 1500 г. увеличилось до 425 млн. Такие темпы соответствуют годовому приросту мак­симум до 0,7 ‰ т.е. до 7 чел. на 10 000 за год. Начиная с эпохи географических открытий рост народонаселения стано­вится экспоненциальным. А затем нарастание числа людей на Земле, прослеженное уже на основании достаточно достовер­ных исторических данных, приобрело еще более необычный характер, стало гиперболическим. С конца 80-х годов, относительный прирост перестал увеличиваться и рост численности приблизился к линейному со средним значением абсолютного прироста около 85 млн. чел. за год.

Очень быстрое увеличение числен­ности человечества во второй половине XX в. называют демо­графическим взрывом. За 50 лет (1949-1999) народонаселение мира увеличилось почти в 2,5 раза, с 2463 до 6010 млн чел. Если для увеличения народонаселения от 1 до 2 млрд чел. понадобилось 107 лет (с 1820 по 1927 г.), то для 3-го миллиарда – 32 года (1959), для 4-го – 15 лет (1974), для 5-го – 13 лет (1987), для 6-го – 12 лет (1999).

В 1824 г. британец Томас Мальтус проанализировал име­ющиеся у него данные и предположил, что население увеличивается в геометрической прогрессии, а продукция – в арифметической. Отсюда он сделал вывод о неизбежности всеоб­щего голода, нехватки площадей, хаоса и войн. По Маль­тусу, численность человечества каждые 25 лет должна удваиваться: в каждой семье должно быть четверо де­тей, и все взрослые должны быть объединены в семьи. Это не оправдалось, и тем не менее рост народонаселе­ния тревожит многих ученых. Ученые считают, что рост народонаселения в гео­метрической прогрессии невозможен не из-за болезней, голода, войн и других причин, на которые уповал Маль­тус, а вследствие роста культуры населения, сознательно регулирующего свою рождаемость. По данным ООН, численность населения в 1985 г. составила 4,6 млрд, в 1992 г. – 5,48 млрд, а к 2110 г. ожидается стабилиза­ция на уровне 10,5 млрд человек. Некоторые современные демографы вслед за Мальтусом счи­тают, что в настоящее время удвоение населения происходит за 36 лет. Но и эта прогрессия не подходит для долгосрочных про­гнозов. В последние годы ежегодный прирост населения Земли стабилизировался на уровне 97 млн человек. При этом средняя плотность составит 70 человек на 1 км² суши, в Европе этот показатель – 95 чел./км². Таким образом, проблем с пространством не возникнет даже в далеком будущем. И здесь Мальтус не прав. Наконец, современные исследователи этого вопроса считают неправомочным его утверждение об арифме­тическом росте (т. е. не поспевающим за населением) ресурсов питания. Ведь корм составляет часть биомас­сы. А она, по Мальтусу, растет в геометрической про­грессии. Но для опасений все же есть основания: уве­личение плотности населения идет не в ногу с увеличе­нием продукции фито- и зооценозов.

Для того чтобы не оправдались прогнозы ученых необходимо:

Ø регуляция роста населения;

Ø увеличение площади с.-х. угодий, интенсифика­ция ее использования и одновременно переход, хотя бы частично, к вегетарианской, более здоро­вой пище;

Ø рост отдачи от посевов и животных на базе разви­тия науки, использования продукции вод и син­теза продуктов из окружающих минеральных ве­ществ;

Ø рост культуры населения, прежде всего экологи­ческой.

В 1990 – 1995 гг. общий коэффициент рождаемости в мире снизился до 24,6 ‰ общий коэффициент смертности составлял 9,8 ‰ коэффициент естественного прироста – 14,8 ‰. При­мерно такие же параметры воспроизводства населения сохраня­ются и в настоящее время. Это означает, что в среднем каж­дую минуту на Земле появляются 270 младенцев, умирают 110 человек разного возраста, население мира увеличивается на 160 человек. Каждые сутки в тесном орбитальном космическом корабле под названием планета Земля число пассажиров возрас­тает на 230 тысяч.

Еще одно суждение. При рассмотрении перспектив увеличения численности населения не всегда учитыва­ется тенденция к увеличению продолжительности жиз­ни. Чем выше уровень жизни, тем больше ее продолжительность. К 1985 г. в Японии средняя про­должительность жизни составляла 80,1 года для муж­чин и 74,5 года для женщин; в Швеции – 73,8 и 79,8; средняя по Европе – 70 и 76; в СССР – 65 и 74. Эти цифры справедливы и для Ростовской области. Но уже в 1993 г., как и по всей Российской Федерации, они уменьшились: 60,6 и 72,3. В Африке – 45 и 53,5; в США – 71 и 78,3; в Индии – 55 и 55. Цифры говорят сами за себя. И тем не менее, необходимость сознатель­ного, продуманного регулирования роста населения сейчас признают практически все страны.

Современным обще­ством в производство и потребление вовлекается такое количе­ство веществ и энергии, которое в десятки и сотни раз превосхо­дит чисто биологические потребности человека. И хотя каждому из нас сегодня требуется не настолько уж больше, чем нашему далекому предку, инфраструктура цивилизации, ее экономика многократно увеличивает потребление и деградацию природных ресурсов, приходящихся на одного человека. Потребности человечества в ресурсах и энергии рас­тут значительно быстрее, чем численность населения. И это утверждение движет научно-техническим про­грессом, который требует жертв. Так, с 1951 по 1980 гг. численность населения увеличилась в 1,4 раза, а это потребовало (вместе с ростом благосостояния) уве­личения добычи угля в 2,8 раза; электроэнергии – в 13,1; нефти – в 16 раз и т. д. При этом эффективность использования электроэнер­гии упала в 1,5 раза. Причина: все меньше этих ресурсов, все труднее их получать, все еще велики от­ходы (и они увеличиваются с ростом продукции), на­конец, требуется очистка, а она пока нерентабельна (плохо замыкаются циклы). Следовательно, продукты стоят все дороже и не последнюю роль в этом играет энергетика.

