2. Классификация ресурсов

Ресурсы живых существ можно разделить на:

- незаменимые;

- взаимозаменяемые.

Незаменимые ресурсы - та часть природных ресурсов, которые не могут быть заменены другими ни сейчас, ни в обозримой перспективе, ни практически, ни теоретически (например, живая природа, условия существования людей и т.п.).

Незаменимые ресурсы - это когда один не в состоянии заменить другой, который, в свою очередь, становится жестким лимитирующим фактором.

Ресурсы могут выступать лимитирующим фактором, поскольку никто не отменял закона толерантности при использовании компонентов среды как ресурсов.

Взаимозаменяемые ресурсы - это когда любой из двух ресурсов можно заменить другим, при этом они могут быть и различного качества.

Но взаимозаменяемые ресурсы могут быть взаимодополняющими, если при совместном потреблении обоих ресурсов в совокупности их требуется меньше, чем при раздельном потреблении.

Однако может быть и наоборот: при совместном потреблении ресурсов, для поддержания жизни организмов обоих ресурсов расходуется больше, чем при раздельном потреблении.

Такие ресурсы называются антагонистическими.

Такое бывает, если, например, один ресурс содержит одно токсичное соединение, а второй - другое, то поедание обоих ресурсов неблагоприятно сказывается на росте организмов, чем, если бы они питались одним из ресурсов.

3. Экологическое значение незаменимых ре-сурсов

Первое испытание - это конкуренция на внутривидовом уровне за ресурсы.

Единственным ресурсом энергии для зеленых растений является свет.

На таких значениях эффективности использования световых ресурсов и держится вся энергетика экосистемы.

Диоксид углерода также незаменимый ресурс в фотосинтезе, но проблем с его недостатком не возникает.

Минеральные ресурсы - это извлекаемые растением из почвы биогенные микро- и макроэлементы.

Минеральные ресурсы «добываются» корневой системой растений, их доступность неразрывно связана с доступностью воды, а наличие и количественный состав зависят от содержания биогенных веществ в почве.

Кислород в наземных сообществах не является пока лимитирующим ресурсом, но растворимость в воде у него значительно меньше, чем у углекислого газа, поэтому в водной среде кислород является лимитирующим ресурсом.

Для всех существ, кроме анаэробов, кислород - незаменимый ресурс.

Диоксид углерода.

Деятельность человека достигла уже такого уровня развития, при котором ее влияние на природу приобретает глобальный характер. Природные системы - атмосфера, суша, океан, - а также жизнь на планете в целом подвергаются этим воздействиям. Известно, что на протяжении последнего столетия увеличивалось содержание в атмосфере некоторых газовых составляющих, таких, как двуокись углерода, закись азота, метан и тропосферный озон. Сжигание топлива, лесные и степные пожары - это основные причины увеличения содержания диоксида углерода в атмосфере. В то же время поглощение СО₂ из атмосферы основными его потребителями (лесными растениями и фитопланктоном Мирового океана) сократилось за счет уменьшения площадей лесов, гибели фитопланктона. В результате этого поступление углерода в атмосферу стало превышать его потребление растениями. Ежегодный прирост СО₂ в атмосфере составляет около 3,5 млрд. т.

Возрастание диоксида углерода в атмосфере усиливает парниковый эффект, так как СО₂ успешно пропускает длинноволновые лучи солнечного света к поверхности Земли и задерживает коротковолновое излучение. Поэтому чем выше концентрация СО₂ в атмосфере, тем меньше тепла рассеивает Земля, тем выше средняя температура у земной поверхности. Потеплению климата Земли способствует также поступление тепла в атмосферу за счет сжигания нефтепродуктов, угля, торфа, работы разнообразных двигателей. Повышение средних температур на земном шаре может существенно изменить ход природных процессов биосферы. Например, известно, что повышение средних температур приземного слоя воздуха в 1930 - е годы на 0,4°С сопровождалось сокращением площади льдов в Арктике на 10%, жестокими засухами во многих странах, сдвигами границ ландшафтных зон до 200 км к северу.

В противоположном направлении на климат влияет запыленность атмосферы. Пылевые частицы, скапливаясь в верхних слоях атмосферы, отражают часть солнечных лучей и тем самым сокращают количество тепла, поступающего на Землю от Солнца. Ученые полагают, что, несмотря на увеличение концентрации СО₂ в атмосфере в 1940 - е годы, потепление сменилось похолоданием именно за счет увеличения запыленности воздуха.

