Экология. Учебное пособие-1

Состав абиотической части нашей планеты приблизительно таков:

Fe 36 %, O2 25 %, Si 23 %, Mg 10 %, S 3 %, Ni 2 %, другие 15 %.

Состав биомассы совсем другой: O2 70 %, C 15 %, H 11 %, другие 4 %. Принцип цикличности в превращениях и перемещениях вещества в био-

сфере является основополагающим. Хранение цикличности — условие существования биосферы.

Центральное место в биосфере занимают биохимические циклы: углерода, воды, азота, и фосфора. Эти циклы в наибольшей мере испытали трансформацию при формировании техносферы и агросферы, и изучение их стало важной задачей экологии.

3.4. Стабильность биосферы

Биосфера выступает как чрезвычайно сложная экосистема, которая работает в стационарном режиме на основе саморегуляции всех составляющих ее частей и процессов. Стабильность биосферы основана на высоком уровне разнообразия живых организмов, отдельные группы которых выполняют разные функции, которые обеспечивают определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов.

Внормальном состоянии любой экосистеме и биосфере в целом свойственно стойкое состояние, которое имеет название гомеостаз, который характеризуется динамическим равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением вещества и энергии. Отдельные экосистемы, следовательно, и биосфера, постоянно поддаются внешнему влиянию, которое пытается вывести их из равновесия. Если это влияние не слишком большое, тогда в ходе экологического дублирования нарушенные связи заменяются другими и процесс передачи вещества и энергии продолжается.

Всоответствии с законом внутреннего динамического равновесия — вещество, энергия и информация, в целом взаимозависимые и любое изменение одного из этих показателей, вызывает изменение всех других причем эти изменения происходят в направлении, которые обеспечивают сохранность общей суммы материально энергетических и динамических качеств системы, то есть

еестойкость. Согласно принципу Ле-Шателье, любые внешние влияния, которые выводят систему из состояния равновесия, вызывают в этой системе процессы, которые пытаются ослабить внешнее влияние и повернуть систему в начальное равновесное состояние.

Таким образом, отдельные экосистемы и биосфера в целом противостоят влияниям, которые пытаются нарушить их стабильность.

31

Стабильность биосферы — возможность биосферы сохранять свое состояние, противостоять внутренним возмущениям, включая любые антропогенные влияния, путем выработки в ней саморегулирующих механизмов.

Саморегуляция биосферы — возможность естественной системы к возобновлению внутренних свойств после кратковременного естественного или антропогенного влияния.

Саморегуляция основана на принципе обратных связей отдельных составляющих естественных систем, подсистем и экологических компонентов. Так, например, искусственное или естественное влияние (полив, дождь, удобрения) приводит к резкому росту еды для некоторых животных. Численность этой популяции быстро начинает расти, они поедают весь корм, и вскоре корма становится недостаточно и численность данной популяции начинает падать. В результате обратной связи поддерживается динамическое равновесие между потоками вещества и энергии в биосфере и отдельных ее частях. К саморегуляции относится и процесс самоочистки биосферы и окружающей среды.

Самоочистка биосферы — возможность среды разрушать, переделывать или переводить в индифферентное состояние загрязняющие компоненты природного техногенного и бытового происхождения, которые к ней попадают.

Очистка природной среды от органических загрязняющих веществ наступает в результате минерализации, а от неорганических — в результате химических реакций, которые превращают их в безвредные минеральные соединения. Некоторые высшие растения и микроорганизмы активно очищают среду от загрязнений, расщепляя не свойственные природе вещества.

Обобщая результаты исследований в области геологии, палеонтологии, биологии и других естественных наук, В. И. Вернадский пришел к выводу, что биосфера — это «стойкая динамическая система, равновесие которой установилось в основных чертах и неизменно действует в течение 1,5–2 млрд лет». В. И. Вернадский показал, что стабильность биосферы за это время оказывается в постоянстве ее общей массы ( 1019 т), энергии, связанной с живыми веществами ( 1018 т), и среднего химического состава всего живого. Стабильность биосферы В. И. Вернадский связывал с тем, что функции жизни в биосфере — биохимические функции, не измененные в течение геологического времени, и ни одна из них не появилась вновь.

Все функции живых организмов (создание газовой среды, окислительные процессы, концентрация химических элементов и т.д.) не могут выполняться организмами любого одного вида, а только их комплексом. Отсюда В. И. Вернадский делает важный вывод: биосфера Земли сформировалась с са-

32

мого начала как сложная система с огромным количеством видов, каждый из которых исполняет свою роль в общей системе.

