Конспект лекцій Основи екології 2015

випадання кислотних дощів, утворення озонових «дір», парникового ефекту, появи й поширення хвороб, зубожіння більшості населення планети, став причиною також того, що сьогодні у світі близько 10 млн. дітей приречені до напівголодного існування, майже 200 млн. – харчуються неповноцінно, споживаючи при цьому недоброякісні продукти й воду.

За матеріалами ООН, близько 250 млн. чоловік уживають питну воду низької якості. При цьому середньостатистичний мешканець Північної Америки споживає води в 70-75 разів більше, ніж житель Центральної Америки чи Аравійського півострова, а 70 % усієї прісної води, що споживається у світі, йде на зрошення, хоча майже половина її втрачається, не досягаючи кореневої системи рослин. Середньостатистичний європеєць витрачає 500 л прісної води за добу, а мешканець Центральної Африки — 8 л; дефіцит прісної води стає дедалі гострішим у всьому світі. Якщо людство витрачатиме воду такими самими прискорюваними темпами, як і до цього часу, то до 2100 р. запаси прісної води остаточно вичерпаються.

Вивчення динаміки споживання людством мінеральних ресурсів показало, що десь через 200-250 років на Землі скінчаться запаси нафти, вугілля, горючих сланців і торфу. В разі збереження сучасних промислових та енергетичних технологій приблизно за цей самий період буде вичерпано до 2/3 запасів кисню в атмосфері планети за одночасного неухильного зниження темпів його відтворення зеленими рослинами (внаслідок деградації біосфери, зменшення площі лісів, біорізноманітності, біомаси й біопродуктивності взагалі).

Ресурсопоглинання й продукування відходів.

За останні 100 років людство в 100 разів збільшило швидкість свого переміщення в просторі, в 1000 разів – використання енергетичних ресурсів, у 7 млн. разів – військову могутність, у сотні мільйонів разів – швидкості зв'язку, обміну інформацією й розв'язання різних наукових і практичних задач за допомогою електронно-обчислювальної техніки. Водночас людство виробляє відходів у 2000 разів більше, ніж решта біосфери.

Світова промисловість нині виробляє в 7-100 разів більше товарів і видобуває в 3-4 рази (за масою) більше корисних копалин, ніж 25-30 років тому. Для задоволення своїх потреб, що дедалі зростають, і підвищення комфортності існування людина до надзвичайно високого рівня розвинула енергетику, хімічну, нафтопереробну, гірничу, металургійну й легку промисловість, машинобудування, транспорт, засоби зв'язку. Щороку людство видобуває з надр Землі понад 3,5 млрд. т вугілля, щодня використовує приблизно 10 млн. т нафти та її продуктів. Його вплив сягнув

31

найвіддаленіших куточків земної кулі й навіть поширився на ближній Космос і планети Сонячної системи.

Сьогодні на всі живі істоти біосфери негативно діють понад 50 тис. хімічних речовин, які використовує людина. Щороку в світі синтезується близько 250 тис. нових хімічних сполук, 1,5 тис. шкідливих речовин отруюють атмосферу, приблизно 10 тис. — воду й ґрунти. Більшість із цих синтетичних речовин (особливо нові), як і деякі відходи, що продукуються людиною, не переробляються природою, оскільки є «чужими».

Промислові підприємства, теплові електростанції, авто й авіатранспорт щорічно спалюють більш як 5 млрд. т нафти, вугілля й приблизно трильйон кубометрів газу. А у водойми світу щороку скидається близько 500 млрд. т промислових і побутових стоків, у тому числі кілька мільйонів тонн нафти. Адже ж одного літра нафти достатньо, щоб зробити непридатною (для пиття, зрошення, технічних потреб) 1 млн. л води;

Щорічно світова промисловість виробляє близько 2100 млн. т твердих відходів, із них 340 млн. т – потенційно небезпечні. Спеціалісти підрахували, що на початок XXI ст. буде нагромаджено принаймні 1 млн. м3 найнебезпечніших відходів – високорадіоактивних. Однією з найгостріших екологічних проблем людства в найближчі десятиліття залишається необхідність демонтажу сотень блоків АЕС, які відпрацювали свій ресурс, транспортування й безпечне поховання твердих і рідких радіоактивних відходів.

