57

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра “ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ”

Э К О Л О Г И Я

Письменные лекции

Москва, 2001 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Организм и среда

Экологические системы

Экология человека

Глобальные проблемы окружающей среды

Мониторинг окружающей среды

Правовое регулирование в экологии

Литература

Словарь экологических терминов

Контрольные вопросы

ВВЕДЕНИЕ

Экологию определяют как науку об отношениях растительности и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой. Термин экология происходит от греческих слов «ойкос» – дом, жилище, местопребывание и … «логия» – наука .

Объектами экологии являются популяции организмов, виды, сообщества , экосистемы и биосфера в целом. Изучение общих закономерностей взаимоотношений человека, общества и природы выделяют в особое направление – экологию человека.

Автором термина «экология» является Эрнст Геккель, который еще в прошлом веке определил экологию, как область знаний, изучающую общие взаимодействия животных как с живой, так и с неживой природой.

Биосфера – это часть планеты, включающая область распространения жизни. Биосфера включает в себя атмосферу (газообразную оболочку Земли), гидросферу (водоемы Земли с населяющими их живыми организмами), литосферу (недра Земли и почва).

Атмосфера представляет собой газообразное тело, сохраняющее неустойчивое равновесие. Атмосфера предохраняет Землю от агрессивного влияния космоса, жары, части ультрафиолетового излучения, пропуская солнечный свет. Земная атмосфера разделяется на несколько этажей. Между этими этажами нет четко определенных границ, ближе к поверхности Земли происходит незаметный переход от экзосферы (на высоте более 500 км – из-за большой удаленности самые легкие ее частицы поглощаются межпланетным пространством) к термосфере, далее - к мезосфере (на высоте от 50 до 500 км, которая представляет собой «устойчивый» слой земной атмосферы: входящие в ее состав частицы подвержены земному притяжению), затем к стратосфере (на высоте от 15 до 50 км) и тропосфере (до высоты 15 км: именно в этой нижней части атмосферы располагается среда обитания всех земных живых организмов, животных и растений). В нижних слоях атмосферы ультрафиолетовые лучи воздействуют на кислород, образуя озоновый экран (озон – О₃ ), который избирательно пропуская солнечное излучение, создает условия для развития жизни на Земле. Разрушение озонового слоя может привести к гибели живых организмов. При контакте с поверхностью Земли температура меняется от -60°С в районах полюсов до +60°С в зоне тропиков. Атмосфера Земли состоит на 79% из молекул азота, на 20% - из молекул кислорода, а остальное составляет углекислый газ, водород, озон, а также инертные газы (аргон, неон и криптон). Воздух при контакте с землей насыщается водой, создавая условия для поддержания жизни на поверхности континентов.

Гидросфера Земли включает в себя океаны, моря, реки, озера и другие водоемы. В океанах и морях аккумулировано около 95 % воды на Земле, и она – соленая. Полярные льды, арктическая и антарктическая ледяные «шапки» составляют еще около 2% водных запасов. Все остальное – пресная вода, содержащаяся в водоносных слоях земли, озерах, реках и в виде атмосферных испарений. Без воды не было бы жизни на нашей планете: именно в океане, не пропускающем ультрафиолетовые лучи, появились и стали размножаться первые живые организмы на Земле. Все клетки живых организмов насыщены водой. Животный и растительный мир также принимает участие в круговороте воды в природе.

Литосфера – внешняя оболочка нашей планеты представляет собой совокупность литосферных плит, перемещение которых вызывает ответные реакции со стороны земной коры. Если две плиты расходятся (режим дивергации), промежуток между ними заполняется базальтовой магмой и образуется новая кора. Если плиты сходятся (режим конвергации), или одна из них погружается в глубинную часть мантии, или же когда две плиты надвигаются одна на другую и одна из них проскальзывает горизонтально под другую, они подвергаются воздействию растущей температуры и сжимающих сил. Эти перечисленные зоны – места сейсмической активности, проявлениями которой являются извержения вулканов и землетрясения. Впервые гипотеза тектоники литосферных плит была выдвинута в 1924 году ученым Вегенером. В соответствии с этой гипотезой литосферные плиты, из которых состоит поверхность Земли находятся в непрерывном движении – «дрейфуют». Этот процесс происходил в отдаленное от нас время, продолжается он и сейчас. В отдаленное от нас время на Земле существовала единая первичная континентальная масса, называемая Пангеей, которая начала распадаться на отдельные части примерно 180 млн. лет назад. Около 120 млн. лет назад произошел раскол первичной континентальной массы и в Южной Атлантике образовался массив суши, называемый Гондваной, в состав которой вошли Африка, Южная Америка, Мадагаскар, Индия, Австралия и восточная часть Антарктиды. В северной части Атлантики образовался массив суши, называемой Лавразией, в который вошли Северная Америка, Европа и часть современной Азии. Постепенно в результате дрейфа литосферных плит очертания континентов приняли современный вид.

Историю Земли принято делить на промежутки времени, границами которых являются крупные геологические события: горообразовательные процессы, поднятия и опускания суши, изменения очертаний материков, уровня океанов. Движение литосферных плит, разломы земной коры сопровождались усиленной вулканической деятельностью, в результате которой в атмосферу Земли выбрасывалось большое количество газов и пепла. В результате этого снижалась прозрачность атмосферы, что вело к снижению количества солнечной энергии, поступавшей к поверхности Земли. Это являлось одной из причин оледенений. На протяжении этих периодов изменялись климатические условия, животный и растительный мир: одни группы живых организмов исчезали, другие сохранялись. Ниже приведена геохронологическая шкала, показывающая эволюцию биосферы Земли.