Упор дол­жен быть сделан прежде всего на создание безотход­ных и малоотходных производств, размещение пред­приятий и системы транспортных потоков с учетом эко­логических требований, охрану и восстановление всех видов ресурсов. При этом должно обеспечиваться:

Ø соблюдение нормативных требований к сохране­нию качества окружающей среды;

Ø получение максимального народнохозяйственно­го эффекта от улучшения природопользования.

Это особенно важно для стран с рыночной экономи­кой. Появляется мнимое противоречие между требова­ниями хозрасчета, прибыли и экологического благопо­лучия. Рост прибыли невозможен без минимизации расходов, а экология требует удорожания производства. И тем не менее на данном этапе особое значение приоб­ретают экономические санкции:

Ø плата за использование природных ресурсов (это побуждает делать малоотходное производство);

Ø нормативы отчисления прибыли в государствен­ный бюджет или в региональный фонд воспроиз­водства природных ресурсов;

Ø система штрафных санкций.

В быту потребление электроэнергии растет не толь­ко за счет роста населения, но и за счет увеличения комфортности проживания. Для того чтобы снизить антропогенную нагрузку на ОС и сэкономить часть природных ресурсов при выработке электроэнергии необходимо согласиться с ре­комендациями Б. Коммонера относительно бытового потребления энергии:

Ø шире внедрять топливные (солнечные и газовые) элементы;

Ø улучшать изоляцию всех помещений (только за счет кондиционирования можно сэкономить в быту 44 % энергии);

Ø внедрять многокамерные холодильники периоди­ческого действия (экономия в быту – до 30 %);

Ø увеличивать эффективность светильников, при­менять бытовые приборы с высоким коэффици­ентом полезного действия и т. п.

Из множества действующих факторов очень нелегко количественно выделить влияние техногенного загрязнения. Большин­ство значений имеет характер экспертных оценок. По данным экспертов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), здоровье населения, или популяционное здоровье, в среднем на 50 % зависит от экономической обеспеченности и образа жизни людей, на 20 % – от наследственных факторов, на 10 % – от уровня медицинского обслуживания и на 20 % – от состояния окружающей среды. Существуют и другие оценки, которые 40 – 50 % причин заболеваний относят за счет качества среды. На основании обработки большого статистического материала о потерях рабочего времени по болезни сделан, вывод, что техногенное «загрязнение воздуха на 43 – 45 % повинно в ухудшении здоровья населения».

Вся биота экосферы, особенно той ее части, что преобразована человеком – микроорганизмы, растения, животные, люди, – в той или иной степени отравле­ны промышленными ядами. Установлено, например, что скелет современного американца содержит свинца в 1000 раз больше, чем кости аборигенов Мексики в середине первого тысячелетия. В молоке женщин многих стран могут быть обнаружены следы ДДТ (один из полихлорбифенилов). Волосы, ногти и молочные зубы детей в промышленных районах Земли содержат свинец, кадмий, а иногда и следы стронция-90.Однако все чаще возникают ситуации, когда обнаруживаются более или менее ясные симптомы специфических патологий, обусловленных хроническим действием малых концентраций техногенных поллютантов.

По данным Всемирной организации здравоохранения, наследственная отягощенность современной популяции людей в среднем состав­ляет более 5 %. При этом 0,5 % всех новорожденных страдают хромосомными болезнями, более 1 % детей рождаются с забо­леваниями, обусловленными генными мутациями, и более 3,5 % детей рождаются с наследственной предрасположенно­стью к хроническим заболеваниям. В странах Западной Евро­пы разные формы патологии, связанные с наследственной отягощенностью, охватывают до 15 % населения. В европейском населении 15 % человеческих эмбрионов погибает на ранних стадиях развития (спонтанные аборты), 3 % составляют мертворожденные, 2 % – младенческая смертность, 3 % – смертность от наступления репродуктивного возраста, 20 % лиц не вступают в брак, 10 % браков бесплодны. Таким образом, не менее 50 % первичного генофонда не воспроизводится в сле­дующем поколении. Свыше 5млн детей в мире рождаются ежегодно с тяжелыми врожденными дефектами развития.

В период с 1990 по 1995 гг., согласно данным Совета безопасности РФ, более половины смертей про­изошло из-за болезней системы кровообращения, наи­более подверженной влиянию окружающей среды, т. е. из-за ишемической болезни сердца, инфарктов миокар­да, инсультов, гипер- и гипотонии и др. (55 % всех причин смерти.) Немалую долю составляют и новообразования – от 17 %. Если добавить к этому смертельные исходы при болезнях органов дыхания (около 5 % от всех причин) и органов пищеварения (около 3 %), кото­рые также во многом связаны с состоянием среды (см. Государственные доклады о состоянии здоровья насе­ления РФ), то станет ясно, что без кардинального улуч­шения природного окружения невозможно обеспечить выживание человечества.

Тема 3: «Защита атмосферного воздуха»

План лекции:

1. Строение атмосферы и физические процессы в ней.

2. «Загрязнение» и «Загрязнитель» в экологии и их классификация.

3. «Парниковый эффект».

4. Разрушение озонового слоя.

5. Биологическое воздействие загрязнителей и особо опасные загрязнения.

6. Оценка загрязнения воздуха (ПДК, ПДВ, ВСВ, ОБУВ).

7. Понятие о расчетах выбросов от стационарных источников.

8. Мониторинг атмосферного воздуха.