Величезна кількість отруйних речовин, що накопичуються навколо міст, промислових центрів і перенасичених хімічними добривами й пестицидами сільськогосподарських угідь, виноситься поверхневими та ґрунтовими водами в річки, а звідти – в моря й океани. До них додаються забруднювачі, що переносяться вітром, нафтопродукти від аварій танкерів та від роботи нафтопромислів, побутові стоки міст і селищ, розташованих на узбережжях.

Підприємства хімічної промисловості, а також ті, що виробляють добрива, щороку скидають у річки й водойми України близько 50 млн. т агресивних речовин, у яких містяться, зокрема, фенол, фтор, пестициди, формальдегід.

Деградація ґрунтів.

Останнім часом багато проблем у людства виникло також у зв'язку з безжалісною експлуатацією земельних угідь. У всьому світі швидкими темпами відбуваються деградація й ерозія ґрунтів. Як відомо, для утворення шару родючого ґрунту потрібні тисячі, навіть мільйони (залежно від клімату

32

й складу материнської породи) років. А сучасна людина здатна зруйнувати ґрунт за 1-2 роки. Підраховано: щорічно з оброблюваних земель виноситься понад 25 млрд. т корисних речовин. За оцінкою Міжнародного Ґрунтового центру (Нідерланди), в результаті діяльності людини вже деградувало більш як 15 % усієї площі світової суші, причому близько 6 % земель знищено водною ерозією, 28 % – вітровою, 12 % – засолено через неправильне зрошення, близько 5 % виведено з обороту внаслідок перехімізації та фізичної деструкції (витоптування худобою, розробка кар'єрів, екстенсивне переорювання та ін.). Таким чином людина сама себе позбавила багатьох мільйонів гектарів землі-годувальниці. Щороку землі України втрачають 24 млн. т гумусу (перегною), що визначає родючість ґрунтів. Через те що ґрунти стали неродючими, активізувалося спустелювання й триває вирубування лісів.

Спустелювання.

За даними ООН, понад 900 млн. чоловік проживають у посушливих зонах нашої планети, землі яких потерпають від спустелювання. Щорічні збитки через спустелювання становлять щонайменше 42 млрд. доларів, у тому числі для Азії – 21 млрд., Африки – 9, для Північної Америки й Австралії – по 3 млрд., для Європи – 1 млрд. доларів. Щороку понад 6 млн. га земель перетворюються на пустелі.

Кислотні опади.

Кислотними є будь-які опади – дощі, сніг, туман, кислотність яких перевищує нормальну. У цілому в промисловорозвинених країнах світу випадають кислотні опади, кислотність яких перевищує норму в 10-1000 разів. Це по різному впливає на екосистеми: пошкоджує рослини, призводить до загибелі водойм, підвищує в ґрунті вміст токсичного алюмінію, вилужує ґрунти тощо.

За відсутності забруднення у дощовій воді слабокисла реакція (pH = 5,6), внаслідок цього у ній легко розчиняється вуглекислий газ з повітря із утворенням слабкої вугільної кислоти. Таким чином, кислотними можна назвати опади з pH = 5,5 та менше.

Над більшою частиною промислових регіонів Європи та Америки pH дощів та снігу переважно становить 4,5. Хімічний аналіз кислотних опадів вказує на наявність у них сірчаної (H2SO4) та азотної кислот (HNO3). Наявність у цих кислотах елементів сірки та азоту свідчить про те, що вони надходять у повітря внаслідок різноманітних викидів. Головним джерелом кислотоутворюючих забруднювачів (SO2 та NO2) є вугільні електростанції, промислові котельні та виробництва, вихлопні гази автомобілів.

33

Оксиди сірки та азоту поступово реагують з парами води, що призводить до кислотних опадів. pH – водневий показник pH = lg CH+, CH+ – концентрація іонів водню моль/дм3.

SO2 + H2O → H2SO4 – сірчана кислота та

NO2 + H2O → HNO3 – азотна кислота.

Чим сильніші дощі, тим нижча їх кислотність. У туманів pH може знизитись значно менше, оскільки кислоти розчинені у значно меншій кількості вологи.

