Экология - фундаментальная комплексная наука

 

Экологию стали трактовать прежде всего как науку об охране и ра­циональном использовании природы. Слово "экология" в переводе с греческого означает ("oikos" — дом, жилище и logos — наука) в до­словном переводе "домоводство" или "домашнее хозяйство". Термин "эколо­гия" был введен в науку немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1866 г.

Экология — наука, изучающая закономерности существования, формиро­вания и функционирования биологических систем всех уровней — от орга­низмов до биосферы и их взаимодействия с окружающей средой.

Экология подразделяется на 2 большие ветви:

- общая экология (биоэкология) — изучает популяции, взаимоотношения между организмами, организмами и средой, экологию сообществ (биогеоценозов), природные комплексы и биосферу;

- частная (специальная) экология — занимается изучением экологических аспектов конкретных таксономических групп организмов или сооб­ществ.

В экологии возникло новое направление — прикладная экология: про­мышленная, сельскохозяйственная, промысловая экология, которая изу­чает возможность использования природных ресурсов и среды жизни, допус­тимые нагрузки на них, формы управления и хозяйствования.

В настоящее время в экологии выделяют 3 основных направления:

- аутэкологию, изучающую поведение особей и видов, а также их взаимо­действие с окружающей природной средой. Она исследует действие среды на морфологию, физиологию и поведение организмов;

- демоэкологию. исследующую целые популяции: их динамику и причины колебания численности различных видов;

- синэкологию — экологию сообществ (биоценозов). Она изучает взаимо­отношения популяций и сообществ с природной средой.

Как отдельное направление в экологии рассматривается учение о функ­ционировании биосферы. Цель этой науки — научное обоснование выжи­вания человека на современном этапе эволюции.

 

Дадим основные понятия, используемые в экологии.

Популяция — совокупность особей одного вида, находившихся во взаи­модействии между собой и населяющих общую территорию.

Сообщество — совокупность взаимосвязанных особей, взаимосвязан­ных видов в пределах какого-либо пространства. Сообщество может со­стоять из продуцентов, консументов, редуцентов.

Биота — совокупность живых организмов, объединенных общей обла­стью распространения; в отличие от биоценоза между организмами биоты может и не быть экологических взаимосвязей.

Биом — совокупность разных групп организмов и среды их обитания в определенной ландшафтной географической зоне.

Биотоп — относительно однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое биоценозом.

Биоценоз — совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих участок среды обитания с более или менее однородными условиями жизни.

Экотоп - внешнее, не относящиеся к биоценотической среде, условие жизни.

Экологическая ниша — место в природе, определенное его биотиче­ским потенциалом и совокупным набором фактов внешней среды. Она включает не только положение вида в пространстве, но и его функцио­нальную роль в сообществе.

Понятие экологической ниши было введено в науку американским зоологом Дж. Гриннеллом в 1914 г., который термином "ниша" определял самую мелкую единицу распространения вида.

Ч. Элтон, давший определение экологической ниши в 1924 г., описы­вал ее как место данного организма в биотической среде, его положение в целях питания.

Дж. Ивлин Хатчинсон в своей концепции об "экологической нише" рассмотрел единицу как часть воображаемого многомерного пространства, отдельные изменения которого соответствуют факторам, необходимым для существования вида. Дж. Хатчинсон классифицировал экологическую нишу на:

- фундаментальную, которая определяется только физиологическими особенностями организмов;

- реализованную, в пределах которой вид реально встречается в природе. Экологическая ниша включает не только положение вида в простран­стве, но и его роль в сообществе, положение относительно абиотической среды существования (температура, свет, влажность).

Размерность экологических ниш в природе может быть самой различ­ной. Одни организмы могут существовать в широких экологических ам­плитудах и тем самым расширять свою экологическую нишу, а другие, наоборот, эволюционно приспособились к довольно узким экологиче­ским нишам (азиатский вид камера — Anopheles clirus, вид птиц — Melamprosops phaeosoma, золотистая жаба — Bufo periglenes).

Консументы — потребители органического вещества живых организмов. К ним относятся:

- растительноядные животные (фитофаги);

- плотоядные животные (зоофаги);

- паразиты (живущие за счет веществ организма хозяина);

- и симбиотрофы (бактерии, грибы, простейшие), питающиеся соками или выделениями организма хозяина.

Детритофаги — организмы, питающиеся остатками растений и живот­ных, (мертвыми органическими веществами). К этим организмам отно­сятся гнилостные бактерии, личинки насекомых, грибы, черви. Они уча­ствуют в образовании почвы, донных отложений водоема.

Редуценты - это бактерии и низшие грибы. Они завершают деструк­тивную работу консументов и детритофагов, доводя разложения органики до полной минерализации, возвращая в среду экосистемы неорганические вещества.

Продуценты являются производителями органического вещества в любой экосистеме.

Автотроиды — организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ (двуокись углерода и вода) в процессах "фотосинтеза (растения) и "хемосинтеза" (бактерии) (источником служит энергия окисления водорода, серы, сероводорода, аммиака и железа).

Организмы, которые потребляют это, уже готовое, органическое вещест­во и другие продукты их жизнедеятельности, называются гетеротрофы.

Экосистема — любое сообщество любых существ вместе с их средой обитания, функционирующее как единое целое.

Охрана природы - комплексная научная дисциплина, разрабатываю­щая общие принципы и методы сохранения и восстановления природ­ных ресурсов, включая охрану земель, вод, атмосферы, природных ком­понентов растительного и животного мира.

