Глава 1. Геологические оболочки Земли

ВВЕДЕНИЕ

Предмет, задачи и методы экологии

Экология (от греч. oikos – дом, жилище, местообитание и logos – учение) – наука о взаимоотношени­ях живых организмов между собой и со средой их обитания.

Экология – биологическая наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаи­модействии природы и общества*. Термин «экология» впервые ввел немецкий зоолог Эрнст Геккель в книге «Всеобщая морфология организмов» (1866).

Биоэкология (общая экология) – раздел экологии, изучающий отношения организмов (особей, популяций, со­обществ) между собой и окружающей средой. Направления биоэкологии: экология особей (аутэкология, факториальная экология), экология популяций (демэкология, популяционная экология), экология сообществ (синэкология). С биоэкологией тесно связано учение о биосфере (глобальная экология). По отношению к систематическим группам живых орга­низмов в составе биоэкологии выделяют экологию прокариот, грибов, растений, животных.

Геоэкология бщая экология– раздел экологии, основанный на приложении экологических закономерностей к географическим процессам, применитель­но к экосистемам высоких уровней иерархии. По отношению к типу ландшафта выделяют экологию тундры, сте­пи, пустыни и др. ландшафтов. По отношению к средам выде­ляют экологию суши, моря, пресных водоемов и др.

Прикладная экология разрабатывает принципы рациональ­ного использования природных ресурсов и сохранения среды жизни. Ее задача – оптимизация взаимо­действия природы и общества, решение которой возможно только на основе знания и соблюдения законов, правил и принципов экологии и природопользования. Прикладная экология вклю­чает промышленную (инженерную), сельскохозяйственную, медицинскую, урбоэкологию и т.д.

Экология человека и социальная экология изучают взаимодействие человека и человеческого сообщества со средой, но в пер­вом случае подчеркивается биологическая составляющая че­ловека, а во втором – социальная.

Задачи экологии: изучение двусторонних связей между биологическими объектами разных уровней организации и сре­дой; изучение механизмов адаптации к среде; изучение меха­низмов устойчивости экосистем; изучение механизмов под­держания биоразнообразия; исследование продукционных про­цессов; моделирование экологических систем и процессов; изу­чение законов взаимодействия человеческого общества и при­роды, прогноз и оптимизация этого взаимодействия и др.

Методы экологических исследований. Современная эколо­гия располагает широким набором методов исследования. Ос­новными являются следующие методы. Метод наблюдения и описания заключается в сборе и описании фактов. Сравнитель­ный метод основан на анализе сходства и различий изучаемых объектов. Исторический метод изучает ход развития исследуе­мого объекта. Метод эксперимента дает возможность изучать явления природы в заданных условиях. Метод моделирования позволяет описывать сложные природные явления относитель­но простыми моделями.

Связь экологии с другими науками. Экология тесно связана с фундаментальными науками (математикой, физикой, хими­ей), естественными (биологией, географией, геологией, поч­воведением), общественными (экономикой, социологией, по­литологией, психологией), прикладными (охраной природы, биотехнологией, растениеводством).

Значение экологии. Экология является теоретическим фун­даментом рационального природопользования и охраны при­роды. Экологические знания используются в сельском, лес­ном и промысловом хозяйстве, экономике, медицине, социо­логии и т.д. Достижения экологии применяются при решении глобальных проблем современности: взаимоотношения обще­ства с окружающей средой, рационального природопользова­ния и охраны природы, продовольственного обеспечения.

История развития экологии

Историю развития экологии можно условно разделить на 3 этапа.

I. Этап зарождения и становления экологии как науки (с глубокой древности до середины XIX в.).

II. Этап оформления экологии в самостоятельную отрасль знаний (с середины XIX в. до середины XX в.).

III. Этап превращения экологии в междисциплинарную на­уку (с середины XX в. по настоящее время).

I. Первый этап – зарождение и становление экологии как науки (с глубокой древности до середины XIX в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организ­мов со средой их обитания, делались первые научные обобще­ния. Это самый длительный в истории экологии этап.