Стабильность биосферы с самого начала была обусловлена ее сложностью. В. И. Вернадскому принадлежит открытие основного закона биосферы —

количество живого вещества является планетарной константой со времени архейской эры, то есть за все геологическое время.

За это время живые организмы морфологически изменились, но количество живого вещества оставалось неизменным. Как считал В. И. Вернадский, в сложной организации биосферы происходили, в пределах живого вещества, только перегруппировка химических элементов, а не коренное изменение состава и количества.

3.5. Учение В. И. Вернадского о ноосфере

Человек, став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на биосферу. Биосфера, со своей стороны, через свои экологические законы, которые человек вынужден соблюдать, чтобы выжить, в том числе и закон биотической регуляции окружающей среды, воздействует на него. Создаются условия, очень напоминающие сопряженную эволюцию, или коэволюцию в системе «человек — биосфера» [31]. Продуктом такой коэволюции может стать так называемая «ноосфера», т.е. сфера разума. Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) — высшая стадия развития биосферы. Это сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития. Впервые понятие «ноосфера» появилось в работах В. И. Вернадского в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. Непреходящая ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближний» космос). Вся эта среда весьма существенно изменяется человеком, благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим представлениям и потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли. В. И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное я в л е н и е н а н а ш е й п л а н е т е », «создание свободного ра-

33

зума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окружающей человека среде». Иными словами, ноосфера — окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом. Человек, по мнению В. И. Вернадского, является частью биосферы, ее «определенной функцией». Подчеркивая тесную связь человека и природы, он допускал, что предпосылки возникновения человеческого разума имели место еще во времена животных предшественников homo sapiens, и проявление его началось миллионы лет назад, в конце третичного периода. Но как новая геологическая сила смог проявить себя только человек. Рост производительных сил резко ускорил темпы социально-экономического развития, которые все более опережают темпы природной эволюции биосферы и, по отношению к природе, деятельность человека стала неконтролируемой и неуправляемой. Если действия такого рода будут продолжаться, то это приведет к деградации и гибели современной биосферы. Поэтому, по В. И. Вернадскому, человечество обязано перейти и перейдет от стихийного к планомерному разумному управлению общественными и природными процессами на Земле — к ноосфере. По утверждению В. И. Вернадского, в сфере разума — ноосфере — должна господствовать гуманистическая идея, а это предполагает гуманизацию социальных отношений, разумное отношение к природе, бережное отношение к ее ресурсам, ко всему живому. Становление ноосферы, по В. И. Вернадскому, процесс длительный, но ряд ученых полагает, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многие считают, что пока об этом говорить рано, так как то, что сейчас происходит во взаимодействии человека и природы, трудно увязать с наступлением эпохи разума. Тем не менее прогресс человеческого разума и научной мысли ноосферы налицо: они вышли уже за пределы биосферы Земли, в космос и глубины литосферы (сверхглубокая Кольская скважина). По мнению многих ученых, ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы. «Биосфера перейдет,

так или иначе, рано или поздно в ноосферу. На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего», — утверждал В. И. Вер-

надский.

34

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО ТЕМАМ МОДУЛЯ 1

1. Выберите определение экологии, которое дал Э. Геккель?

1.Экология — одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами окружающей среды, включая непременно антагонистические и неантагонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом.

2.Экология — наука о стратегии и тактике сохранения и стабильного развития жизни на Земле.

3.Экология — наука о структуре, свойствах и законы функционирования экосистем различного иерархического уровня.

4.Экология — наука об окружающей природе.

5.Все вышеуказанные ответы верные.

2.Что необходимо для нормального функционирования экосистемы

ибиосферы (выберите наиболее полный ответ)?

1.Правильная структура и оптимальные экологические факторы.

2.Постоянный и достаточный приток концентрированной энергии, способной превращаться в работу и сток тепловой энергии.

3.Не должно быть нарушений при прохождении энергии через трофические (пищевые) цепи.

4.Должны нормально функционировать биогео- и биохимические циклы.

5.Все вышеуказанные ответы верные.

3. Что называется «трофической (пищевой) цепочкой»?

1.Это соотношение численности организмов, их биомасс или связанной

вбиомассе энергии.

2.Это часть биологического кругооборота, составленная обменными циклами химических веществ, тесно связанных с жизнью.

