Ю.А. Злобін Н.В. Кочубей

ЗАГАЛЬНА ЕКОЛОГІЯ

Навчальний посібник

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів

Суми

«Університетська книга» 2003

УДК 28.081я73 ББК 20.1 3-68

Рецензенти:

професор, доктор біологічних наук Т.Л. Андрієнко (м. Київ) академік Національної Академії наук України Ю.Р. Шеляг-Сосонко (м. Київ),

Гриф надано Міністерством освіти і науки України. Лист №14/18.2-2007 від 30.10.2002 р.

Злобін Ю.А., Кочубей Н.В. 3-68 Загальна екологія: Навчальний посібник. – Суми: ВТД «Університетська книга», 2003. – 416 с

ISBN 966-680-060-8

У навчальному посібнику викладені основні положення і концепції сучасної загальної екології, розглянуто будову і функціонування біосфери в сучасних умовах, розкрито причини антропогенної деградації природного середовища, показано шляхи розвитку екологічного знання і причини трансформації екології від суто біологічної науки в соціально високозначущу сферу людських знань і дій.

Для студентів вищих навчальних закладів, спеціалістів, що проходять курси підвищення кваліфікації, та осіб, що цікавляться екологією.

ББК 20.1

© Злобін Ю.А., Кочубей Н.В., 2003 ISBN 966-680-060-8 © TOB «ВТД «Університетська

книга», 2003

ЗМІСТ

Передмова 7

1. Предмет екології 8

2. Екологія як загальнобіологічна і гуманітарна наука 16

1. Розвиток екологічних знань та їх роль у становленні цивілізації 16

2. Ідея системності в екології 18

3. Соціальні аспекти екології 19

4. Об’єкти вивчення в екології 22

5. Методи екологічних досліджень 29

6. Короткий нарис історії екології. Українська

екологічна школа 31

2.7. Екологія початку XXI століття 34

3. Біосфера 38

1. Поняття біосфери 38

2. Структура біосфери 40

3. Потік енергії на земній кулі 47

4. Біогеохімічні цикли 52

5. Місце людини в біосфері 62

6. Поняття середовища 66

7. Загальні закони екології 68

8. Людська цивілізація як новий фактор в існуванні біосфери 69

4. Екосистеми 73

1. Екосистеми – основні структурні одиниці біосфери 73

2. Абіотичні компоненти екосистеми. Ресурси та умови існування 76

3. Ґрунт як біокосний елемент екосистем 83

4. Живі організми в екосистемах. Біоценози 88

5. Життя в ґрунті 91

6. Трофічні ланцюги та трофічні піраміди 95

7. Концентрація речовин у трофічних ланцюгах 99

8. Розвиток та еволюція екосистеми 100

9. Сукцесії / 103

4.10. Штучні екосистеми – екосфери 106

5. Екосистеми світу та України 109

1. Різноманіття екосистеми 109

2. Тундри 113

3. Лісові екосистеми помірного поясу 115

4. Вічнозелений тропічний дощовий ліс 121

5. Степи 124

6. Пустелі 126

7. Екосистеми луків 129

8. Болота 131

9. Прісноводні екосистеми 133

10. Океанічні й морські екосистеми 135

11. Принципи екологічного районування 137

6. Популяції 139

1. Поняття популяції 139

2. Особливості популяції рослин та тварин 140

3. Екологічні ніші 142

4. Співіснування популяції – норма їх існування 144

5. Стратегії життя рослин та тварин 145

6. Розмір популяції 149

7. Просторова структура популяції 150

8. Внутрішньопопуляційна структура 155

9. Динаміка популяції 160

6.10. Популяція як об’єкт використання, моніторингу

та управління 163

7. Біологічна продуктивність 166

1. Автотрофне та гетеротрофне живлення 166

2. Особливості живлення мікроорганізмів, рослин,

тварин і людини 168

3. Продукційний процес. Продуценти, консументи і редуценти 173

4. Генетичні фактори продуктивності 176

5. Екологічний контроль продуктивності 179

6. Ценотичний контроль продуктивності. Біопродукція

в різних біомах 186

7.7. Принципи лімітування біопродукції. Управління продукційним процесом 191

8. Біологічна та екологічна рівновага 194

8.1. Біологічне різноманіття – основа стійкого

існування екосистем 194

8.2. Загальні принципи стабільності та стійкості біосистем

та екосистем 196

3. Адаптація 198

4. Стійкість організмів, популяцій та екосистем 200

9. Антропогенна деградація біосфери 206

1. Науково-технічний прогрес і проблеми екології 206

2. Джерела екологічної кризи XX століття та її вплив

на біосферу 211

9.3. Форми та механізми деградації біосфери. Роль промислового та сільськогосподарського виробництва 215

