Конспект лекцій Основи екології 2015

телекамеру. Коли через півроку її повернули на Землю, на внутрішньому боці кришки було виявлено земні бактерії, котрі без будь-яких шкідливих наслідків пережили тривале перебування за межами рідної планети.

Проте слід пам'ятати, що, незважаючи на свої великі потенційні можливості, «працює» жива речовина лише в межах біосфери.

Біосфера – це відкрита термодинамічна система, що одержує енергію у вигляді променистої енергії Сонця й теплової енергії процесів радіоактивного розпаду речовин у земній корі та ядрі планети. Радіоактивна енергія, частка якої в енергетичному балансі планети була значною на абіотичних фазах, нині не відіграє помітної ролі в житті біосфери, й основне джерело енергії сьогодні – це сонячне випромінювання. Щороку Земля одержує від Сонця енергію, яка становить близько 10,5∙1020 кДж. Більша частина цієї енергії відбивається від хмар, пилу й земної поверхні (близько 34 %), нагріває атмосферу, літосферу й Світовий океан, після чого розсіюється в космічному просторі у вигляді інфрачервоного випромінювання (42 %), витрачається на випаровування води й утворення хмар (23 %), на переміщення повітряних мас – утворення вітру (близько 1 %). І лише 0,023 % сонячної енергії, що потрапляє на Землю, вловлюється продуцентами – вищими рослинами, водоростями та фототрофними бактеріями – й запасається в процесі фотосинтезу у вигляді енергії хімічних зв'язків органічних сполук. За рік у результаті фотосинтезу утворюється близько 100 млрд. т органічних речовин, в яких запасається не менш як 1,8∙1017 кДж енергії.

Отже, в процесі роботи, яку здійснює біосфера, вловлена сонячна енергія трансформується, тобто йде на виконання так званої корисної роботи, й розсіюється. Ці два процеси підпорядковуються двом фундаментальним природним законам — першому та другому законам термодинаміки.

Перший закон термодинаміки часто називають законом збереження енергії. Це означає, що енергія не може бути ні народжена, ні знищена, вона може бути лише трансформована з однієї форми в іншу. Кількість енергії при цьому не змінюється.

Другий закон термодинаміки визначає напрям якісних змін енергії в процесі її трансформації з однієї форми в іншу. Закон описує співвідношення корисної та марної роботи під час переходу енергії з однієї форми в іншу й дає уявлення про якість самої енергії.

Кількість енергії, непридатної для здійснення корисної роботи, називають ентропією. Спрощено ентропія – це міра дезорганізації, безладу, випадковості систем та процесів. Отже, за другим законом термодинаміки,

21

будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії в енергію нижчої та найнижчої якості – тепло й призводить до зростання ентропії. Крім ентропії фізичної (ентропії замкненої системи), в екології використовують поняття «ентропія екологічна» – кількість необоротно розсіяної в просторі теплової енергії, яка, проте, компенсується трансформованою енергією зовнішнього джерела – Сонця.

Ентропія екологічна.

В Космосі ентропія зростає з плином часу, але всередині хаосу існують острівці порядку. Один із найважливіших серед них — життя. Живі системи за рахунок високо впорядкованої енергії Сонця з низько впорядкованих компонентів довкілля створюють свій, вищий, ніж у довкіллі, порядок. В процесі самовпорядкування жива речовина необоротно розсіює енергію, яка плине крізь екосистеми, тобто створює ентропію екологічну.

Теплове розсіяння енергії екосистемами відбувається двома основними шляхами:

o звичайних утрат тепла через різницю в температурах біоти й довкілля;

oвтрат тепла організмами та їх угрупованнями в процесах метаболізму (зокрема дихання) у зв'язку з вивільненням енергії в ході екзотермічних реакцій.

Зпогляду другого закону термодинаміки біосфера не є «безвідходним виробництвом»: відходи її діяльності – це не речовина, а це низькоякісна теплова енергія, що випромінюється за межі планети, тобто ентропія.

Вважають, що еволюція біосфери відбувалася в напрямі зменшення екологічної ентропії. Адже за постійної кількості енергії, що надходить, чим менше тепла випромінюється, тим більше виконується корисної роботи, тим упорядкованішою стає система.