Охрана окружающей среды — это охрана природной среды, которая окружает человека. Она включает в себя комплекс международных, госу­дарственных, региональных, административно-хозяйственных, политических и общественных мероприятий по обеспечению физических, химических и биологических параметров функционирования природных систем в пре­делах, которые необходимы с точки зрения здоровья и благосостояния человека.

Обратная сторона человеческой деятельности — те негативные измене­ния в природной среде, к которым она приводит:

- изменяется структура земной поверхности (при распашке земель, гор­ной добыче, вырубке лесов, осушении болот, создании искусственных водоемов);

- изменяется химия природной среды, круговорот и баланс веществ (при изъ­ятии и переработке полезных ископаемых, размещении отходов произ­водства на полигонах, в атмосферном воздухе и водных объектах);-

- изменяет энергетический (тепловой) баланс в отдельных регионах и на всей планете;

- изменяет состав биоты в результате истребления одних видов живот­ных и растений (создание других видов и перемещение их на новые места обитания).

Основные задачи экологии:

- изучение динамики, изменений организации жизни в условиях посто­янного антропогенного влияния на качество природной среды;

- сохранение эталонов природы;

- регулирование численности популяций (одна из самых трудных задач); установление механизмов адаптации растений и животных к антропо­генно изменяемой среде;

- исследование энергетических связей и биологических круговоротов, измененных человеком;

- разработка методов прогнозирования изменения качеств природной среды;

- разработка научных экологических основ эксплуатации природных ресурсов;

- разработка экологически безопасного управления продуктивным про­цессом с образованием и поддержанием природопреобразования; разработка приемов рекультивации и оздоровления экосистем, эколандшафтов.

Специфические задачи экологии:

- оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских решений с целью минимизации ущерба окружающей среде; своевременное выявление и корректировка технологических процессов, отрицательно влияющих на здоровье человека и состояние природной системы;

- прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий ан­тропогенного влияния, связанного с работой различных предприятий, на окружающую среду.

Основные экологические проблемы:

- изменение климата (геофизики) Земли на основе усиления "парнико­вого" эффекта, выбросов метана и других низко контактных газов, из­менение концентрации озона в тропосфере и стратосфере; засорение и иное загрязнение ближайшего космического пространства; общее ослабление стратосферного озонового экрана; образование озоновой "дыры" над Антарктидой и малых "дыр" над другими регионами планеты;

- загрязнение с образованием кислотных осадков, сильно ядовитых и па­губно действующих веществ в результате вторичных функций, в том числе фотохимических (это — одна из причин уменьшения озонового слоя, на который воздействуют фреон, водяные пары, малые газовые примеси);

- загрязнение Мирового океана, захоронение в нем ядовитых и радио­активных веществ, насыщение его вод диоксидом углерода атмосфе­ры, поступление в него антропогенных нефтепродуктов, других за­грязняющих веществ, особенно тяжелых металлов и сложных органи­ческих соединений, подкисления мелководий за счет загрязненной среды и азота атмосферы;

- разрыв нормативных экологических связей между океанами и водами суши в связи со строительством плотин на реках; истощение и загрязнение поверхностных вод суши, континентальных водоемов и водотоков, подземных вод; нарушение баланса между по­верхностными и подземными водами;

- радиоактивное загрязнение локальных участков и некоторых регио­нов, в особенности в связи с текущей эксплуатацией атомных уст­ройств, чернобыльской аварией и испытанием атомного оружия;

- изменение геохимии отдельных регионов планеты в результате, на­пример, перемещения тяжелых металлов и концентрациях на поверх­ности Земли при нормальной дисперсности в литосфере;

- опустынивание планеты в новых регионах, расширение уже сущест­вующих пустынь, ускорение процесса опустынивания;

- сокращение площади тропических и северных лесов, ведущее к дис­балансу кислорода и усилению процесса исчезновения видов живот­ных и растений. Все это приводит к образованию новых экологиче­ских ниш и заполнение их нежелательными организмами;

- абсолютное перенаселение Земли и относительное демографическое переуплотнение в отдельных ее регионах.

-

Объекты и методы экологии

Важнейшие объекты экологии — природные и антропогенная экосистемы.

В экологии можно выделить 3 блока методов изучения:

- наблюдение и сравнение;

- научные эксперименты;

- моделирование.

Один из основных методов изучения в экологии — системный.

Сис­темный подход представляет собой форму приложения теории познания и диалектики к исследованию процессов, происходящих в природе, об­ществе, мышлении. Его сущность состоит в реализации обшей теории систем. согласно которой каждый объект в процессе его исследования должен рассматриваться как самостоятельная и сложная система и, одно­временно, как элемент более обшей системы. Поэтому в рамках систем­ного метода:'

- выявляется состав соответствующей экосистемы;

- определяются внутренние связи между составными элементами эко­системы;

- устанавливаются связи изучаемой экосистемы с внешним окружени­ем, т. е. системой более высокого уровня.