1. Забруднення атмосфери 219

2. Забруднення та деградація ґрунту 221

3. Забруднення Світового океану та континентальних вод...224

4. Фізичні фактори забруднення середовища 227

5. Радіоактивне забруднення навколишнього середовища .. 229

9.4. Військові аспекти деградації біосфери 235

3. Соціальна екологія 336

4. Роль громадського екологічного руху в екологічній оптимізації виробництва 337

5. Екологічна експертиза і екологічні паспорти 339

6. Екологічна конверсія в промисловості 342

7. Екологічна конверсія в сільському господарстві 344

8. Екологізація енергетики 350

9. Програма екологічної конверсії промисловості та сільського господарства України 354

14. Принципи раціонального природокористування та охорони природи 357

1. Екологія і моральність. Цивілізоване використання природних угідь 357

2. Природоохоронні концепції 360

3. Охорона генофонду. Червона книга України 362

4. Охорона ценофонду. Зелена книга України 364

5. Охорона екосистем. Національні парки, заповідники, заказники, пам’ятники природи, екологічні стежки 365

6. Моніторинг. Методи та форми контролю стану екосистем 372

7. Екологічне нормування антропогенних навантажень 376

8. Соціально-організаційні та правові основи охорони природи 379

9. Економічні критерії в екології 381

14.10. Екологічна політика. Охорона природи на державному

і міждержавному рівнях 386

15. Моделювання і прогнозування в екології 392

1. Екологічні процеси і природокористування як об’єкти математичного моделювання 392

2. Метод моделювання в екології 395

3. Описова і прогностична цінність екологічних моделей .. 398

4. Основні етапи побудови екологічних математичних моделей 401

5. Аналіз часових рядів (ARIMA) і нейронні мережі як

нові підходи до прогнозування 402

Післямова 405

Словник основних понять і термінів екології 408

Додаткова навчальна література 413

ПЕРЕДМОВА

Людство зустріло XXI століття в обстановці наближення глобальної екологічної кризи. Вона викликана не тільки використанням сучасних технологій у промисловості і сільському господарстві, але в першу чергу загальним характером взаємозв’язків людини і природного середовища. У цьому сенсі глобальна екологічна криза – результат нерозумних дій усіх людей планети, і всі однаковою мірою мають шукати вихід з неї, щоб не допустити небезпечної для нашого існування повної деградації природного середовища, яке забезпечує наші нагальні потреби.

На початку XXI століття людство усвідомило, що кожен фахівець, працівник будь-якої сфери діяльності повинен мати екологічні знання, розуміти, які дії ведуть до руйнування природного середовища, а які, навпаки, сприяють його відновленню і збереженню. Людина має розбиратися в причинній взаємообумов-леності природних процесів і господарської діяльності, вона повинна вміти об’єктивно оцінювати, як позначається на природному середовищі кожна її дія і зобов’язана узгоджувати ці дії з вимогами природоохоронних положень. Із цього випливає, що екологічна освіта й виховання впродовж нинішньої історичної епохи стають найважливішою частиною освіти й виховання.

Навчальний посібник, що пропонується, розрахований на студентів вищих навчальних закладів III і IV рівнів акредитації, які одержують ступінь бакалавра і магістра. У ньому викладені основні положення сучасної екології, розглянуті будова і функціонування біосфери нашої планети, показані шляхи впливу людини на природне середовище і її компоненти та обговорюються способи екологізації господарської діяльності людини, як і еко-логізації менталітету людства в цілому.