Тщательные измерения содержания атмосферного СО₂ были начаты в 1957 г. Киллингом в обсерватории Мауна - Лоа. Регулярные измерения содержания атмосферного СО₂ проводятся также на ряде других станций. Из анализа наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации СО₂ обусловлен в основном сезонными изменениями цикла фотосинтеза и деструкции растений на суше; на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость СО₂ в морской воде. Третьим, и, вероятно, наименее важным фактором является годовой ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание СО₂ в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники антропогенного поступления СО₂ расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения содержания СО₂, которые, вероятно, определяются особенностями общей циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации СО₂ в атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет регулярном росте содержания атмосферного СО₂. Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны. Образцы воздуха отбирались без необходимой тщательности, и не производилась оценка погрешности результатов. С помощью анализа состава пузырьков воздуха из ледниковых кернов стало возможным получить данные для периода с 1750 по 1960 год. Было также выявлено, что определенные путем анализа воздушных включений ледников значения концентраций атмосферного СО₂ для 50 - х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна - Лоа. Концентрация СО₂ в течение 1750 - 1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн.^-1, после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 343 ± 1 млн. ^-1.

В стационарном состоянии, существовавшем в доиндустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа ¹⁴С находилось в морской воде и донных отложениях (содержание ¹⁴С в последних составляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс между переносом ¹⁴С из атмосферы в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен СО₂ между атмосферой и океаном можно определить путем измерения разности содержания ¹⁴С в углекислом газе атмосферы и растворенном СО₂ в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации ¹⁴С в атмосфере и ее увеличением в поверхностных водах океана после проведения испытаний ядерного оружия дают еще одну возможность определить скорость газообмена. Третий способ оценки скорости газообмена между атмосферой и океаном заключается в измерении отклонения от состояния равновесия между ²²⁶Ra и ²²²Rn, обусловленного поступлением ²²²Rn из океана в атмосферу. Средняя скорость газообмена СО₂ между атмосферой и океаном при концентрации СО₂ в атмосфере 300 млн.^-1, полученная на основе этих трех способов, равна 18 ± 5 моль/(м² х год). Это означает, что среднее время пребывания СО₂ в атмосфере равно 8,5 ±2 лет. Скорость газообмена на границе раздела между атмосферой и океаном зависит от состояния поверхности океана, от скорости ветра и волнения.

С 1860 по 1984 год в атмосферу поступило (185 ± 15)-10¹⁵ г С за счет сжигания ископаемого топлива, скорость выброса СО₂ в настоящее время (по данным на 1984 год) равна 5,2-10¹⁵ г С/год.

В течение этого же периода времени поступление СО₂ в атмосферу за вырубки лесов и изменения характера землепользования составило (150 ± 50) • 10^ь г С, интенсивность этого поступления в настоящее время равна (1,6 ± 0,8)-10¹⁵ г С/год.

С середины прошлого века концентрация СО₂ в атмосфере увеличилась от 275±10 до 343±1 млн.^-1 в 1984 году.

Если интенсивность выбросов СО₂ в атмосферу в течение ближайших четырех десятилетий останется постоянной или будет возрастать очень медленно (не более 0,5% в год) и в более отдаленном будущем также будет расти очень медленно, то к концу XXI века концентрация атмосферного СО₂ составит около 440 млн.^-1, т.е. не более, чем на 60% превысит до индустриальный уровень.

Если интенсивность выбросов СО₂ в течение ближайших четырех десятилетий будет возрастать в среднем на 1 - 2 % в год, т.е. также, как она возрастала с 1973 года до настоящего времени, а в более отдаленном будущем темпы ее роста замедлятся, то удвоение содержания СО₂ в атмосфере по сравнению с до индустриальным уровнем произойдет к концу XXI века.

Основные неопределенности прогнозов концентрации СО₂ в атмосфере вызваны недостаточным знанием роли следующих факторов:

• - скорости водообмена между поверхностными, промежуточными и глубинными слоями океана;

• - чувствительности морской первичной продукции к изменениям содержания питательных веществ в поверхностных водах;

• - захоронения органического вещества в осадках в прибрежных районах (и озерах);

• - изменение щелочности, и, следовательно, буферного фактора морской воды, вызванных ростом содержания растворенного неорганического углерода;

• - увеличения интенсивности фотосинтеза и роста биомассы и почвенного органического вещества в континентальных экосистемах за счет роста концентрации СО₂ в атмосфере и возможного отложения питательных веществ, поступающих из антропогенных источников;

• - увеличения скорости разложения органического вещества почв, особенно в процессе эксплуатации лесов;

• - образования древесного угля в процессе горения биомассы. Величина ожидаемого изменения средней глобальной температуры при удвоении концентрации СО₂ приблизительно соответствует величине ее изменения при переходе от последнего ледникового периода к современному межледниковью. Более умеренное потребление ископаемого топлива в течение ближайших десятилетий могло бы продлить возможность его использования на более отдаленную перспективу. В этом случае концентрация СО₂ в атмосфере не достигнет удвоенного значения по сравнению с доиндустриальным уровнем.