Кислоти можуть випадати з атмосфери з частинками пилу. Такі сухі відклади можуть накопичуватись на поверхні рослин і при змочуванні невеликою кількістю вологи, наприклад, при випаданні роси, утворювати концентровані кислоти. Вже більше ніж 100 років кислотні опади визнаються серйозною проблемою у промислових і прилеглих до них районах. Однак, їх вплив на екосистеми було помічено тільки приблизно 35 років тому, коли рибалки відзначили скорочення чисельності популяцій риб у багатьох озерах. Це пов’язане з підвищеною кислотністю води, що, у свою чергу, обумовлена низьким значенням pH опадів. Коли середовище водних екосистем є підкисленим, практично всі організми досить швидко гинуть. Це зумовлене або прямим негативним впливом надлишку Н+- іонів або ж усуненням власне можливості розмноження.

Вплив кислотних опадів на екосистеми інколи значно посилюється у період сходу снігів, коли всі кислотні опади, які накопичились взимку, надходять до річок та озер, що співпадає з періодом розмноження більшості організмів. Додатковий негативний вплив кислотних опадів зумовлений тим, що при просоченні крізь ґрунт вони здатні вилужнювати алюміній та важкі метали. У нормі присутність цих елементів не є шкідливою, оскільки вони зв’язані у нерозчинних сполуках і не можуть поглинатися організмами. Тоді як при низьких значеннях рН ці сполуки переходять у розчини, стають доступними організмам і спричиняють сильний токсичний вплив на рослинні та тваринні організми. Зокрема, алюміній потрапляючи у водойми, призводить до аномалій розвитку та до загибелі ембріонів риб. Шкода, що завдається, не обмежується загибеллю риб та інших водних мешканців. Значна кількість харчових ланцюгів, що охоплюють маже всіх диких тварин, починається у водних екосистемах (річках, озерах, струмках тощо).

Поряд із загибеллю озер підвищення кислотності опадів має негатив вплив на ліси. Більшість учених вважають, що це є однією з головних причин деградації лісів. Головним шляхом цього впливу є порушення поверхні при прямому контакті, вимивання біогенів, мобілізація алюмінію та інших токсичних елементів. У свою чергу, дерева, які відчули на

34

собі такий вплив, легше вражаються шкідниками та патогенами. Якщо випадання кислотних дощів і надалі буде відбуватись у такому ж обсязі це спричинятиме глобальну втрату озер, річок та лісів, зменшення їх економічної та естетичної цінності, посилення ґрунтової ерозії.

Парниковий ефект.

Люди протягом тисячоліть прагнули впливати на погоду. Нині ми стоїмо на порозі величезних змін клімату, що зумовлені саме людською діяльністю. На жаль, ці зміни є незапланованими, некерованими і можуть призвести до катастрофічних наслідків. Причини цих змін – збільшення в атмосфері так званих „парникових газів”: диоксиду вуглецю, метану, оксидів азоту, фреонів та озону. Всі ці гази добре пропускають сонячні промені до земної поверхні і помітно поглинають довгохвильове теплове випромінювання нагрітої земної поверхні та нижчих шарів атмосфери. Частина цього теплового випромінювання повертається знову до поверхні планети, створюючи парниковий ефект.

Постійне підвищення концентрації парникових газів обумовлене цілим рядом причин. Основна маса диоксиду вуглецю утворюється при спалюванні викопного палива (вугілля, нафти, природного газу тощо), використання якого кожного року збільшується. Нині щорічні викиди СО2 в атмосферу у світі становлять приблизно 25 млрд. тонн, причому основний „внесок“ (приблизно 45 % від загальної кількості викидів) дають промислово розвинені країни.

Поступове збільшення в атмосфері вмісту метану (у середньому на 1 % за рік) пов’язане з розвитком інтенсивного рисосіяння, тваринництва, спалювання біомаси тощо.