Основою даного навчального посібника є підручник Ю.А. Зло-біна «Основи екології», що був визнаний одним із кращих на конкурсі, організованому Міністерством освіти України і Міжнародним фондом «Відродження». Підручник добре зарекомендував себе в практиці роботи вищих навчальних закладів України; було опубліковано кілька позитивних рецензій на нього. У новому виданні розширено колектив авторів, текст переопрацьо-вано і доповнено сучасними матеріалами і концепціями. Авторський колектив сподівається, що навчальний посібник «Загальна екологія» виявиться корисним для студентів і викладачів екологічних дисциплін – як технічних, так і гуманітарних – у вищих навчальних закладах нашої країни.

Предмет екології

Людина і людство в цілому пов’язані з природним середовищем тисячами незримих ниток. Ми дихаємо киснем, утвореним зеленими рослинами в процесі фотосинтезу, а вуглекислий газ, що виділяється при диханні й усіх видах горіння, у свою чергу поглинається зеленими рослинами, які синтезують за його допомогою органічні речовини. Ці органічні речовини – основа нашої їжі, кормів тварин і база для багатьох видів технічної переробки. Гармонія взаємин людства з природою складалася впродовж багатьох тисячоліть, про що свідчать літописи, легенди, перекази.

Взаємозв’язок живих організмів із навколишнім середовищем вивчає біологічна наука, а з другої половини XIX століття її окрема галузь – екологія. Уперше термін «екологія» був запропонований німецьким біологом Е. Геккелем у 1866 році. У буквальному перекладі (oikos грецькою означає дім) екологія -це наука про «дім» людства, тобто про навколишню природу. Вона протягом тривалого часу вивчала умови існування живих організмів (рослин і тварин) та їх взаємодію з навколишнім середовищем і одне з одним. Та ці проблеми складають лише частину наукової будівлі сучасної екології. Наприкінці XX століття зміст екології став набагато ширшим, а її місце в системі наук істотно змінилося. Екологія виникла як суто біологічна дисципліна, але в сучасну епоху вона трансформувалася і стала наукою про структуру і функції природи в цілому, наукою про біосферу, наукою про місце людства на нашій планеті, наукою про взаємозв’язки всього живого на нашій планеті між собою та з навколишнім світом.

Видатний американський учений Ю. Одум одним із перших став розглядати екологію не як вузьку біологічну наукову дисципліну, а як міждисциплінарну науку, що досліджує багатокомпонентні й багаторівневі великі системи в природі й у суспільстві. Ця якісна зміна, зберігши за екологією її історичну назву, привела до зміни об’єкта і предмета екології, збагатила її новими методами і надала надзвичайної дієвості у розв’язанні соціальних і економічних проблем, що постають перед людством. Власне кажучи, екологія переростає, як відзначив B.C. Крисаченко (1992), в інтегральну наукову дисципліну – життєзнавство.

Одна з галузей сучасної екології – соціальна екологія – усе більше збагачує концептуальний і методичний апарат вивчення соціальних процесів і активно досліджує проблеми, що виникають на межі соціального і біологічного.

Людина – жива істота, і з цього погляду її взаємозв’язки з природним середовищем також відносяться до сфери екологічного знання. Та зв’язки людини з її оточенням якісно відрізняються від таких зв’язків у рослин і тварин. В останніх взаємини з середовищем існування визначаються лише біологічними властивостями організму, тоді як у людини вони обумовлені науково-технічною озброєністю. Індустріальний тип розвитку цивілізації у XX столітті виявився настільки швидким і потужним, що гармонія людства і природного середовища почала порушуватися.

Розв’язання екологічних проблем, як стало очевидним на межі XX і XXI століть, зробилося неможливим унаслідок тісного сплетіння з демографічними, соціальними й економічними проблемами. Основні екологічні проблеми по своїй суті є глобальними, і вирішити їх може тільки людство в цілому. Але в даний час нашу цивілізацію роздирають небезпечні соціальні суперечності, викликані протистоянням бідних і багатих країн (проблема «золотого мільярда» людства, до якого належить населення США, Канади і ряду країн Західної Європи), різних релігійних конфесій, глобалістів і антиглобалістів. XXI сторіччя почалося з хвилі варварського тероризму. Усе частіше людські життя забирають не тільки стихійні лиха, але й великі техногенні катастрофи. Отже, розв’язання екологічних проблем – завдання не лише екологів, але й соціологів та економістів, і обов’язковою умовою подолання перепон, створених суперечливими інтересами різних угруповань і блоків, є широке впровадження екологічної освіти й виховання. Люди планети, незалежно від напрямку своєї професійної діяльності, повинні розуміти, як улаштована біосфера, як функціонують екосистеми, наскільки тісно пов’язане задоволення потреб людства і конкретної людини зі станом природного середовища, чому такими небезпечними є її деградація і руйнування, усвідомлювати глобальний характер екологічних процесів і зростаючої екологічної кризи. З колом цих проблем і знайомить студентів вищої школи курс загальної екології.