Еще в первобытном обществе люди имели отдельные пред­ставления о повадках животных, образе их жизни, о сроках сбора растений, употребляемых для их нужд, о местах произ­растания растений, о способах выращивания и ухода за ними. Сведения подобного рода встречаются в сохранившихся па­мятниках древнеегипетской, индийской, тибетской культур. Например, в древнеиндийских сказаниях «Махабхарата» (VI–II вв. до н. э.) даются сведения о повадках и образе жизни около 50 видов животных, сообщается об изменениях числен­ности некоторых из них. В рукописных книгах Вавилонии есть описания способов обработки земли, указывается время посе­ва культурных растений, перечисляются птицы и животные, вредные для земледелия. В китайских хрониках IV–II вв. до н. э. описываются условия произрастания различных сортов культурных растений.

В античный период накопленные экологические сведения нашли свое отражение в трудах философов. Аристотель (384–322 гг. до н. э.) описал поведение свыше 300 видов животных и классифицировал их по образу жизни и характеру потреб­ностей. В его трудах имеются сведения о перелетах птиц, миг­рации и спячке рыб, строительной деятельности животных. Ученик Аристотеля Теофраст Эрезийский (372–287 гг. до н. э.) описал особенности растений в разных условиях среды. Он отмечал зависимость формы и роста растений от типа по­чвы и климата. Им впервые было предложено разделить рас­тения на основные жизненные формы: деревья, кустарники, полукустарники, травы. Известный древнегреческий врач Гип­пократ (460–377 гг. до н. э.) в своих трудах описывал влияние факторов среды на здоровье человека.

В период Средневековья накопления экологических све­дений практически не происходило, поскольку в науке доми­нирующей была теологическая теория происхождения жиз­ни и виды считались неизменными, влияние среды вообще отрицалось. Только единичные труды этого периода содер­жат факты научного значения. Большинство из них имеют прикладной характер: описание целебных трав (Авиценна, 980–1037), культивируемых растений и животных, природы далеких стран (Марко Поло, XIII в.).

В эпоху Возрождения великие географические открытия послужили толчком дальнейшему развитию естественных наук и экологии в том числе. В этот период происходило накопле­ние и описание фактического материала о разнообразии жи­вых организмов, их распространении, выявление особеннос­тей строения растений и животных, живущих в условиях той или иной среды. Первые систематики – А. Цезальпин (1519–1603), Д. Рей (1623–1705), Ж. Турнефор (1656–1708) утверж­дали, что существует зависимость растений от условий и мест их произрастания или возделывания. Сведения о поведении, повадках, образе жизни животных, сопровождавшие описа­ние их строения, называли «историей» жизни животных.

На основании путешествий по неизведанным краям Рос­сии в XVIII в. в трудах С.П. Крашенинникова, И.И. Лепехи­на, П.С. Палласа и др. русских исследователей указывается на изменения животного и растительного мира в зависимости от климата в различных частях обширной страны. Идеи о влия­нии среды на организм высказывали М.В. Ломоносов (1711–1765), ученый-агроном А.Г. Болотов (1738–1833) и др.

Французский естествоиспытатель Ж. Бюффон (1707–1788) считал возможным превращения одного вида в другой под вли­янием климата, температуры, качества пищи, одомашнивания, то есть признавал изменчивость видов под влиянием внешней среды, хотя и не подкрепил этой догадки серьезными доказа­тельствами.

Другой французский натуралист Ж.Б. Ламарк (1744–1829) полагал, что влияние «внешних обстоятельств» является од­ной из основных причин возникновения у организмов адап­тации, эволюции животных и растений. Однако Ламарк не смог вскрыть механизмы эволюционного процесса. Его гипо­теза о наследовании благоприобретенных признаков оказалась несостоятельной, а утверждение о внутреннем стремлении орга­низмов к усовершенствованию – ненаучным.