История развития экологии

Всю историю становления экологии как науки можно разделить на 4 периода:

- первый период (до 1866 г.) — первоначальное накопление экологических знаний. К числу основных вех этого периода можно отнести:

• зачатки экологии в индусской и античной цивилизациях — инду­сами была выстроена "теория эволюции", а древнегреческие ученые впервые обосновали концепцию " детерминизма";

• идеи английского философа Ф. Бэкона "о материальном единстве живых и неживых тел";

- работы шведского естествоиспытателя К. Линнея, заложившего основы биологического круговорота. Он утверждал, что смерть — обязательное явление жизни, а отмершие организмы являются ис­точниками питательных веществ;

- французский ученый Ж.Б. Ламарк в 1802 г. ввел понятие "биология";

- выдающийся русский мыслитель М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы вещества;

- в 1798 г. английский священник Р. Мальтус вывел закон народо­населения;

- в 1848 г. увидела свет книга немецкого ученого Ю. Либиха "Химия в приложении к физиологии и земледелию";

• второй период (1866—1935) — становление "классической экологии ". Пе­риод богат разнообразными открытиями в области экологии:

- французским исследователем Реклю был введен (1868) в науку тер­мин "биосфера"',

- русский ученый В.И. Вернадский создал учение о биосфере и раз­вил концепцию ноосферы (сферы разума), сформулировал поло­жения о решающей роли живого вещества;

- в 1911 г. американский ученый Шелфорд обнародовал законы "максимума" и "выносливости";

• третий период (1935—1980) — завершение формирования "системного" взгляда. Он ознаменовался появлением статьи Тексли "О правильном и неправильном использовании концепций и терминов в экологии растений". Именно в этот период "экосистема" становится главным объ­ектом изучения экологии. В 1940 г. В.И. Вернадский сформулировал за­кон перехода геосферы в биосферу. Хатчинсон в 1941 г., описывая сооб­щества гидросферы, открыл парадокс планктона. Он утверждал, что конкуренция — не единственная сила эволюции, а есть и другие, более гуманные законы, объединяющие живые существа. Возникают различ­ные экологические организации, в том числе и "Гринпис";

• четвертый период (1980 г. и до наших времени) — " интерактивный ". В этот период развития экологии появляются ЭВМ и начинает при­меняться метод моделирования. В 1980 г. американский исследователь Симбилофер написал статью "Сукцессия паразитов в экологии". Со­гласно этой статье, характерной чертой современной экологии стал учет роли случайных факторов формирования структуры и динамики экосистем.

В наше время происходит быстрая деградация и истощение ресурсов планеты. Причина этого — пренебрежение объективно существующими законами природы, когда люди исходят лишь из сиюминутных интересов и выгоды. По своей сути "экология" — теоретическая основа рациональ­ного использования человеком природных ресурсов, научный фундамент для разработки стратегий и тактики взаимоотношений человеческого общества и природы.

В экологии получили развитие разные направления, в том числе:

• физиологическая экология - изучает физиологические изменения ор­ганизмов в процессе приспособления к внешним условиям;

• биохимическая экология — занимается выяснением закономерностей адаптивных изменений организмов на молекулярном уровне.

За эти годы в отечественной науке было создано большое количество разделов экологии:

• в развитие общей экологии животных большой вклад внесли Д.Н. Кашкаров, С.А. Северцев;

• экологическую паразитологию создали В.Н. Беклемишев, В.А. Догель, Е.Н. Павловский;

• экологическую энтомологию — Г.Я. Бей-Биенко, Г.А. Викторов, АС. Да­нилевский, И.В. Консанчиков;

• промыслово-охотничью — А.Н. Формозов;

• экологию растений - Б.А. Келмер, Г.И. Поплавская, И.Г. Серебряков. Д.Н. Кашкаров, один из основоположников современной экологии,

выступал за введение сельскохозяйственной экологии, считал необходимым широкое внедрение положений экологии не только в агрономию, но и в жи­вотноводство. В последние десятилетия формируется агроэкология, и можно сказать, что идеи Д.Н. Кашкарова претворяются в жизнь.

В свое время еще А.Г Болотов, русский агроном, понимал взаимоза­висимость пашни, луга и скота и эмпирически нашел их оптимальное соотношение для обеспечения высокого урожая и сохранения почв.

Почва, по определению В.И. Вернадского, есть биокосное тело, в ко­тором биологическая и косная системы составляют единство.

Учение о природных комплексах было сформулировано в конце XIX в. русским ученым В.В. Докучаевым в труде "К учению о законах природы", где он отмечал, что ранее изучали главным образом отдельные тела, яв­ления, стихии - воду, землю, но не их соотношения и связь, какая су­ществует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растениями, животными и минеральными царствами, с одной стороны, и человеком — с другой. Это свидетельствует о том, что В. В. Докучаев стоял у истоков идей функционирования природы как це­лостной системы.

Мысль В.В. Докучаева о необходимости изучения закономерностей жизни природных комплексов получило дальнейшее развития в книге одного из его учеников, Г.Ф. Морозова, "Учение о лесе", в концепции В.Н. Сукачева "о биогеоценозах" и в работах современных экологов.

Фундаментальный вклад в изучение экологии внесло учение В.И. Вер­надского "о биосфере".

Экологические концепции

 

1. Концепция детерминизма. Рассматривает природную среду как глав­ную определяющую силу развития человеческого общества. Именно при­родная среда способна ускорять или же замедлять его развитие.

2. Концепция внутреннего динамического развития экосистем. Эта кон­цепция формулируется в виде закона, который гласит: вещество, энер­гия, информация и динамические качества отдельных систем и их иерар­хии взаимосвязаны настолько, что любое их изменение вызывает функционально-структурные, количественные и качественные изменения при сохранении общей суммы вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств системы. Эти действия происходят в системах и ие­рархических структурах. Данная концепция связана со следующей.