Проблема изменения климата в результате эмиссии парниковых газов должна рассматриваться как одна из самых важных современных проблем, связанных с долгосрочными воздействиями на окружающую среду, и рассматривать ее нужно в совокупности с другими проблемами, вызванными антропогенными воздействиями на природу.

В 1988 г. Генеральной Ассамблеей ООН была создана Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата (IPCC). В задачи этой группы входило оценить состояние проблемы и привлечь к ней внимание мировых лидеров.

Учеными был сделан однозначный вывод о том, что выбросы в атмосферу, вызванные человеческой деятельностью, приводят к существенному увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере. На основе расчетов с использованием компьютерных моделей было показано, что если сохранится нынешняя скорость поступления парниковых газов в атмосферу, то всего за 30 лет температура в среднем по Земному шару повысится, примерно, на 1°. Это необычно большое повышение температуры, если судить по палеоклиматическим данным.

Перед лицом глобальной опасности изменения климата в 1992 г. на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио - де-Жанейро странами - членами ООН была подписана рамочная Конвенция об изменении климата, которая ратифицирована Российской Федерацией 4 ноября 1994 г. В настоящее время Конвенция вступила в силу. Согласно статьям 4 и 12 Конвенции Российская Федерация обязана регулярно разрабатывать и представлять Конференции сторон Конвенции национальные программы и сообщения с подробным описанием политики и мер по регулированию антропогенных выбросов и стоков парниковых газов, а также мер по адаптации к изменениям климата.

Вода

Вода служит средой обитания многих организмов. Из воды же они получают все необходимые для жизни вещества: пищу, воду, газы. Поэтому как бы ни было высоко разнообразие водных организмов, все они должны быть приспособлены к главным особенностям жизни в водной среде. Эти особенности определяются физическими и химическими свойствами воды. В толще воды постоянно находится большое число мелких представителей растений и животных, ведущих жизнь во взвешенном состоянии. Способность их к парению обеспечивается не только физическими свойствами воды, обладающей выталкивающей силой, но и специальными приспособлениями самих организмов. Например, многочисленными выростами и придатками, значительно увеличивающими поверхность тела относительно массы и, следовательно, повышающими трение об окружающую жидкость.

Другой пример - медузы. Их способность удерживаться в толще воды определяется не только характерной формой тела, напоминающей парашют, но и его сильной обводненностью. Плотность тела медуз очень близка к плотности воды.

К передвижению в водной среде животные приспособлены по - разному. Активные пловцы (рыбы, дельфины и др.) имеют характерную обтекаемую форму тела и конечности в виде плавников. Их быстрое плавание облегчается также особенностями строения внешних покровов и наличием специальной смазки - слизи, снижающей трение о воду. У некоторых водных жуков выпущенный из дыхалец отработанный воздух задерживается между телом и надкрыльями благодаря не смачиваемым водой волоскам. С помощью такого приспособления водное насекомое быстро поднимается на поверхность воды, где выпускает воздух в атмосферу. Многие простейшие передвигаются при помощи колеблющихся ресничек (инфузории) или жгутиков (эвглена).

Вода обладает очень высокой теплоемкостью, то есть свойством накапливать и удерживать тепло. По этой причине в воде не бывает резких колебаний температуры, которые часто случаются на суше. Воды полярных морей могут быть очень холодными - близкими к замерзанию. Однако постоянство температуры позволило развиться ряду приспособлений, обеспечивающих жизнь даже в этих условиях.

В то время как животные приспособились жить на огромных океанских глубинах, растения выживают только в верхнем слое воды, куда попадает свет - лучистая энергия, необходимая для фотосинтеза. Этот слой называют фотической зоной. Так как поверхность воды отражает большую часть света, даже наиболее прозрачные океанские воды имеют фотическую зону, толщина которой не превышает 100 м. Большинство животных, обитающих ниже фотической зоны, питаются либо живыми организмами, либо останками животных и растений, постоянно опускающимися из верхнего слоя. Одним из наиболее важных свойств воды является способность растворять в себе другие вещества, которые могут использоваться водными организмами для дыхания и питания.