Рослини поглинають енергію Сонця. Ця енергія циркулює в системі, яку ми називаємо біотою. Система не замкнена – частина енергії втрачається

впроцесі тління, частина додається поглинанням із повітря, частина накопичується в ґрунті, торфі й лісах-довгожителях, але це система, яка діє постійно, своєрідний фонд життя, що повільно нагромаджується й перебуває

впостійному обігу.

Велика кількість біомаси та енергії під час переходу з одного трофічного рівня на інший розсіюється, витрачається на підтримання температури тіла організмів, на перетворення в СО2; не вся біомаса нижчого рівня використовується як їжа організмами вищого рівня й не вся засвоюється організмами. Інакше кажучи, за другим, законом термодинаміки, енергія перетворюється на тепло, що розсіюється в довкіллі й втрачається в

22

просторі. Як зазначалося вище, за підрахунками екологів, лише 10 % біомаси одного трофічного рівня перетворюється на біомасу другого рівня (так зване правило десяти відсотків).

Потік енергії в ланцюгах живлення залежить від довжини конкретного ланцюга, яка визначається кількістю трофічних рівнів. Продуценти, що синтезують органічну речовину, належать до першого трофічного рівня. Консументи, які поїдають органічну речовину продуцентів, наприклад травоїдні тварини (фітофаги), – до другого рівня; консументи, котрі поїдають фітофагів (наприклад, хижаки, що полюють на травоїдних), перебувають на третьому рівні й т. д. Редуценти, які розкладають органічні речовини на мінеральні компоненти, перебувають на останньому трофічному рівні й завершують ланцюг живлення. Вони остаточно вивільняють енергію, зв'язану раніше продуцентами.

Поїдаючи або розкладаючи органічну речовину представників попереднього трофічного рівня, консументи чи редуценти дістають речовину й енергію, необхідні для процесів метаболізму, побудови й підтримання власного тіла. При цьому близько 90 % енергії, запасеної в спожитій органіці, розсіюється у вигляді тепла й лише в середньому 10 % використовується на побудову та підтримання тіла того, хто цю органічну речовину спожив. Наприклад, консументи першого порядку (фітофаги), які поїдають продуцентів, зберігають у вигляді органічної речовини свого тіла лише 10 % енергії, зв'язаної рослинами в процесі фотосинтезу; в тілі консумента другого порядку (зоофага, що живиться фітофагами) запасається тільки 1 % поглинутої сонячної енергії, а хижак, який живиться цим зоофагом (консумент третього порядку), в своїх клітинах містить лише 0,1 % сонячної енергії, зв'язаної рослинами.

Продукти життєдіяльності й рештки як продуцентів, так і консументів стають джерелом енергії для редуцентів – бактерій і грибів, що розкладають (мінералізують) цю органічну речовину й одержують від 0,01 до 10 % запасеної енергії Сонця залежно від того, до якого трофічного рівня належав об'єкт живлення. Через такі великі втрати енергії під час переходу її з одного трофічного рівня на наступний ланцюги живлення не можуть бути довгими й зазвичай налічують не більше ніж п'ять ланок: ланку продуцентів, одну-три ланки консументів, ланку редуцентів.

Кругообіг речовин – це багаторазова участь речовин у процесах, які відбуваються в атмосфері, гідросфері, літосфері, у тому числі у тих її шарах, які входять до складу біосфери планети. Хоча в дійсності повний кругообіг речовин здійснюють не самі речовини, а хімічні елементи. Для

23

постійного існування біосфери, для запобігання припинення розвитку життя на Землі у природі повинні постійно відбуватись безперервні процеси перетворення її живої речовини.

Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викликана силами життя, дав В.І. Вернадський. Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона пропускаючи через себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери та атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію. Завершуючи свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли у неї протягом життя.

У біосфері відбувається постійний кругообіг активних елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами при гнитті, надходять у ґрунт і атмосферу, знову включаються в кругообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організмами. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів. Для біогенної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення у результаті розкладу мертвих організмів.