3. Концепция устойчивости. Позволяет оценить способности экосистем сохранять свою структуру и функциональные качества при воздействии на нее каких-либо факторов.

4. Концепция экосистемы. Состоит в признании экосистемы основной функциональной единицей.

5. Концепция лимитированности природно-ресурсного потенциала: все природные ресурсы и условия на Земле конечны.

6. Концепция экологической ниши. Одна из наиболее важных в экологии. Она включает совокупность характеристик (пространственных и функ­циональных), раскрывающих положение вида в экосистеме.

7. Концепция "климакса ". Является как бы положением предыдущей. Она признает возможность существования устойчивых по отношению к внешней среде равновесных экосистем в период финальной фазы эво­люции (сукцессии ).

8. Концепция экологического разнообразия: сообщества живых организмов характеризуются числом и значимостью структурообразующих видов, т. е. чем сложнее экосистема, тем больше видовое разнообразие.

9. Концепция естественного отбора. Отбор видов обусловлен влиянием изменений факторов окружающей природной среды.

 

Экологические законы

Закон есть выражение существенной, необходимой, стабильно повторяю­щейся связи между явлениями.

Перечислим законы, характерные для экологических явлений:

- закон "физико-химического единства ": все живое вещество планеты едино с точки зрения своей физико-химической сути (например, что ток­сично для одного вида, токсично и для всех других видов);

- закон "биогенной миграции атомов ": на Земле миграция химических элементов осуществляется либо при непосредственном участии живого вещества, либо при обусловленной биохимическим воздействием биота миграции химических элементов, т. е. миграция химических элемен­тов — это функция живого вещества;

- с предыдущим законом связан закон "бережливости ": атомы, вошед­шие в какую-нибудь форму живого вещества, с трудом возвращаются или не возвращаются в "косную" материю биосферы. Этот закон — основа круговорота веществ;

- закон "константности ": количество живого вещества биосферы для единого геологического периода есть константа, т. е. постоянная ве­личина;

- закон "максимизации энергии " (Б. и Н. Одумовы): в соперничестве, или конкурентной борьбе, с другими системами выживает та из них, в ко­торую наилучшим образом поступает энергия и используется макси­мально эффективно. А наиболее эффективно используют энергию те системы, которые ее накапливают;

- закон "пирамиды энергии " (Линдманта): с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит в другой в среднем не более 10% энергии;

- закон "развития природных систем за счет окружающей среды ": любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окру­жающей среды. Отсюда следует, что на Земле безотходное производст­во невозможно, а любая более высоко организованная биологическая система через использование и видоизменение среды жизни представляет потенциальную или реальную угрозу для низкоорганизованной систе­мы, т. е. повторное зарождение новой жизни невозможно;

- закон "снижения энергетической эффективности природопользования "- по мере течения исторического времени для получения от природы полезной продукции затрачивается все больше энергии на единицу продукции;

- закон "оптимальности ": самое эффективное функционирование любой системы возможно только в определенном пространственно-времен­ном диапазоне. Никакая природная система не может расширяться без ущерба для ее организации и функционирования;

- закон "необратимости эволюции " (Долло): организм, отдельная попу­ляция, вид, не могут вернуться к прежнему состоянию, существую­щему в ряду его предков. Этот закон действителен не только для жи­вых организмов, но и в отношении экологических систем;

- закон "последовательности прохождения фаз развития природных сис­тем "- фазы развития могут следовать только в определенном порядке. Обычно они следуют от простого к сложному и без пропуска проме­жуточных этапов, поэтому организм не может пройти от старости к мо­лодости, умереть, а потом родиться;

- тенденция процессов, идущих в зрелых равновесных системах, к затуха­нию: бесполезно торопить природу хозяйственными или мелиоратив­ными мероприятиями без выведения их из равновесного состояния;

- закон "совокупности действия факторов " — например, величина уро­жайности определяется не отдельными факторами, а совокупностью всех экологических факторов одновременно;

- закон "минимума " (Ю. Либах): жизнеспособность, выносливость орга­низмов определяется экологическими факторами, их количеством и ка­чеством, уменьшение которых ниже определенного минимума ведет к гибели организмов и разрушению экологической пирамиды;

- закон "толерантности " (Шелфорд): ограничивающим фактором нор­мальной жизнедеятельности организма (вида) может быть как мини­мум, так и максимум экологического воздействия;

- закон "возврата ": питательные вещества, изъятые из окружающей сре­ды вместе с собранным урожаем, должны быть возвращены в нее;

- закон "убывающего плодородия ": в связи с постоянным изъятием пита­тельных веществ вместе с собираемым урожаем, эрозией почвы, забо­лачиванием на культивируемых землях происходит постоянное сни­жение плодородия;

- закон "растущей урожайности ". Этот закон противоположен закону плодородия: агротехнические и другие прогрессивные приемы веде­ния сельского хозяйства ведут к увеличению урожайности земель;

- закон "незаменимости факторов роста и развития ": ни один из факто­ров, влияющих на рост и развитие живого организма, не может быть заменен никаким другим фактором (например, свет не может заме­нить влагу или температуру, кислород);

- закон "ускорения эволюции ": скорость формообразования с ходом гео­логического времени возрастает, а средняя длительность существова­ния видов внутри более крупной системы снижается, следовательно, более организованные формы существуют меньшее время, чем низко­организованные. Это вызывает катастрофический толчок, когда эво­люция резко убыстряется;