Таблица

Геохронологическая шкала

Название эр и их длительность, млн. лет	Возраст эр, млн. лет	Периоды и их длительность, млн. лет	Животный и растительный мир
Кайнозойская (эра новой жизни), 60-70	60-70	Антропоген, 1,5-2	Появление и развитие человека, животный и растительный мир принимают современный облик
		Неоген, 25 Палеоген, 41	Господство млекопитающих и птиц, расцвет насекомых, господство покрытосеменных растений
Мезозойская (эра средней жизни), 173	250	Меловой, 70	Появление высших млекопитающих и птиц, распространение покрытосеменных растений
		Юрский, 58	Господство пресмыкающихся и голосеменных растений
		Триасовый, 45	Начало расцвета пресмыкающихся, появление первых млекопитающих
Палеозойская (эра древней жизни), 330	570	Пермский, 45	Быстрое развитие пресмыкающихся, исчезновение лесов каменноугольного периода, появление голосеменных
		Каменноугольный, 55-75	Расцвет земноводных, возникновение первых пресмыкающихся, преобладание древних хвощей, развитие грибов
		Девонский, 50-70	Появление кистеперых раб и стегоцефалов, возникновение грибов, распространение на суше высших споровых
		Силурийский, 30	Преобладание кораллов, выход растений на сушу
		Ордовикский, 60	Распространение морских беспозвоночных
		Кембрийский, 70	Распространение водорослей
Протерозойская (эра ранней жизни), 2000	2500 – 2700		Все типы беспозвоночных
Архейская (самая древняя эра), 900	3500		Следы жизни незначительны (бактерии, одноклеточные водоросли)

Тема1: введение (Смотри контрольные вопросы)

ОРГАНИЗМ И СРЕДА

1. Возникновение жизни на земле

В настоящее время принято считать, что Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд. лет тому назад. Преобладающий элемент Вселенной - водород, из которого в результате реакции ядерного синтеза образуется гелий, а из него - углерод:

высокая температура

4Н ------------------- Не + ЭНЕРГИЯ

высокое давление

Под действием высоких температур и гравитационного сжатия возникают различные химические элементы, составляющие основную массу звезд, планет и их атмосферы.

Для развития Солнечной системы на пути к возникновению жизни необходимы были некоторые космические и планетарные условия:

1. РАЗМЕРЫ ПЛАНЕТЫ (ее масса не должна быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреванию планеты или радиоактивному загрязнению, а также не должна быть слишком маленькой, так как маленькие планеты не способны удерживать атмосферу из-за небольшой силы притяжения);

2. ДВИЖЕНИЕ ПЛАНЕТЫ ВОКРУГ ЗВЕЗДЫ ПО КРУГОВОЙ ИЛИ БЛИЗКОЙ К КРУГУ ОРБИТЕ (для постоянного и равномерного получения энергии);

3. ПОСТОЯННАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТИЛА.

В начале своего формирования Земля имела очень высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие соединения оставались на поверхности. Свободного кислорода в атмосфере Земли не было. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (Н₂О; СН₄; NH₃; HCN) и носила восстановительный характер.

Молекулы различных веществ могут объединяться, образуя много-молекулярные комплексы - КОАЦЕРВАТЫ.

В первичном океане коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате этого внутреннее строение коацервата претерпевало изменения, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, то есть к росту и к изменению химического состава, повышалась устойчивость коацерватной капли в постоянно изменяющихся условиях.

Продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды лишь те вещества, которые обеспечивали их устойчивость, а также способность выделять наружу продукты обмена.

В процессе длительного отбора (химической эволюции) сохранились лишь те капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали способностей своей структуры, то есть приобретали способность к самовоспроизведению.

Это важнейшее свойство возникло вместе со способностью к синтезу органических веществ внутри коацерватной капли, важнейшими составными частями которых уже в то время были ПОЛИПЕПТИДЫ и ПОЛИНУКЛЕОТИДЫ.

В ходе эволюции появились полипептиды, обладающие каталитической активностью, то есть способностью значительно ускорять течение химических реакций.

Полинуклеотиды способны связываться друг с другом по принципу дополнения или комплементарности, и, следовательно, осуществлять неферментативный синтез дочерних нуклеотидных цепей.

Следующий шаг небиологической эволюции - объединение способности полинуклеотидов к самовосроизведению с возможностью полипептидов ускорять химические реакции.

Дальнейшее усложнение обмена веществ у предбиологических структур могло происходить только в условиях пространственного разделения различных синтетических и энергетических процессов внутри коацервата, а также более прочной изоляции внутренней среды от внешних воздействий по сравнению с той, которую могла обеспечить водная оболочка. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои жиров, или липидов, отделившие коацерват от окружающей водной Среды и преобразовавшиеся в ходе дальнейшей эволюции в наружную мембрану. Далее химическая эволюция продолжилась образованием саморегулирующихся систем - клеток.

Образование первых клеточных организмов положило начало био-логической эволюции (смотри рисунок).