Біогенна міграція викликається трьома процесами: обміном речовин в організмах, ростом і розмноженням їх. Розрізняють два типи біогенної міграції, перший з них здійснюється мікроорганізмами, а другий – багатоклітинними організмами. Величина міграції першого типу переважає над другим. Людство оволоділо міграцією третього типу, яка іде під впливом його діяльності.

У кригообізі речовин жива речовина виконує ряд біогенних функцій: газову, концентраційну, окисно-відновну та біохімічну.

Газова функція здійснюється зеленими рослинами у процесі фотосинтезу – при цьому атмосфера поповнюється киснем, а також рослинами і тваринами, які виділяють вуглекислий газ у процесі дихання. Відбувається також кругообіг азоту, який тісно пов'язаний з життєдіяльністю мікроорганізмів.

Концентраційна функція проявляться У здатності живих організмів акумулювати різноманітні хімічні елементи, у тому числі мікроелементи, із зовнішнього середовища (ґрунт, вода, атмосфера). Так, морські водорості концентрують йод, діатомові водорості і злаки – кремній, молюски та ракоподібні – мідь тощо.

Окислювально-відновна функція виражається у хімічних перетвореннях речовин у процесі життєдіяльності організмів. У ґрунті,

24

водному та повітряному середовищах утворюються солі, оксиди, різноманітні нові речовини як результат окислювально-відновних реакцій. З діяльністю мікроорганізмів пов'язане формування залізних та марганцевих руд, вапняків і т.п.

Геохімічна функція здійснюється у процесі обміну речовин у живих організмах (живлення, дихання, виділення), розкладу рештків організмів і продуктів їх життєдіяльності до простих вихідних речовин. З появою живої речовини на основі кругообігу в атмосфері води, розчинених у ній мінеральних сполук, тобто на базі абіотичного, геологічного кругообігу виник кругообіг органічної речовини або малий біологічний кругообіг. Поява на Землі живої матерії зумовила постійну циркуляцію хімічних елементів у біосфері, їх перехід із зовнішнього середовища до організмів і знову у навколишнє середовище. Циркуляція, яка відбувається за більш-менш замкненим шляхом, називається біогеохімічним циклом.

Основними біогеохімічними циклами є кругообіги води, кисню, вуглецю, азоту, фосфору та біогенних елементів.

На суші кругообіг вуглецю починається з фіксації вуглекислого газу рослинами у процесі фотосинтезу з утворенням органічних речовин та побічним виділенням кисню. Частина зв'язаного вуглецю виділяється під час дихання рослин у складі вуглекислого газу. Ґрунтові гриби в залежності від швидкості росту виділяють від 200 до 2000 см3 вуглекислого газу на 1 т сухої маси. Значну кількість вуглекислого газу виділяють бактерії, які у перерахунку на живу масу дихають у 200 разів інтенсивніше, ніж людина. Вуглекислий газ виділяється живими організмами, які мешкають у всіх середовищах Землі. У результаті процесів розкладу органічної речовини у лісах помірного клімату з 1 га ґрунту виділяється 70-80 т вуглекислого газу. Рештки рослин та тварин розкладаються мікроорганізмами, у результаті чого вуглець мертвої органічної речовини окислюється і знову надходить в атмосферу.

Подібний кругообіг вуглецю відбувається і у водному середовищі. Фіксований у рослинах вуглець у значній кількості споживають і тварини, які під час дихання виділяють його у вигляді вуглекислого газу. Усі зелені рослини Землі щорічно споживають з атмосфери до 300 млрд. т вуглекислого газу (100 млрд. т вуглецю). Кругообіг вуглецю в гідросфері є більш складним у порівнянні з континентальним. Це пов'язане з тим, що повернення цього елемента у формі вуглекислого газу залежить від надходження кисню у верхні шари води як з атмосфери, так і з нижче розташованих шарів. В цілому показники річного кругообігу вуглецю у Світовому океані майже у 2

25

рази нижчі, ніж на суші. Сумарна кількість вуглекислого газу у атмосфері планети становить 2,3·1013 т, тоді як у Світовому океані – 1,3·1014 т.