Як міждисциплінарна наука, екологія має у своєму арсеналі всі методи теорії систем і знаходиться немов на стику біологічних

і гуманітарних наук (рис. 1.1). З одного боку, екологія залишається точною біологічною наукою в тому розумінні, що вона досліджує живі об’єкти та їх сукупності, але водночас вона стала гуманітарною наукою, оскільки визначає місце людини в природі, формує її світогляд і сприяє оптимізації розвитку соціальних і виробничих процесів.

Сучасна екологія є розчленованою на чотири взаємозалежні, але певною мірою самостійні розділи, що логічно випливають один з одного. Це факторіальная екологія, яка вивчає фактори середовища існування, суттєві для живих організмів, аутеколо-гія, завданням якої є вивчення взаємозв’язків між живими організмами і навколишнім середовищем, синекологія, що розглядає закономірності спільного існування живих організмів, їх співтовариств у взаємозв’язку один з одним і умовами існування, і соціальна екологія, що вивчає взаємозв’язки людини з біосферою і місце людського суспільства в природі.

Пропонуються й інші способи класифікації екології. K.M. Ситник і М.І. Будико (1990-1992) поділяють екологію на три частини: загальна екологія, що вивчає основні закономірності функціонування екологічних систем; глобальна екологія, яка вивчає біосферу в цілому (в іншій термінології це біосферологія), і приватна екологія, об’єктом вивчення якої є взаємозв’язки живих організмів із середовищем існування. На думку Г. Білявсь-кого і М. Падун (1991), екологія складається з п’яти основних блоків: а) біоекології з 11-ти розділів і підрозділів, б) геоекології, в) техноекології, г) соціоекології і д) космічної екології. Н.Ф. Реймерс вважає, що сучасна екологія складається з 39 основних розділів і поєднана з 70-ма великими науковими дисциплінами.

Таким чином, схема на рис. 1.1 ілюструє тільки головні напрямки розвитку екології як метанауки.

У ході активного розвитку загальна екологія диференціювалася на окремі наукові підрозділи (рис. 1.2). Енвайронменталь-ная екологія зосереджена на дослідженні стану природного середовища. Біосферна екологія вивчає біосферу і екосистеми нашої планети. Соціальна екологія досліджує роль людської діяльності в існуванні біосфери і способи екологічної оптимізації соціальних процесів. Екологія антропогенних територій займається міськими, сільськогосподарськими і промисловими екосистемами.

Становлення екології як синтетичної науки є наслідком науково-технічного прогресу та якісноі зміни місця людини в природі. Адже на перших етапах розвитку вплив людства на природне середовище мав локальний характер, був незначним, а

виробнича діяльність спиралася на природні сили навколишнього середовища (енергія води, вітру, викопні ресурси та ін.). У XX столітті людина стала спроможною до активного впливу на довкілля й почала користуватися раніше недоступними для неї ресурсами. Виникла ідея, що людина – господар природи, а природа – невичерпне джерело потрібних їй ресурсів. У цьому важливу роль відіграли:

а) стрімке зростання чисельності населення, що зробило можливим фактично необмежене використання трудових ресурсів;

б) поява атомної енергетики, у початковій ейфорії від чого здавалося, що відтепер людство вільне від необхідності застосовувати інші енергетичні джерела;

в) розробка та створення озброєння нового типу, спроможного знищити всю живу природу нашої планети;

г) формування на базі супутникових та комп’ютерних технологій єдиного світового інформаційного простору.

Сукупність цих факторів визначила в другій половині XX століття технократичну стратегію виробництва та використання природних ресурсів, стратегію, що завершилася зростанням екологічної кризи. У відповідь на це почала розвиватися та змінюватися екологія.

Тільки в розробках саме цієї науки можна знайти відповідь на питання щодо меж припустимого впливу людини на природне середовище Землі, на питання про способи оптимізації природокористування та взагалі про перспективу існування людства. Ці проблеми набули такої значущості та очевидності, що зараз жодна людина не може обійтися без екологічних знань.