С конца XVIII в. быстрыми темпами развивалась биогеог­рафия, что способствовало дальнейшему развитию экологи­ческого мышления. Основоположником экологии растений принято считать А. Гумбольдта (1769–1859), который на ос­нове своих многолетних наблюдений в Центральной и Юж­ной Америке показал влияние климатических условий, особен­но температурного фактора, на распространение растений. В 1807 г. А. Гумбольдт высказал идею об изолиниях растений, суть которой заключается в том, что в сходных географических ус­ловиях у растений разных таксономических групп вырабаты­ваются сходные «физиономические» формы, то есть одинако­вый внешний облик.

Позднее появились работы, посвященные влиянию клима­тических факторов на распространение и биологию живот­ных, среди них книги немецкого зоолога К. Глогера (1833) об изменениях птиц под влиянием климата, датчанина Т. Фабера (1826) об особенностях северных птиц, К. Бергмана (1848) о географических закономерностях в изменении размеров теп­локровных животных.

А. Декандоль в 1832 г. обосновал идею, что среду, в кото­рой существуют растения, надо понимать как совокупность действующих экологических факторов, а в 1855 г. отметил повышенную экологическую пластичность растений по срав­нению с животными.

Русский ученыйЭ.А. Эверсман (1840) разделил факторы среды на абиотические и биотические, описал примеры борь­бы и конкуренции между особями одного и разных видов.

Профессор Московского университета К.Ф. Рулье (1814–1858) по праву считается основателем экологии животных. Он написал более 160 работ по зообиологии. Через все эти труды проходит мысль, что развитие органического мира обусловле­но влиянием изменяющейся внешней среды. Он разработал широкую систему экологических исследований животных.

Ученик К.Ф. Рулье Н.А. Северцов (1827–1885) в 1855 г. опуб­ликовал магистерскую диссертацию на тему «Периодические явления в жизни птиц, гад и зверей Воронежской губернии», в которой впервые в России изложил глубокие экологические исследования животного мира отдельного региона.

II. Второй этап – оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (с середины XIX в. до середины XX в.).

В 1859 г. английский ученый Ч. Дарвин (1809–1882) опубликовал научный труд «Происхождение видов путем ес­тественного отбора», в котором вскрыл механизм эволюцион­ного процесса путем естественного отбора. С появлением эво­люционного учения Ч. Дарвина экология стала развиваться на качественно новой основе.

В 1866 году немецкий биолог Э. Геккель впервые употре­бил термин «экология» в своем труде «Всеобщая морфология организмов», а в 1868 году в книге «Натуралистическая теория мирообразования» он дал определение сущности новой на­уки. Однако этот термин прижился только к концу XIX в.

Во второй половине XIX в. экологические исследования в основном касались влияния климатических факторов на рас­тительные и животные организмы. В 1895 г. Е. Варминг обо­сновал представление о жизненных формах растений. А.Ф. Миддендорф в конце XIX в. применил учение А. Гум­больдта об изолиниях к животным.

В конце 70-х годов XIX в. в экологии возникло новое на­правление. Немецкий гидробиолог К. Мебиус в 1877 г. на ос­нове изучения устричных банок Северного моря обосновал представление о биоценозе как о глубоко закономерном соче­тании организмов в определенных условиях среды. Биоцено­зы, или природные сообщества, по К. Мебиусу, обусловлены длительной историей приспособления видов друг к другу и к исходной экологической обстановке. Он утверждал, что вся­кое изменение в каком-либо из факторов биоценоза вызывает изменения в других факторах последнего.

Учение о растительных сообществах в дальнейшем обосо­билось в отдельную науку фитоценологию. Большую роль в ее развитии сыграли С.И. Коржинский, И.К. Пачоский, Г.Ф. Морозов, В.Н. Сукачев, Т.А. Работнов и др.