Збільшення вмісту в атмосфері окислу азоту (приблизно 0,3 % за рік) пояснюється в основному розширенням виробництва та застосуванням азотних добрив у сільському господарстві. З кінця 50-х років у промисловому виробництві широко застосовуються фреони (хлорофторовуглеводні). Зараз їх викиди до атмосфери досягають 1,4 млн. тонн за рік з тенденцією щорічного збільшення викидів на 4 %. Досліджено, що останнім часом найбільш стрімко збільшився вміст фреонів у атмосфері. А це досить тривожний симптом, оскільки, кожний з парникових газів по різному впливає на зростання парникового ефекту внаслідок особливості самої молекули газу. Так, обчислено, що вплив 1 молекули метану у 25 разів інтенсивніший, ніж 1 молекули СО2, а молекула фреона активніша в 11 тис. разів. Тому швидке збільшення в атмосфері концентрації метану та фреонів небезпечніше, ніж збільшення вмісту вуглекислого газу.

35

Підвищення концентрації парникових газів в атмосфері спричинило збільшення середньої глобальної температури повітря порівняно з доіндустріальним періодом на 0,5-0,6 0С. До початку 2000

року це підвищення становить вже 1,2 0 С, а до 2025 року може досягнути 2,2-2,5 0С. Все це може мати як позитивні, так і негативні наслідки для екології біосфери Землі. Найсерйознішим наслідком глобального потепління клімату буде підвищення рівня Світового океану внаслідок сходження материкових та гірських льодовиків, морської криги, теплового розширення вод океану тощо.

Встановлено, що на сьогодні швидкість підвищення рівня моря становить приблизно 25 см за 100 років. Якщо концентрація СО2 в атмосфері збільшиться в 2 рази це призведе до потепління клімату на 1,5-4 0С, причому найбільший ефект буде у полярних зонах. При такому глобальному потеплінні почне катастрофічно скорочуватись (приблизно у 3-5 разів) площа гірських льодовиків. У Арктиці зменшиться площа то товщина морської криги. Спеціалісти вважають, що до кінця ХХІ століття підвищення рівня Світового океану може становити 0,5-2 м. Підвищення рівня Світового океану, навіть незначне, може мати досить значні негативні екологічні та соціально-економічні наслідки: буде затоплено приморські рівнини, посиляться абразійні процеси, погіршиться водопостачання прибережних районів. Підраховано, що при підвищенні рівня океану на 1 м буде затоплено 20 % території Бангладеш, сільськогосподарські землі Єгипту, деякі великі міста Китаю. У цілому, наслідки будуть відчутними на площі приблизно 5 млн. км2, що становить приблизно 3 % площі суші, але на цих територіях зосереджена третина земель, що обробляються.

Глобальне потепління клімату викличе серйозні зміни екологічних умов у тундрі, зонах «вічної мерзлоти»: збільшиться сезонне відтанення ґрунту, що поставить під загрозу дороги, будівлі, комунікації; активізуються процеси термокарсту та заболочування; погіршиться стан лісових масивів на вічній мерзлоті тощо. Поряд із негативними екологічними наслідками парниковий ефект може мати і позитивні екологічні наслідки. Власне потепління сприятливо вплине на стан рослинності, зокрема, на лісові екосистеми та агроценози. Окрім того, при глобальному потеплінні зміниться і режим атмосферних опадів у бік збільшення, що також сприятиме росту рослин у багатьох регіонах.

Підвищення концентрації СО2 в атмосфері може збільшити інтенсивність фотосинтезу і, відповідно, сприяти росту та розвитку рослин, а також збільшити врожайність багатьох сільськогосподарських культур. Але

36

це стане можливим лише при достатньому забезпеченні поживними речовинами, світлом та водою.

Згідно з попередніми даними, парниковий ефект може мати негативний вплив на вологі тропічні ліси, що пристосовані до існування у вузькому діапазоні вологості та температур.

Глобальне потепління клімату може зумовити зміну структури та місць розташування біомів Землі (тундри, тайги, змішаних лісів, тропічних лісів, лісостепів, степів, пустель тощо). За прогнозом учених суттєво зменшаться площі тундри та лісотундри, хвойних лісів (тайги), але збільшаться площі пустель та напівпустель. Але слід зауважити, що ці прогнози досить приблизні, оскільки не враховується фактор зволоження.

Порушення озонового екрану.