- законы "афоризмов ", или законы Б. Коммонера:

• все связано со всем. Закон обращает внимание на связь процессов в природе;

• все должно куда-то деваться. Закон (так же как и первый) близок по смыслу закону "внутреннего динамического равновесия" и за­кону "развития природной системы за счет окружающей ее среды";

• природа "знает" лучше. Закон говорит о том, что человечество не имеет абсолютно достоверную и полную информацию о механиз­мах и функциях природы;

• ничто не дается даром. Из этого закона вытекает, что глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого не может быть что-то выиграно или потеряно и которое не может яв­ляться объектом всеобщего улучшения, т. е. все, что было извле­чено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено;

- закон "внутреннего динамического равновесия ": вещество, энергия, инфор­мация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение хотя бы одного их этих показателей вызывает сопутствующие функционально- структурные, количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и ди­намических качеств систем, т. е. любое изменение среды неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, что ведет к образо­ванию новых природных систем.

 

Экологические принципы

Системный подход к изучению экологических объектов позволил сфор­мулировать ряд принципов их функционирования:

принцип "иерархичности ": соподчинение экосистем биосферы, при ко­тором меньшие системы образуют большие, а последние, в свою оче­ редь, являются подсистемой более крупных систем. Само понятие "ие­рархичность" означает расположение и соподчинение элементов цело­го в порядке от низшего к высшему;

принцип "эмерджентности ": наличие в системе как целом специфиче­ских свойств, признаков, отсутствующих в ее составляющих компо­нентах и блоках;

принцип "обратной связи ". Этот принцип свидетельствует об обратном воздействии одной системы на другую, т. е. воздействие управляемого объекта на управляющий организм.

Различают:

- положительную обратную связь, когда результат управляемого про­цесса усиливает его; - отрицательную связь, когда результат процесса ослабляет его дей­ствие;

" экологической комплиментарности ": никакая функциональная часть экосистемы не может существовать без других, дополняющих систем; " исключения Г. Гаузе ": два вида не могут существовать в одной и той же местности, если их экологические потребности одинаковы, т. е. если они занимают одну и ту же экологическую нишу; " направленности эволюции ", или закон "минимума диссипации (рассеива­ния) энергии ': при вероятности развития процесса в некотором множе­стве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализует­ся то, которое обеспечивает минимум диссипации энергии (или ми­нимум роста энергии). Таким образом, эволюция всегда направлена на снижение рассеивания энергии, на ее неравномерное распределение; " нулевого максимума ' ': экосистема в сукцессионном развитии стремит­ся к образованию большей продукции (биомассы) при наименьшей биологической продуктивности;

" принцип Ле Шателье-Брауна ": при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ос­лабляется. Этот принцип, основанный на моделях неживой природы, справедлив и для условно-равновесных (квазистационарных) природ­ных систем, в том числе и экологических.

Закон выступает основанием для выведения 1-го следствия закона внутреннего динамического и нега­тивного действия правила цепных реакций. Он же объясняет причину действия закона снижения энергетической эффективности природо­пользования: чем больше отклонения от состояния экологического рав­новесия, тем значительнее должны быть энергетические затраты для ос­лабления противодействия природных систем этому отклонению. След­ствием принципа Ле Шателье—Брауна выступает принцип торможения развития: в период наибольших потенциальных темпов развития сис­темы возникают максимальные тормозящие эффекты; принцип "естественности ": естественные формы управления природными системами по конечному результату всегда эффективнее технических, т. к. последние требуют со временем большего вложения средств для полу­чения одной и той же единицы продукции, вплоть до превышения ими экономически оправданных пределов;

- принцип "сбалансированности ". Связан с предыдущим принципом и озна­чает, что экологически оптимальная урожайность достигается только при оптимальном количестве питательных веществ и сбалансированности всех внешних факторов среды (свет, тепло, влага и т. д.);

- принцип "неполноты информации ": имеющаяся у человека информация всегда неполна и недостаточна для прогнозирования экологических последствий;

- принцип "обманчивого благополучия ", первые успехи (или неудачи) в природопользовании могут быть кратковременными;

- принципы "плотной упаковки ": виды, объединенные в общество, исполь­зуют все возможности для существования, предоставляемые средой, с минимальной конкуренцией и максимальной биологической про­дуктивностью. Эта группа включает 4 основных принципа:

• консорционной ценности: исчезновение центрального вида обуслав­ливает и гибель многих остальных видов консорции¹;

• биологического замещения, новый в экосистеме вид занимает свою экологическую нишу и вытесняет конкурентные, менее жизнеспо­собные виды, что ведет к их исчезновению и биологическому не­равновесию;

• экологического замещения, исчезновения, цепь видов сменяется но­вой цепью, что сохраняет способность экосистемы усваивать по­ступающую извне энергию и информацию;

• неопределенности хозяйственного значения смены видов: замена тро­фических цепей вновь внедряющимися видами может быть и не­желательной по хозяйственной причине;

- принципы "связи биотоп-биоиеноз ":

• "разнообразий'-, чем, разнообразнее условия биотопа, тем больше количество видов в биоценозе;

• "отклонения условий'-, чем сильнее отклонения условий биотопа от нормы, тем беднее видами и специфичнее биоценоз, но общая численность остается постоянной;

• " плавности изменения среды": чем плавнее, постепеннее изменяются условия в биотопе, тем богаче видами этот биотоп;

• "визы родового представительства': два близкородственных вида не могут занимать одинаковые экологические ниши;

• "визового исключения": два одинаковых вида не могут занимать одну и ту же нишу, поэтому один из них должен уйти.