Дані сучасної екологічної науки та результати виробничої діяльності призвели до усвідомлення чотирьох важливих факторів.

Перший фактор – будь-який вид живого організму є унікальним. Знищення окремих видів рослин та тварин є непоправною втратою, збитки від якої в наш час навіть важко уявити, оскільки деякі види, що зникли або зникають, можуть мати поки що невідомі, але потенційно корисні людині властивості.

Другий фактор – природні ресурси, які ще донедавна оцінювалися як невичерпні й до того ж розглядалися як безплатний дар природи, насправді виявилися вичерпними і такими, що можуть бути знищені. Сама ж якість ресурсів під впливом глобального антропогенезу отримала іншу оцінку.

Третій фактор – біосфера та її складові частини мають досить складну структуру та непрості закони функціонування. Штучне конструювання екосистем та самої біосфери – завдання, непосильне для сучасної людини, а, можливо» і для майбутньої. Більшість біосферних структур, як виявилося, мають не

таку вже й високу стійкість та пластичність. Зруйнувати їх людина може, але відновити, відтворити – поки що ні.

Четвертий і, напевно, найбільш важливий фактор – усвідомлення сучасною людиною можливості виживання тільки в умовах збереження такого природного середовища, до якого вона адаптована як живий організм і як учасник сучасних технологічних процесів.

Ці та багато інших факторів показують, що хоча людина й може жити на просторах від Арктики до Антарктиди, та все ж таки вона залишається частиною природи, а людство – частиною біосфери. Повітря, воду та їжу сучасна людина на 99% отримує або у формі безпосередньо природних ресурсів, або ж спеціально вирощує чи виробляє, та знову ж таки, використовуючи природні ресурси. Сучасна суперечлива епоха, що поєднує технічні можливості людини з її залежністю від природи, поставила перед цивілізованим світом серйозну альтернативу: або ж ми повністю зруйнуємо та докорінно перетворимо існуючу біосферу на своєрідну техносферу, де все потрібне людині для життя буде вироблятися штучно, або збережемо зв’язки людства з тією біосферою, в якій воно виникло і з якою протягом мільйонів років пов’язане тисячами видимих та невидимих ниток.

Класична екологія першої половини нашого століття була наукою, що тільки пояснювала. На підставі аналізу тих чи інших природних явищ вона пояснювала причину їх виникнення та механізм дії. Сучасна екологія стала наукою, що прогнозує та конструює. Завдяки методу математичного моделювання, що став одним із основних у сучасній екологіі, створюються серії картин, які показують можливі результати того чи іншого впливу людини на природу. Такі прогнози на основі моніторингу певних ділянок біосфери за допомогою наземних засобів або супут-никового зондування можуть постійно уточнюватися. Усе більш відчутною, хоча ще недостатньою, є конструкторська функція екології, коли на основі екологічних знань спеціалістів та часто за широкого залучення громадського руху приймаються рішення про реалізацію тих чи інших промислових або сільськогосподарських проектів. Так, наприклад, наприкінці 1980-х років під тиском екологів-професіоналів та за підтримки громадськості, журналістів і письменників був відхилений проект перекидання частини водотоку північних річок (Об, Єнісей та ін.) на південь, у Середню Азію. В Україні припинені роботи з перекидання дунайської води до Дніпра, які були розпочаті в межах проекту каналу Дунай – Дніпро.

Характерною особливістю кінця XX століття стала екологіза-ція багатьох конкретних наук, посилився та набув нових форм зв’язок екології з філософією та соціологією. Постало питання про

необхідність широкомасштабної екологічної конверсії сільського господарства та ряду галузей виробництва. Усі заходи з охорони природи здійснюються на основі теоретичних екологічних знань.

У сучасних умовах інтерес до екології став загальним, екологічний підхід до вирішення проблеми взаємодії людини та природи пройняв усі сфери життя. Курс екології у вищій школі України вводить студентів у широке коло проблем життя сучасного суспільства, проблем, що однаково стосуються й інженера, й агронома, й лікаря, і юриста, і політичного діяча, і фахівця будь-якого іншого профілю.