3.Это поступления химических элементов из литосферы, атмосферы, гидросферы в живые организмы, превращение их в процессе жизнедеятельности в сложные органические соединения и возвращение их затем в литосферу, атмосферу, гидросферу в процессе жизнедеятельности.

4.Это ряд организмов, в котором каждое предыдущее звено является пищей для последующих.

5.Это ряд организмов, в котором каждое предыдущее звено используется как пища для предыдущих.

35

4.Что является объектом изучения в экологии?

1.Экосистемы различного иерархического уровня.

2.Продуценты.

3.Консументы.

4.Редуценты.

5.Органические химические соединения.

5.Какие значения экологического фактора называются «лимитирующими экологическими факторами»?

1.Значение данного экологического фактора оптимально благоприятного для жизни.

2.Максимальные и минимальные сдерживающие значения дозы экологического фактора.

3.Значение данного экологического фактора, при котором возможна

жизнь.

4.Значение экологического фактора, при котором живые организмы находятся в латентном (спящем) состоянии.

5.Все вышеуказанные ответы верные.

6.Основные положения учения В. И. Вернадского о биосфере?

1.Биосфера — планетарное явление космического характера, то есть явление космическое, а не сугубо земное.

2.Биосфера — глобальная система Земли, где основной ход геохимических преобразований определяется жизнью.

3.Стабильность биосферы проявляется в постоянстве ее общей массы

( ), а также энергии, связанной с живыми организмами, и среднего химического состава всего живого на планете Земля ( ).

4.Стабильность биосферы связана с основными жизненными функциями, происходящими в биосфере с биохимическими кругооборотами, которые не изменялись в течение геологического времени.

5.Все вышеуказанные ответы верные.

7. Выберите основные типы веществ в биосфере по В. И. Вернадскому (выберите верные ответы)?

1.Живые вещества, представленные организмами разных видов.

2.Биогенные вещества, являющиеся продуктом жизнедеятельности организмов (каменный уголь, торф).

36

3.Неживые вещества (косные), в образовании которых живые организмы не принимают участия; радиоактивные вещества; космические вещества (метеориты, звездная пыль).

4.Биокосные вещества, которые сформированы за счет взаимодействия живого и костных веществ (почва).

5.Все вышеуказанные ответы верные.

8. Выберите наиболее правильное определение ноосферы.

1.Это сфера Земли и ближнего космоса, в наибольшей степени прямо или косвенно видоизмененная человеком в прошлом и будет еще больше изменена обществом в будущем.

2.Это сфера сплошной человеческой деятельности, охваченная человеческим трудом.

3.Это фаза развития биосферы, когда главным фактором ее функционирования становится разумная деятельность человечества, т.е. она целенаправленно развивается под действием разума.

4.Это территориальные системы, охватывающие определенные группы общества со всеми продуктами производственной деятельности и окружающую среду в пределах более или менее автономно управляемых административнохозяйственных единиц различного ранга.

5.Это термодинамически открытые, функционально целостные системы, которые существуют за счет поступления из окружающей среды энергии и частично химических веществ и которые саморазвиваются и саморегулируются.

9. Выберите реакцию фотосинтеза в общем виде:

1.6CO2 + 6H2O + (мин. соли) + (солнечная энергия) = (биомасса) + 6O2.

2.CO2 + H2O + (мин. соли) + (солнечная энергия) = (биомасса) + O2.

3.6CO2 + 6H2O + 2 818,7 кДж = С6 Н12О6 + 6О2.

4.CO2 + H2O + 2 818,7 кДж = С6 Н12О6 + О2.

5.CO2 + H2O + 2 818,7 кДж = 6С6 Н12О6 + О2.

10. Что такое гидросфера?

1.Это газовая оболочка Земли, которая простирается в космическое пространство примерно на 3 000 километров.

2.Это водная оболочка Земли: совокупность океанов, морей, рек, озер, подземных вод и ледников.

37

3.Это верхняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору с частью верхней мантии Земли и состоит из осадочных, изверженных и метаморфозных пород.

4.Это самостоятельное природно-историческое, органо-минералоги- ческое тело природы, которое возникло в гравитационном поле Земли в результате воздействия живых и мертвых организмов, природных вод на поверхностные прослойки горных пород в различных условиях климата и рельефа.

5.Все вышеуказанные ответы верные.

11. Что такое биохимические кругообороты (циклы) веществ?