 

Экологические правила

 

2. Правило "меры преобразования природных систем ": преобразование природных систем не должно выходить за те определенные пределы, ко­торые позволяют им сохранять способность к самоорганизации, саморе­гуляции и самоочищению. Эти пределы определяются изменением взаи­модействия и взаимосвязи между системами трех уровней — подсистемы, системы и надсистемы. При разрушении нижележащих подсистем сами системы не восстанавливаются.

Из данного правила вытекают следующие выводы:

• получение одного возобновляемого ресурса человеком возможно в опре­деленный отрезок времени, который длится несколько тысяч лет;

• рациональность хозяйственных мероприятий возможна только в пре­делах некоторых оптимальных размеров, за границами которых их эф­фективность падает;

• антропогенный фактор не должен создавать избытка любого средообразующего компонента, т. к. это выводит систему из равновесия;

• выигрыш от преобразования природной системы в одном регионе достигается за счет проигрыша природной системы в другом регионе, если это преобразование проводится вопреки действию экологических законов;

• постепенно сложившееся новое экологическое равновесие значитель­но устойчивее предшествующего, но при этом потенциальный запас, возможно, в будущем резко сократится;

• отсутствие гармонии между процессами естественной системной регу­ляции и хозяйственными мероприятиями ведет к разрушению при­родной системы.

• Правило "мягкого управления природой " ("мягкое" — опосредованное): управление природными процессами вызывает положительные (желатель­ные) цепные реакции, что предпочтительнее "жесткого" техногенного управления.

• Правило "жесткого управления ": жесткое управление природными про­цессами чревато разрушительными цепными реакциями, которые соци­ально и экономически неприемлемы для человека.

• Правило "взаимной приспособленности ": в естественном биоценозе все виды настолько приспособлены друг к другу, что их общество представ­ляет собой взаимосвязанное едино системное целое.

• Правило "обязательности заполнения ниши ": пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно и обязательно заполнена. В нормально функционирующих экосистемах свободных ниш нет.

• Правило "соответствия условий среды генетической предопределенно­сти организма ": любой вид организмов может существовать до тех пор, пока окружающая среда будет соответствовать генетическим возможно­стям приспособления вида к ее колебаниям и изменениям среды.

Правило "интегрального ресурса ", конкурирующие отрасли хозяйства при совместном использовании одного и того же компонента среды наносят ущерб друг другу тем сильнее, чем существеннее изменяется эксплуати­руемый ими компонент или экосистема.

2. Правило " социально-экологического замещения ": потребности человека в некоторых жизненных благах могут быть до определенной степени (и часто в относительно короткий период) замещены более полным удовле­творением других, функционально близких потребностей.

3. Правило "ускорения развития ": чем стремительнее под воздействие антропогенных факторов изменяется среда обитания человека и условия ведения им хозяйства, тем скорее происходят перемены в социально- экологических свойствах человека, экономическом и техническом разви­тии общества.

4. Правило "островного измельчания ": особи видов животных, обитающих на островах, как правило, мельче таких же материковых особей, живущих в аналогичных условиях. Правило островного измельчания имеет немало исключений, однако, статистически корректно. Поэтому так называемая "инсумерность¹ природных систем" в культурных ландшафтах (их островоподобная структура) должна постепенно вести к измельчению особей видов диких животных. Этот процесс охватывает и заповедники с неболь­шой территорией. Отсюда важность определения их минимальной пло­щади, обеспечивающей в том числе и "снятие" правил "островного измель­чания".

 

Уровни организации жизни

Возникновение жизни на Земле связано с биологическим круговоро­том веществ в биосфере. Жизнь предстает перед нами как сложная иерар­хическая система, в которой элементы низшего уровня организации служат составными частями для структур более высокого уровня. Живые орга­низмы, населяющую Землю, организованы в определенные развивающиеся группы, которые и составляют организации живого, или структурные уровни жизни.

Существует множество схем, отражающих иерархическую соподчиненность уровней живого:

- еще недавно высшим уровнем организации живого считался организменный уровень;

- но прогресс биологических наук (молекулярной биологии и т. д.), а также экологии, способствовал выявлению более сложной иерархии уровней.

Точное число уровней еще не установлено, но современные ученые выделяют 9 основных уровней живого: молекулярный —>органоидный —> клеточный —> тканевый —> органный —> организменный —> популяционный —> биоценотический —> биосферный.

Все эти уровни (ступени) можно свести к 3 основным:

· клеточному. Объекты клеточного уровня изучает молекулярная биология (цитология, молекулярная генетика, цитогенетика, био­химия);

· организменному. Объекты этого уровня изучаются такими науками, как морфология, анатомия, физиология, эмбриология;.

· надорганизменному. Его объекты исследуют систематика, таксоно­мия, фаунистика, флористика, фенология.

Существуют различные трактовки системы организации живого, на­пример:

- М.А. Голубец все живые системы разделял на 3 уровня: организменный, популяционный, экосистемный;

- Н.П. Наумов подразделяет на: видовой (популяционный), сообщества и биосферу;

- К.М. Завадский отмечает 4 формы организации: организменную, популяционно-видовую, биоценотическую и биосферную.