Поряд з видимим світлом Сонце випромінює також ультрафіолетові хвилі. Ультрафіолетове випромінювання схоже на світлове, але довжина його хвиль є дещо коротшою (0,1–0,01 мкм). Ці промені невидимі, але мають більшу енергію, ніж видимі. Проникаючи крізь атмосферу та поглинаючись тканинами живих організмів вони руйнують молекули білків, ДНК, РНК. Якби все ультрафіолетове проміння потрапляло на Землю, то життя на ній було б неможливим. Навіть незначна частина цих променів (1 %) спричиняє засмагу шкіри та призводить до виникнення значної кількості ракових захворювань.

Ми надійно захищені від агресивного впливу ультрафіолетового опромінювання, оскільки більша його частина (99 %) поглинається шаром озону у стратосфері на висоті 25-40 км від поверхні Землі. Цей шар отримав назву озонового екрану. Озон, що утворюється у стратосфері, є продуктом дії ультрафіолетових променів на молекули кисню (О2). У результаті деякі з них розпадаються на вільні атоми, в ті, у свою чергу, можуть приєднуватися до інших молекул кисню з утворенням озону (О3). Весь кисень не перетворюється в озон тому, що вільні атоми кисню реагують з молекулами озону та дають 2 молекули кисню. Таким чином, вміст озону в стратосфері непостійний. Це є рівновагою між зазначеними двома реакціями. Але вчені у 1970 році встановили, що атоми хлору каналізують процес розкладу озону. Тобто надходження в атмосферу хлору та хлорофторвуглеводнів (ХФВ) буде порушувати цю рівновагу в бік зменшення кількості озону. Хлорофторвуглеводні, що застосовуються у холодильниках, аерозолях, для очищення різних виробів є переносниками атомів фтору та хлору у стратосферу. Рівень вмісту хлору у стратосфері нині у 2–2,5 рази вищий, ніж у 1970 році. Якщо ХФВ будуть надходити до стратосфери у такий же

37

кількості, як у 80-х роках, то за наступні 70 років озоновий шар втратить ще 3 %, а якщо викиди подвояться, то це зруйнує ще 12 % озонового шару. Станції, які реєструють товщину озонового шару в Антарктиді, встановили, що на весну 1992 року втрати озону над цим регіоном у середньому становили 30–40 %, а на деяких висотах досягали 95 %. Якщо над Антарктидою утвориться озонова дірка, то наслідки будуть досить серйозними: значні втрати морського фітота зоопланктону, що, у свою чергу, буде мати негативні наслідки для китів, пінгвінів та інших морських тварин, оскільки фітопланктон – основа майже всіх харчових ланцюгів цього регіону. Підвищення інтенсивності ультрафіолетового опромінення також послаблює імунну систему людини, призводить до виникнення катаракти та раку шкіри.

Аутоекологія, аутекологія (екологія видів) – розділ екології, що вивчає взаємовідносини окремих видів організмів з довкіллям. Також аутекологія – розділ екології, що вивчає вплив чинників довкілля (екологічних факторів) на окремі організми, популяції і види (рослин, тварин, грибів, бактерій).

Завдання аутекології – виявлення фізіологічних, морфологічних і інших пристосувань (адаптацій) видів до різних екологічних умов: режиму зволоження, високим і низьких температур, засоленню ґрунту (для рослин). Останніми роками у аутекології з'явилося нове завдання – вивчення механізмів реагування організмів на різні варіанти хімічного і фізичного забруднення (включаючи радіоактивне забруднення) середовища.

Екологічні фактори – це різні фактори середовища, зовнішні по відношенню до організму, які впливають на нього. Будь-який організм у середовищі свого проживання піддається впливу найрізноманітніших факторів: кліматичних, ґрунтових та біотичних (вплив живих організмів).

Однією з найбільш поширених класифікацій екологічних факторів - поділ на біотичні (біогенні) і абіотичні (абіогенним). До перших належать такі, що характеризують живі організми в оточенні даного організму. До других відносять неживі компоненти його оточення. Обидві групи факторів за своїм походженням можуть бути як природними, так і антропогенними.

Температура та обмін речовин. Фізіологічний час

Інтерес представляють три температурних інтервали: температури загрозливо низькі, загрозливо високі і проміжні.

У проміжному інтервалі з підвищенням температури швидкості метаболічних реакцій зростають. Це зростання описується математичною залежністю, яка характеризується зазвичай «температурним коефіцієнтом»

38

Q10. Значення Q10, що дорівнює 2,5, відображає типовий приклад, означає, що з підвищенням температури тіла на кожні 10 ° С швидкість метаболічних реакцій зростає в 2,5 рази.