Розуміння людиною складності законів екології прийшло тільки наприкінці XX століття. Алі ці законі існували завжди й не залежали від волі людини. Нерозуміння закономірностей існування екосистем уже не раз призводило до непоправних природних катастроф та дорого коштувало людству. Так, найродю-чіші, добре обводнені та вкриті лісом землі Месопотамії під впливом бездумного вирубування лісу, меліорації та розведення худоби перетворилися на напівпустелю. Незліченних моральних та матеріальних збитків зазнали Україна, Білорусія та Росія в результаті економії коштів на будівництво Чорнобильської АЕС та розміщення її в густонаселеній частині України. Докорінне перетворення ландшафтів та втрата ними багатьох цінних властивостей стали наслідком інтродукції кролів та овець в Австралії. На жаль, кількість таких прикладів досить велика.

Перед ученими, що працюють у галузі екології, постають і моральні проблеми. Наскільки глибоко та в яких напрямках повинні розроблятися ті чи інші наукові проблеми, якщо їх використання може зашкодити людині? На це питання сьогодні має відповісти не тільки вчений-атомник чи генетик, але й еколог. Адже як зброя може використовуватися не тільки атомна бомба. На основі екологічної інформації та технічних промислових засобів людина вже сьогодні може викликати штучні посухи, повені, землетруси, епідемії. Американський учений, лауреат Нобелівської премії Макс Дельбрюк (1989) взагалі розглядає вчених як особливу соціальну групу Homo scientificus, рушієм діяльності якої є допитливість і наукова одержимість. А його колега, відомий американський біохімік, колишній президент Національної академії наук США Філіп Хендлер (1989) відверто писав: «Не наука завдає лиха, а люди чинять лихо».

Завдання сучасної екології різноманітні й складні. Основними напрямками екологічних досліджень є:

1) визначення типів основних екосистем та ландшафтних одиниць з оцінкою особливості їх складу та функціонування, щорічної та багаторічної динаміки, що є основою для здійснення раціонального влаштування великих та малих територій;

2. розробка методів пошуку інформації та її аналізу й отримання інтегральних параметрів, що характеризують стан біосфери в цілому;

3. оцінювання рівня стійкості біосфери та окремих екосистем до зовнішніх впливів, їх здатності до повернення в початковий стан після тих чи інших змін та вироблення рекомендацій щодо розміру та обсягу антропогенних змін біосфери;

4. розробка пропозиції щодо створення заповідних та охоронних територій;

5. обґрунтування пропозицій щодо розробки законодавства з питань експлуатації природних ресурсів та охорони природного середовища;

6. вчасне складання на основі екологічних знань прогнозів про можливість епідемій, епізоотій, стихійних лих і техногенних катастроф та подання рекомендацій щодо їх запобігання;

7. формування природоцентричного світогляду.

Екологія вирішує також багато інших загальнонаукових і прикладних проблем. Вона формує уявлення про біосферу як про природний дім людства і підводить кожну людину до усвідомлення першорядної важливості збереження біорізноманіття як головного чинника стабільного існування біосфери. Загроза втрати біорізноманіття – це загроза самому людству, тому проблема біорізноманіття на початку XXI століття набула соціального, політичного та етичного значення. Запропонований у даному підручнику курс загальної екології вміщує опис загальних законів і принципів існування та функціонування біосфери та її компонентів в умовах сучасного природокористування, розглядає питання взаємодії людини та природи. Екологічна підготовка спеціаліста-професіонала не може вважатися завершеною без подальшого вивчення і глибокого освоєння того чи іншого спеціального курсу: агроекології, екології будівель і споруд, промислової екології, медичної екології тощо.

Питання для самоперевірки

1. Поясніть зміст та значення курсу екології.

2. Назвіть основні завдання та проблеми сучасної екології.

3. Наведіть приклади відомих вам великих і малих екологічних катастроф та назвіть їх можливі причини.

Питання для обговорення

1. Які види виробництва, на вашу думку, потребують першочергової екологічної конверсії?

2. Наведіть приклади великих наукових відкриттів, упровадження яких може суттєво вплинути на біосферу в цілому.

3. Яким, на вашу думку, має бути ступінь відповідальності вчених за соціальні та моральні наслідки наукових відкриттів.

Екологія як загальнобіологічна та гуманітарна наука