Значну роль у природі відіграє кругообіг азоту. У кругообігу азоту основною ланкою є мікроорганізми: азотфіксатори, нітрифікатори та денітрифікатори. Бобові рослини постійно фіксують азот за допомогою бактерійсимбіонтів (симбіоз – співжиття одних бактерій з іншими).

Встановлено, що для кругообігу азоту необхідний елемент молібден. Який входить до складу системи азотфіксуючих ферментів. Фіксувати азот здатна лише незначна кількість родів мікроорганізмів: вільноживучі аеробні бактерії роду азотобактер, анаеробні роду клострідіум, симбіотичні бульбочкові бактерії бобових рослин.

Загальна кількість азоту в атмосфері приблизно дорівнює 3.8·1015 т, а у водах Світового океану – 2·1013 т. У кругообігу азоту зі значного запасу цього елемента в атмосфері та осадовій оболонці літосфери приймає участь лише фіксований азот, що може засвоюватись живими організмами. На великих масивах, де діяльність людини майже відсутня, рослини беруть необхідний для них азот з ґрунту, що надходить туди з дощами (нітрати) або з повітря (аміак), внаслідок розкладу решток тварин та рослин, екскрементів тварин, а також з різноманітних азотфіксуючих мікроорганізмів. Маса зв'язаного азоту біомаси суші становить 14020 млн. т, а у біомасі фітопланктону Світового океану – 2762 млн. т.

Біогеохімічний цикл кисню є планетарним процесом, який зв'язує атмосферу та гідросферу з земною корою. Головними ланками кругообігу кисню є утворення вільного кисню під час фотосинтезу, споживання його для здійснення дихання всіма живими організмами, для реакцій окислення органічних решток та неорганічних речовин (наприклад, спалювання палива) та інших хімічних перетворень.

У кругообігу кисню чітко просліджується активна геохімічна діяльність живої речовини. Щорічно зеленими рослинами планети продукується 300·109 т кисню. Біля 3/4 цієї кількості кисню виділяється рослинами суші і лише трохи більше як 1/4 – фотосинтезуючими організмами Світового океану.

Вільний кисень присутній не тільки в атмосфері, частина його розчинена і у природних водах. Так, у 1 л води може міститись від 2 до 8 см3 розчиненого кисню. Таким чином у водах Світового океану знаходиться від 2,7 до 10,9·1012т розчиненого кисню. Необхідно також враховувати і те, що значна частина запасів кисню витрачається внаслідок різного роду антропогенної діяльності. За всю історію людства до 1970 року світове

26

споживання палива становило: 7,3 трильйона м3 природного газу, 84 млрд. т кам'яного вугілля, 30 млрд. т нафти. На спалювання цієї кількості палива було витрачено близько 273 млрд. т кисню. До цього слід додати витрати кисню, які забезпечують дихання рослин, тварин і людей.

Таким чином, біосфера є унікальною оболонкою Землі, яка заселена живими організмами. Саме ця властивість відрізняє її від інших геологічних оболонок. Біосфера функціонує за всіма законами, що характерні для живих організмів різного рівня організації (клітинного, тканинного, органного, організменного, популяційно-видового). Біосфера може існувати тільки за умови безперервного хімічного перетворення її живої речовини та кругообігу різноманітних хімічних елементів. З розвитком суспільства біосфера може стати ноосферою, тобто біосферою, яка розумно використовується і керується людиною.

Тема 4. Ресурси біосфери, темпи і прогнози демографічних та екологічних змін

План

1.Класифікація ресурсів: трудові, матеріальні природні (біологічні, енергетичні, мінеральні, кліматичні, життєвий простір, генетичний фонд).

2.Проблеми екології. Демографічний “вибух”, його причини і масштаби, продовольча проблема, парниковий ефект, озонова діра.

3.Головні закони аутекології та популяційної екології. Структура і динаміка популяцій.

Природні ресурси – сукупність об'єктів і систем живої і неживої природи, компоненти природного середовища, що оточують людину, які використовуються в процесі суспільного виробництва для задоволення матеріальних і культурних потреб людини і суспільства.