В настоящее время в экологии используется два взаимно дополняю­щих друг друга подхода для решения различных экологических задач:

- экосистемный подход. Объектом рассмотрения здесь выступает ком­плекс живых организмов в совокупности с абиотическими факторами среды. Он может использоваться, например, при изучении круговоро­та биогенных элементов, а также лесных массивов или же участка океана и т. д. Если при исследовании живых систем рассматривается их строение, то это направление называется структурным. А если изу­чаются процессы жизнедеятельности организмов экосистем, то это — функциональное направление;

- популяционный подход. В этом случае рассматривается совокупность особей одного вида, обитающих на определенной территории, т. е. их изучают уже как популяцию. Исследуется, как и в первом случае, воз­действие внешних факторов на эти популяции, их возрастной состав и половые различия между особями в данных популяциях.

Живое вещество планеты

 

Одно из центральных звеньев концепции биосферы - учение о живом веществе. Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, академик В.И. Вернадский подошел к вопросу о генезисе (происхождении, воз­никновении) химических элементов в земной коре, а после этого - к необ­ходимости объяснить устойчивость соединений, из которых состоят ор­ганизмы. Анализируя проблему миграции атомов, он пришел к выводу, что "нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества".

Позже он формирует понятие "живого вещества": "Живое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов. Я буду называть со­вокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии, живым веществом", — отмечает В.И. Вернадский. Главное предназначе­ние живого вещества и его неотъемлемый атрибут — накопление свободной энергии в биосфере. Обычная биогеохимическая энергия живого вещества производится, прежде всего, путем размножения.

Научные идеи В.И. Вернадского о живом веществе, космичности жизни, биосфере и ее переходе в новое качество — ноосферу — своими корнями уходят в XIX в. — начало XX в., когда философы и естествоис­пытатели впервые попытались осмыслить роль и задачи человека в об­щей эволюции Земли. Именно их усилиями человек начал свое продви­жение к вершинам естественной эволюции живого, постепенно занимая экономическую нишу, отведенную ему природой.

В 30-е гг. прошлого века В.И. Вернадский из общей массы живого ве­щества выделяет человечество как его особую часть. Такое обособление человека от всего живого стало возможным по 3 причинам:

- во-первых, человечество является не производителем, а потребителем биогеохимической энергии. Такой тезис требовал пересмотра геохимиче­ских функций живого вещества в биосфере;

- во-вторых, масса человечества, исходя из статистических данных де­мографии, не является постоянным количеством живого вещества;

- и в-третьих, его геохимические функции характеризуются не массой, а производственной деятельностью. Характер усвоения человечеством биогеохимической энергии определяется разумом человека. Человек, с одной стороны, — это кульминация бессознательной эволюции, "продукт" спонтанной деятельности природы, а с другой — начало но­вого, разумно направленного этапа самой эволюции.

Живому веществу присущи следующие характерные черты, особенности:

- прежде всего, это огромная свободная энергия. В процессе эволюции видов биогенная миграция атомов, т. е. энергия живого вещества био­сферы, увеличилась во много раз и продолжает расти, ибо живое ве­щество перерабатывает энергию солнечных излучений, атомную энер­гию радиоактивного распада и космическую энергию рассеянных элементов, приходящих из нашей Галактики;

- высокая скорость протекания химических реакций по сравнению с ве­ществом, где похожие процессы идут в тысячи и миллионы раз мед­леннее. К примеру, некоторые гусеницы в сутки могут перерабатывать пищи в 200 раз больше, чем весят сами, а одна синица за день съедает столько гусениц, сколько весит сама;

- составляющие живое вещество химические соединения, главнейшие из которых — белки, устойчивы только в живых организмах. После завер­шения процесса жизнедеятельности исходные живые органические вещества разлагаются до химических составных частей;

- живое вещество существует на планете в форме непрерывного чередова­ния поколений, благодаря чему вновь образовавшееся вещество генети­чески связано с живым веществом прошлых эпох. Это главная струк­турная единица биосферы, определяющая все другие процессы по­верхности земной коры;

для живого вещества характерно наличие эволюционного процесса.

Гене­тическая информация любого организма зашифрована в каждой его клетке. В.И. Вернадский классифицировал живое вещество на:

- однородное — это родовое, видовое вещество и т. д.,

- неоднородное, которое представлено закономерными смесями живых веществ (лес, болото, степь, т. е. биогеоценоз).

Характеризовать живое вещество ученый предлагал на основе таких количественных показателей, как химический состав, средний вес орга­низмов и средняя скорость заселения ими поверхности земного шара.

В.И. Вернадский приводит средние показатели скорости и передачи жизни в биосфере. Время захвата данными видами всей поверхности на­шей планеты у разных организмов может быть выражено следующими данными (в сутках):

- бактерия холеры (Vibrio cholerae) — 1,25;

- инфузория (Lekconhrys patula) - 10,6 (максимум);

- диатомовые (Nittschia putrida) - 16,8;

- зеленый планктон - 166-183 (среднее);

- насекомые (Mussa domestica) — 366;

- рыбы (Pleurettes platessa) — 2159 (максимум);

- цветковые растения (Trifolium repens) — 4076;

- птицы (куры) - 5600-6100;

- млекопитающие:

• крысы - 2800;

• дикая свинья — 37 600;

• слон индийский — 376 000.