1.Биохимические циклы — это циклическое перемещение биогенных элементов: углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора, кальция, калия

идр. — от данного компонента биосферы к другим так, что на определенных участках этого кругооборота они входят в состав живого вещества.

2.Биохимические циклы — это циклическое перемещение органического вещества от данного компонента биосферы к другим так, что на определенных участках этого кругооборота они входят в состав живого вещества.

3.Биохимические циклы — это циклическое перемещение воды от данного компонента биосферы к другим так, что на определенных участках этого кругооборота они входят в состав живого вещества.

4.Биохимические циклы — это циклическое перемещение гумуса от данного компонента биосферы к другим.

5.Все вышеуказанные ответы верные.

38

МОДУЛЬ 2. ЭКОЛОГИЯ И ЧЕЛОВЕК

4. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА БИОСФЕРУ

Одним из важнейших свойств биосферы является постоянная динамика эволюционного и циклического характера, которая происходит под воздействием различных экологических факторов. Наряду со способностью к изменениям, биосфера обладает свойством саморегуляции, что способствует и нейтрализации негативных процессов. Динамическая устойчивость биосферы на протяжении всего периода ее существования достигалась за счет сложнейших межвидовых связей объектов естественной биоты, структурно организованной в виде природных экосистем. С началом активной деятельности человека вносимые им в биосферу изменения стали настолько катастрофичными для нее, что экологи выделяют особую группу экологических факторов — антропогенные (или антропические).

Антропические факторы — разнообразные формы влияния человеческой деятельности на организмы, их сообщества или на экосистемы в целом. Они нередко оказываются более существенными в жизни организмов, чем абиотические или биотические факторы в самых отрицательных их проявлениях. Человек воздействует на природные объекты комплексно и двумя способами: прямым (сведение лесов, распашка, промысел) и косвенным, путем изменения условий среды. Антропогенные факторы по силе их отрицательного воздействия на природу сравнивают с мощными геологическими катаклизмами, в результате которых существенным образом изменялся облик Земли. Антропогенные факторы оказывают отрицательное воздействие и на абиотические компоненты природы [32].

4.1. Классификация антропогенных воздействий

Антропогенные воздействия на экосферу и среду обитания людей подразделяются по следующим категориям:

1. Общий характер процессов антропогенного воздействия, предопределяемый формами человеческой деятельности:

–изменение ландшафтов и целостности природных комплексов;

–изъятие природных ресурсов;

–загрязнение окружающей среды.

39

2.Материально-энергетическая природа воздействий: механические, физические (тепловые, электромагнитные, радиационные, радиоактивные, акустические), физико-химические, химические, биологические факторы и агенты, их различные сочетания.

3.Категории объектов воздействия: природные ландшафтные комплексы, поверхность земли, почва, недра, растительность, животный мир, водные объекты атмосферы, микросреда и микроклимат обитания, люди.

4.Количественные характеристики воздействия: пространственные масштабы (глобальные, региональные, локальные), единичность и множественность, сила воздействий и степень их опасности (интенсивность факторов и эффектов, характеристики типа «доза — эффект», допустимость по нормативным экологическим и санитарно-гигиеническим критериям, степень риска и т. п.).

5.Временные параметры и различия воздействий по характеру наступающих изменений: кратковременные и длительные, стойкие и нестойкие, прямые и опосредованные, обладающие выраженными или скрытыми следовыми эффектами, вызывающие цепные реакции, обратимые и необратимые и т.д.

Споследними категориями классификации связано еще деление всех антропогенных изменений на преднамеренные и непреднамеренные [33].

Преднамеренные преобразования: освоение земель под посевы или многолетние насаждения, сооружение водохранилищ, каналов и оросительных систем, строительство городов, промышленных предприятий и путей сообщения, рытье котлованов, разрезов, шахт и бурение скважин для добычи полезных ископаемых, осушение болот и т.д.

К непреднамеренным изменениям относят: загрязнение окружающей среды, изменения газового состава атмосферы, изменения климата, кислотные дожди, ускорение коррозии металлов, образование фотохимических туманов (смогов), нарушение озонового слоя, развитие эрозионных процессов, наступление пустыни, экологические катастрофы в результате крупных аварий, обеднение видового состава биоценозов, развитие экологической патологии у населения и т.п. [33].

Под загрязнением окружающей среды понимают любое внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии со снижением продуктивности или разрушением данной экосистемы.

40