Природні ресурси класифікують за різними критеріями: приналежністю до тих чи інших компонентів природи (мінеральні, кліматичні, лісові, водні тощо); можливістю відтворення в процесі використання – на вичерпні (поновлювальні й непоновлювальні) і невичерпні та ін. До природних ресурсів входять сонячна енергія, атмосфера, гідросфера, наземна рослинність, ґрунт, тваринний світ, ландшафт, корисні копалини. Основний напрям освоєння природних ресурсів – їх комплексне використання.

Невідновні природні ресурси – це ресурси природи, що зовсім не відновлюють свій кількісний і якісний стан після використання їх або відновлюють його протягом тривалого часу. Належать до вичерпних

27

природних ресурсів, куди включають більшість корисних копалин (руди, вугілля, нафта, горючі сланці, мінеральні будівельні матеріали тощо).

Відновні природні ресурси – ресурси рік, озер, морів, океану, рослинний і тваринний світ тощо.

Біологічні ресурси – сукупність генетичних ресурсів, організмів або їх частин, популяцій або будь-яких інших біотичних компонентів екосистем, які мають фактичну або потенційну користь або цінність для людства. Біологічні ресурси відносяться до категорії вичерпних відновлюваних природних ресурсів. Основний принцип охорони біологічних ресурсів полягає в їх раціональному використанні, заснованому на збереженні (підтриманні, створенні) оптимальних умов їх природного або штучного відтворення.

Корисними копалинами називають природні мінеральні речовини, які за сучасного рівня розвитку техніки можуть з достатньою ефективністю використовуватись у господарстві безпосередньо або після попередньої обробки. Розрізняють тверді, рідкі і газоподібні корисні копалини. Україна, яка займає 0,4 % земної суші, де проживає тільки 0,8 % населення планети, має у своїх надрах 5% мінерального потенціалу світу.

Добробут суспільства безпосередньо залежить від кількості населення, рівня розвитку господарства й стану довкілля. Всі ці фактори тісно пов'язані між собою, і зміна одного з них не може не вплинути на інші. Важко точно визначити, що таке добробут людини, однак найважливішими його складовими прийнято вважати здоров'я та матеріальну забезпеченість. Неспростовним фактом для всіх є те, що наш добробут (а відтак, і здоров'я) цілком залежить від стану природного середовища, в якому ми живемо, від якості повітря, води та їжі, котрі ми споживаємо, від здатності природи самоочищуватися й самовідновлюватися.

Кліматичні ресурси – невичерпні природні ресурси, що включають сонячну енергію, вологу та енергію вітру. Вони не споживаються безпосередньо в матеріальній та нематеріальній діяльності людства, не знищуються в процесі використання, але можуть погіршуватись (забруднюватись) або покращуватись (за умов цілеспрямованої діяльності).

Земельні ресурси – сукупний природний ресурс поверхні суші як просторового базису розселення і господарської діяльності, основний засіб виробництва в сільському та лісовому господарстві. Якщо весь земельний фонд (13 400 млн га) прийняти за 100 %, то найбільша частка (25 %) припадатиме на Азію, а найменша (6 %) – на Австралію та Океанію. Найбільша частка пасовищ припадає на Африку (24 %). Орні землі (11 %

28

земельного фонду) дають 88 % продуктів харчування. Пасовища та луки, що займають 26 % земельного фонду, дають ще 10 % продуктів.

Країни та регіони неоднаково забезпечені земельними ресурсами, особливо це стосується сільськогосподарських земель. Світовий показник забезпеченості сільськогосподарськими землями на душу населення становить 0,23 га. В різних країнах цей показник суттєво відрізняється. В Австралії він становить 2,45 га, Канаді 1,48 га, Росії – 0,9 га. У Китаї, Бангладеш та Бельгії на кожного мешканця припадає 0,07 га, у Єгипті 0,05 га, у Японії 0,03 га. Одна з головних екологічних проблем пов'язана з погіршенням стану земельних ресурсів. Традиційне землеробство нині може прогодувати лише близько 3 млрд. чоловік.