Жизнь на нашей планете существует в неклеточной и клеточной формах:

- неклеточная форма живого вещества представлена вирусами, которые лишены раздражимости и собственного синтеза белка. Простейшие вирусы состоят лишь из белковой оболочки и молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) или РНК (рибонуклеиновая кислота), составляющей сердцевину вируса. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы — Vira. Они могут размножаться только внут­ри определенных живых клеток. Вирусы повсеместно распространены в природе и являются угрозой для всего живого. Поселяясь в клетках живых организмов, они вызывают их смерть. Описано около 500 ви­русов, поражающих теплокровных позвоночных, и около 300 вирусов, уничтожающих высшие растения. Более половины болезней человече­ства обязаны своим развитием мельчайшим вирусам (они в 100 размельче бактерий). Это — полиомиелит, оспа, грипп, инфекционный гепатит, желтая лихорадка и др.;

- клеточные формы жизни представлены прокариотами (организмы, не имеющие ограниченного мембранного ядра) и эуакариотами (клетки содержат оформленные ядра). К прокариотам относятся различные бактерии. Эукариоты — это все высшие животные и растения, а также одно- и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие.

 

ГЛАВА 2. БИОСФЕРА

 

Биосфера

Изучая биосферу как особую оболочку земного шара, необходимо предварительно ознакомиться со строением Земли. Это даст воз­можность глубже понять, в каких условиях формировалась жизнь, что ее защищает, а что представляет угрозу ее существованию.

При описании Земли выделяют так называемые геосферы - концен­трические оболочки планеты различной плотности и химического состава. В направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу, атмосферу, земную кору, мантию Земли и ядро Земли (табл. 1).

Показатели геосфер Земли (таблица 1)

Показатели	Атмосфера	Гидросфера	Литосфера	Мантия	Ядро Земли
Глубина (толщина), км	100-300; средняя-200	Средняя для океана -3,8; макс.=11,022	Средняя – ок.17; под континентами -30-70, под океаном – 5-7	До 2900	2900-6370
Объем 1018, м3		1,4	10,2	896,6	175,2
Плотность, г/см3	У поверхности Земли – 10-3, 750 км – 10-16	0,99-1,03	2,7-3,32	3,32-5,68	9,43-17,20
Масса 1021, г	5,15-5,9	1455,8	5x104	405x104	188x104
Процент от общей массы Земли	Около 10-16	0,02	0,48	67,2	32,3

Магнитосфера Земли — область околоземного пространства, граница которой (магнитопауза) определяется равенством давления магнитного поля Земли и динамического давления солнечного ветра.

Конфигурация магнитосферы непрерывно меняется, простираясь с дневной стороны до 10-12 R¹, а с ночной - вытянута, образуя так назы­ваемый магнитный хвост Земли в несколько сотен R. Она реагирует на проявления солнечной активности, сопровождающейся изменениями в солнечном ветре и его магнитном поле (магнитные бури). При этом час­тицы солнечного ветра вторгаются в магнитосферу, происходит нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увеличение яркости "полярных сияний", возникновение электро­магнитных шумов, нарушение радиосвязи.

Атмосфера — газовая оболочка Земли, которая удерживается планетой посредством силы гравитационного поля и принимает участие в ее су­точном и газовом вращении. Она состоит из смеси различных газов, во­дяных паров и пыли.

С увеличением высоты плотность воздуха убывает, и атмосфера плав­но переходит в космическое пространство. Она делится на слои: тропо­сферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые отли­чаются температурой, ионизацией молекул и другими параметрами. Ат­мосфера является активным участником физических процессов, которые протекают на суше и в верхних слоях водоемов (выветривание, морские течения).

Гидросфера — прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Она играет огромную роль в формировании природной среды Земли.

Земная кора - твердая внешняя оболочка толщиной до 70 км в гор­ных областях, около 30 км под равнинами, 5—7 км под океанами. Ее верхняя часть - осадочной слой, состоящий из осадочных пород; средняя - "гранитный" слой (выражен только на материках); нижняя — "базальтовый" слой (выражен только на материках).

Под земной корой располагается мантия (толщиной около 2900 км). Занимает 83% Земли (без атмосферы) по объему и 67% по массе. Мантия Земли состоит, видимо, преимущественно из тяжелых минералов, бога­тых магнием и железом. С процессами, проходящими в верхней (грани­чащей с земной корой) мантии Земли, тесно связаны тектонические движения, вулканизм, горообразование и др.

Земная кора и верхняя (твердая) часть мантии Земли составляют ли­ тосферу (от греческого lithos) — верхнюю твердую оболочку Земли, огра­ниченную сверху атмосферой и гидросферой, а снизу астеносферой (сло­ем пониженной твердости, прочности и вязкости, расположенным в ман­тии Земли). Толщина литосферы колеблется в пределах 50-200 км. Про­цесс преобразования литосферы живыми организмами, начавшийся око­ло 450 млн лет назад, привел к образованию почвы, толщина которой достигает 2—3 м.

Ядро Земли — наиболее плотная ее центральная часть. Его плотность составляет от 9400 кг/м³ в периодической (ближайшей к мантии) области до 17 200 кг/м³ (в два с лишним раза выше, чем у железа) в более глубо­ких слоях; давление достигает 140-350 ГПа¹ (1,4-3,5 млн атм.), темпера­тура 2000—5000°С. Предполагают, что по химическому составу вещество ядра сходно с веществом мантии Земли, но находится в металлическом состоянии.