Для дыхания необходим кислород. Поэтому насыщенность им воды имеет очень большое значение.

Количество растворенного в воде кислорода уменьшается с увеличением температуры, причем в морской воде кислород растворяется хуже, чем в пресной. По этой причине воды открытого моря тропического пояса бедны живыми организмами и, наоборот, в полярных водах, где больше кислорода, наблюдается обилие планктона - мелких рачков, которыми кормятся представители богатой фауны, включая рыб и крупных китообразных. Дыхание водных организмов может совершаться всей поверхностью тела или специальными органами - жабрами. Для успешности дыхания необходимо, чтобы вблизи тела происходило постоянное обновление воды. Это достигается различного рода движениями.

Взвешенное состояние мелких частичек и их перенос движущейся водой определяют способы питания многих животных, органы, принятия пищи которых устроены по принципу сита. Для того чтобы отцедить достаточное количество пищевых частиц, приходится пропускать через это сито большое количество воды. Для многих организмов необходимо поддержание постоянного тока воды. Это может обеспечиваться движением самого животного или особыми приспособлениями, например колеблющимися ресничками или щупальцами, которые производят возле рта водоворот, загоняющий в него пищевые частицы.

Очень важным для жизни является солевой состав воды, особенное значение для организмов имеют ионы Са ⁺. Моллюскам и ракообразным кальций совершенно необходим для построения раковины или панциря. Концентрация солей в воде может сильно изменяться. Вода считается пресной, если в ней содержится менее 0,5 г на литр растворенных солей. Морская вода отличается постоянством солености и содержит в среднем 35 г солей в одном литре.

Минеральные ресурсы

В отличие от возобновимых ресурсов, которые при их правильном использовании оказываются практически неистощимыми, полезные ископаемые можно использовать лишь один раз, после чего они исчезают. Эти ресурсы невозвратимы. Темпы их образования неизмеримо медленнее, чем темпы добычи.

О важности минеральных ресурсов можно судить по их разнообразию и многостороннему использованию в повседневной жизни.

Некоторые минералы столь же важны для жизни и здоровья людей, как воздух и вода. Поваренная соль, например, без которой не может обходиться человек, была объектом обмена на всем протяжении человеческой истории. Она стала и важнейшим промышленным сырьем - ее запасы в земной коре в океане очень велики и человечество располагает этим ресурсом в изобилии. Иначе обстоит дело с минеральным топливом и металлами. Многие из них являются ни изобильными, ни дешевыми и потому должны находиться под охраной как исчезающий вид ресурсов.

Темпы эксплуатации земных недр ускоряются из года в год, поэтому необходимо обеспечить рациональное и полное их использование.

Более сотни негорючих материалов добываются из земной коры в настоящее время. Минералы образуются и видоизменяются в результате процессов, происходящих в ходе образования земных горных пород на протяжении многих миллионов лет.

Когда 80% резервов или оцененных ресурсов материала оказываются извлеченными и использованными, ресурс считается исчерпанным, так извлечение оставшихся 20% обычно не приносит прибыли. Некоторым экономически исчерпанным ресурсам удается найти замену.

Для увеличения запасов сторонники защиты окружающей среды полагают увеличить долю рециркуляции и повторного использования невозобновимых минеральных ресурсов и снизить неоправданные потери таких ресурсов. Рециркуляция, вторичное использование и снижение количества отходов требует для своей реализации меньше энергетических затрат и в меньшей степени разрушают почву и загрязняют воду и воздух, чем использование первичных ресурсов.

Сторонники защиты окружающей среды призывают индустриальные страны совершить переход от одноразового использования с большим количеством отходов к хозяйству, производящему незначительное количество отходов. Это потребует, кроме рециркуляции и вторичного использования, также привлечения экономических стимулов, определенных действий правительств и людей, а также изменения в поведении и образе жизни населения Земли.

Обычную сырую нефть можно легко транспортировать, она является относительно дешевым и имеющим широкое применение видом топлива, обладает высоким значением чистого выхода полезной энергии. Однако доступные запасы нефти могут быть исчерпаны через 40 - 80 лет, при сжигании нефти в атмосферу выделяется большое количество углекислого газа, что может привести к глобальному изменению климата планеты.