До розвитку глобальної екологічної й тісно пов'язаної з нею соціальноекономічної кризи, які сьогодні загрожують існуванню нашої цивілізації, призвели, образно кажучи, два «вибухи» – демографічний, тобто різке зростання чисельності населення Землі за останнє століття, й промисловоенергетичний, а також спричинені ними катастрофічні ресурсопоглинання й продукування відходів.

Демографічний фактор.

За даними американського експерта Р. Макнамари, протягом багатьох тисячоліть кількість населення на планеті збільшувалася зі швидкістю руху равлика: понад мільйон років знадобилося, щоб до 1800 р. вона досягла 1 млрд. чоловік. Однак далі темп почав різко зростати: наступний мільярд додався вже за 130 років, третій – за 30, четвертий – за 15 і п'ятий – усього за 12 років! Чисельність населення Землі в 2002 р. перевищила 6 млрд., а нині вже така, що якби людей рівномірно розподілити на поверхні планети, то відстань між ними дорівнювала б лише 300 м.

Щохвилини населення нашої планети збільшується на 172 людини. Це означає: щотижня до населення Землі додається 1,7 млн. чоловік – стільки, скільки зараз проживає в таких містах України, як Запоріжжя, Житомир і Вінниця разом узятих.

За прогнозами, в найближчому майбутньому чисельність населення зростатиме приблизно на три особи щосекунди, тобто на 90-100 млн. на рік, а в першій половині XXI ст. досягне 7-8 млрд. При цьому приріст населення відбуватиметься за рахунок країн, що розвиваються (88 %). Учені-демографи

29

вважають, що до 2100 р. чисельність населення Землі має стабілізуватися десь на рівні 9-13 млрд. чоловік.

Спеціальні дослідження показують, що для підтримання нормального існування такої кількості людей природних ресурсів Землі й можливостей біосфери буде абсолютно недостатньо. Навіть якщо кількість населення становитиме 7-8 млрд. чоловік, на планеті відбуватимуться масові вимирання людей від голоду, поширюватимуться епідемії, хвороби, спалахуватимуть війни через нестачу прісної води.

Окрім того, зростання чисельності населення супроводжується аномальним територіальним розподілом його за рахунок гіперурбанізації й формування мегаполісів із 15-25 млн. мешканців. За прогнозами експертів ООН, на початку третього тисячоліття з 60 світових міст-гігантів 50 будуть розташовані в країнах, що розвиваються. На думку фахівців, найбільшими містами стануть Мехіко, Токіо, Сан-Паулу, Калькутта й Бомбей. Близько третини людства сьогодні проживає в містах із населенням 1 млн. чоловік і більше. В країнах, які розвиваються, щороку в міста переселяються близько 80 млн. чоловік. Саме міста-гіганти стали найбільшими та найнебезпечнішими забруднювачами довкілля й згубниками природи, її «раковими пухлинами». Демографи передбачають, що до 2050 р. близько 50 % населення планети мешкатиме в містах.

Промислово-енергетичний фактор.

Існує думка, що сучасна біосфера Землі здатна підтримувати нормальне існування й розвиток не більш як 4-5 млрд. чоловік, до того ж за умов оптимального розподілу національних доходів, взаємодопомоги, підтримки та взаєморозуміння всіх націй, їхньої високої екологічної культури, ефективного використання загальнолюдського інтелекту для забезпечення добробуту всіх людей планети, глобального миру, раціонального природокористування й охорони природи. Навіть за стабілізації енерговиробництва на рівні теплового бар'єру (100 млрд. кВт) чисельність населення має не перевищувати 10 млрд. чоловік (необхідна для життя кількість енергії на душу населення становить близько 10 кВт/год).

Останніми ж десятиліттями цих умов не дотримують, що спричинює розвиток глобальної енергетичної й екологічної кризи, появу нових страшних захворювань, спалахування воєн, виникнення страшних аварій, природних і техногенних катастроф. Дедалі більше регіонів планети стають зонами екологічного лиха.

Нерегульований приріст населення, котрий призвів до розширення енерговиробництва й як наслідок – до активного забруднення природи,

30