Деякі фізіологічні процеси (такі, наприклад, як дихання) проходять в усьому температурному інтервалі (нехай навіть з різними швидкостями), тоді як інші (які потребують, можливо, більш інтенсивного і стійкого потоку речовини і енергії) - лише при відносно високих температурах. Розмноження зазвичай відбувається в більш вузькому інтервалі температур, ніж зростання, а зростання в свою чергу - в більш вузькому, ніж просте виживання.

Основні закони аутекології

До основних законів аутоекології належать такі:

І. Закон біологічної стійкості (нелінійної реакції особини на екочинник). II. Закон лімітуючого чинника (Ю. Лібіха).

III. Закон рівнозначності чинників середовища. IV. Закон сукупної дії чинників середовища. V. Закон оптимальності.

І. Сутність закону біологічної стійкості можна проілюструвати у вигляді графіка. Якщо на ньому по вертикалі відкладати фізіологічну активність особини (швидкість росту, розмноження тощо), а по горизонталі значення довільного з важливих чинників (температуру, вологість чи інші), то легко виявити зону оптимуму, інтервал сприятливих (оптимальних) значень цього чинника.

Поза зоною нормальної життєдіяльності лежить зона песимуму, де активність більшою або меншою мірою пригнічується (припиняється розмноження, гальмується ріст тощо). Часто зону пригнічення називають зоною екстремальних умов. Рухомі істоти намагаються покинути такі некомфортні умови і знайти сприятливіші. Втім, людина для тренування чи випробування себе може свідомо робити протилежне і підніматися на захмарні вершини або пірнати на сотню метрів. За зоною песимуму

39

розміщується зона смерті. Тривале перебування у цій зоні закінчується загибеллю особини.

Вивчення реакцій особин на всі чинники впливу та вміле використання цієї інформації є важливим завданням аутоекології та інших наук (фізіології рослин, тварин тощо). Не менше значення має закон біостійкості й для людини. Вивчено вплив на людину багатьох чинників довкілля (високих і низьких температур, браку води тощо). Спочатку зміна чинника компенсується захисними можливостями особини. Проте рано чи пізно збільшення відхилення чинника від оптимуму викликає непропорційно швидке ослаблення опору організму (нелінійна реакція). Порівняно малі зміни впливу створюють надто великі відхилення від оптимуму. Потрібно уникати умов, які можуть перевищити компенсаційні можливості організму людини.

II.Закон лімітуючого чинника (або закон мінімуму) сформульований

усередині XIX ст. німецьким фізіологом і хіміком Ю. Лібіхом, який вивчав вирощування рослин на штучних субстратах. Він встановив, що результуючу витривалість особини визначає найслабша ланка її потреб, тобто той чинник, значення якого потрапляє у зону пригнічення або й смерті. Практичне застосування закон Лібіха має насамперед в агрономії. Фактична врожайність визначається кількістю в ґрунті того елемента, потреби рослин в якому задовольняються найменшою мірою (де тонко, там і рветься!).

Закон мінімуму добре виконується лише в незмінних умовах перебування особини. Насправді завжди спостерігаються більші чи менші зміни у часі різноманітних чинників середовища, тому слід враховувати можливість їх взаємного впливу (тобто рахуватися з існуванням четвертого закону і висновками з нього).

III. Закон рівнозначності чинників середовища стверджує, що всі життєво необхідні екочинники однаково важливі, не можна обминати чи ігнорувати жодного з них.

На жаль, у своїй практичній діяльності людина часто не враховує вимог цього закону. Прикладом може бути застосування у рільництві дедалі потужніших і важчих машин. їх кількаразове щорічне “прасування” поля ущільнювало ґрунт, порушувало умови руху води, а отже, живлення рослин. Тепер для усунення цього шкідливого явища машини обладнують великою кількістю широких коліс, щоб зменшити їх тиск на ґрунт до прийнятного значення.

IV. Закон сукупної (спільної) дії чинників середовища є певним розширенням і уточненням закону мінімуму (Ю. Лібіха). Згідно з цим

40