Нетрадиционная тяжелая нефть, остаток обычной нефти, а также добываемая из нефтеносных сланцев и песка, может увеличить запасы нефти. Но она является дорогостоящей, обладает низким значением чистого выхода полезной энергии, требует для переработки большого количества воды и оказывает более вредное воздействие на окружающую среду, чем обычная нефть.

Обычный природный газ дает больше тепла и сгорает более полно, чем другие ископаемые виды топлива, является многосторонним и относительно дешевым видом топлива и обладает высоким значением чистого выхода полезной энергии. Но его запасы могут быть исчерпаны через 40 - 100 лет, и при его сжигании образуется углекислый газ.

Уголь - самый распространенный в мире вид ископаемого топлива обладает высоким значением чистого выхода полезной энергии при производстве электричества и выработке высокотемпературного тепла для производственных процессов, и относительно дешев. Но уголь чрезвычайно грязен, его добыча опасна и наносит вред окружающей среде, так же как и сжигание, если отсутствуют дорогостоящие специальные устройства контроля уровнем загрязнения воздуха; выделяет больше углекислого газа на единицу полученной энергии, чем другие ископаемые виды топлива, и неудобно его использовать для движения транспорта и отопления домов, если предварительно не перевести его в газообразную или жидкую форму. Значительное нарушение почвенного покрова при добыче.

Теплота, скрытая в земной коре, или геотермальная энергия, преобразуется в невозобновимые подземные месторождения сухого пара, водяного пара и горячей воды в различных местах планеты. Если эти месторождения расположены достаточно близко к земной поверхности, полученное при разработке тепло можно использовать для отопления помещений и выработки электроэнергии. Они могут обеспечить энергией на 100 - 200 лет области, расположенные вблизи месторождений, причем по умеренной цене. Они обладают средним значением чистого выхода полезной энергии и не выделяют углекислый газ. Хотя и этот вид источника энергии приносит немало неудобств при добыче и немалое загрязнение окружающей среды.

Реакция ядерного деления - также источник энергии, причем очень перспективный. Основными преимуществами этого источника энергии заключаются в том, что ядерные реакторы не выделяют углекислого газа иных веществ, вредных для окружающей среды, и степень загрязнения вoды и почвенного покрова находится в допустимых пределах, при условии, что весь цикл ядерного топлива протекает нормально. К недостаткам можно отнести то, что очень велики затраты на оборудование для обслуживания это источника энергии; обычные атомные электростанции могут использовать только для производства электроэнергии; существует риск крупной аварии чистый выход полезной энергии низок; не разработаны хранилища для радиоактивных отходов. В силу вышеперечисленных недостатков этот источник энергии в настоящее время мало распространен. Поэтому экологически чистое будущее - за альтернативными источниками энергии.

Кислород

Кислород - самый распространенный элемент земной коры. В свободном состоянии 20,9% кислорода находится в атмосферном воздухе, что составляет приблизительно 1/5 по объему.

Кислород входит в состав почти всех окружающих нас веществ. Так, например, вода, песок, многие горные породы и минералы, составляющие земную кору, содержат кислород. Кислород является также важной частью многих органических соединений, например белков, жиров и углеводе имеющих исключительно большое значение в жизни растений, животных человека. Общее количество кислорода в земной коре близко к половине массы (около 47%).

Кислород играет важнейшую роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. Он необходим всем для дыхания. Кислород не всегда входил в состав земной атмосферы. Он появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Под действием ультрафиолетовых лучей кислород (О₂) превращался в озон. По мере накопления озона произошло образование озонового слоя в верхних слоях атмосферы. И теперь озоновый слой, как экран, надежно защищает поверхность Земли от ультрафиолетовой солнечной радиации, гибельной для живых организмов.

Современная атмосфера содержит едва ли двадцатую часть кислород имеющегося на нашей планете. Главные запасы кислорода сосредоточены в карбонатах, в органических веществах и оксидах, часть кислорода растворена в воде. В атмосфере, по - видимому, сложилось приблизительное равновесие между производством кислорода в процессе фотосинтеза и его потребление живыми организмами. Но в последнее время появилась опасность, что в результате человеческой деятельности запасы кислорода в атмосфере могут уменьшиться. Особую опасность представляет разрушение озонового слоя, которое наблюдается в последние годы. Большинство ученых связывают это с деятельностью человека.

Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним вступает в реакцию большое количество органических и неорганических веществ, а также водород, соединяясь с которым кислород образует воду.