В конце XIX в. русский ученый В.В. Докучаев (1846–1903) создал учение о почве, учение о природных зонах, положил начало учению о ландшафтах. В.В. Докучаев ввел в науку ком­плексный подход к изучению природы. Его идеи получили даль­нейшее развитие в работе видного лесовода Г.Ф. Морозова «Уче­ние о лесе», в учении В.Н. Сукачева о биогеоценозах.

В 1910 году на III Международном ботаническом конгрессе в Брюсселе экология растений разделилась на аутэкологию и экологию сообществ – синэкологию. Такое разделение в даль­нейшем распространилось на экологию животных и общую экологию. Этому способствовали появившиеся новые науч­ные труды Ч. Адамса, В. Шелфорда, С.А. Зернова и др.

В 1913-1920 г. были созданы научные экологические об­щества, основаны экологические журналы, экологию начали преподавать в университетах. Получили развитие количествен­ное рассмотрение изучаемых явлений и процессов, связанных с именами А. Лотки (1925), В. Вольтерры (1926).

Выдающийся русский ученый В.И. Вернадский (1863–1945) в 1923–1927 гг. создал учение о биосфере как глобальной био­логической системе планеты Земля, а в 1944 г. – учение о ноосфере как высшей стадии развития биосферы.

В 30-40-е годы как самостоятельное направление обособи­лась экология популяций – демэкология. Основателем ее счи­тается Ч. Элтон. Наряду с ним в ее развитие большой вклад внесли С.С. Шварц, Н.П. Наумов, Д.Н. Кашкаров, В.В. Догель, В.Н. Беклемишев и др.

В 40-е гг. в экологии возник новый принцип исследования природных сообществ в их взаимосвязи со средой обитания. В 1935 г. английский ученый А. Тенсли ввел термин «экосистема», а в 1940 г. советский ученый В.Н. Сукачев (1880–1967) ввел термин «биогеоценоз».

III. Третий этап – превращение экологии в междисципли­нарную науку (с середины XX в. по настоящее время). С сере­дины XX в. успехи экологии, на фоне усугубляющихся про­блем состояния природной среды привели к «экологизации» многих биологических (и не только биологических) наук. Из строго биологической науки экология превратилась в комп­лекс знаний, включающих в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. На границе экологии и других наук начали возникать пограничные науки, такие, как эколо­гическая биохимия, экологическая физиология, математичес­кая экология, промышленная экология, сельскохозяйственная экология, медицинская экология, инженерная экология, эко­номическая экология, социальная экология, правовая эколо­гия и др. В настоящее время достижения экологии являются теоретической основой для выработки стратегии взаимоотно­шений человечества с природой, рационального природополь­зования и охраны природы.

Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Дж.М. Андерсен, Э. Пианка, Р. Риклефс, М. Бигон, А. Швей­цер, Дж. Харпер, Р. Уиттекер, Н. Борлауг, Т. Миллер, Б. Не­бел и др. Среди отечественных ученых следует назвать И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В.Г. Горшкова, Ю.А. Израэля, Ю.Н. Куражковского, К.С. Лосева, Н.И. Моисеева, Н.П. Наумова, Н.Ф. Реймерса, В.В. Розанова, Ю.М. Свирижева, В.Е. Соколова, В.Д. Федорова, С.С. Шварца, А.Л. Яншина и др.

Часть I. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ (ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ)

Глава 1. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ

Возраст Земли, определяемый методами изотопной геологии, со­ставляет около 5 млрд. лет. Наиболее принятые показатели 4,6–4,7 млрд. лет. Приблизительно таков же возраст Солнца и других планет Солнечной системы. По современным представлениям, они образовались из вращающегося газопылевого космического облака. Под влиянием тепла, выделяющегося при гравитацион­ном сжатии и радиоактивном распаде атомов, вещество Земли постепенно дифференцировалось на ядро, мантию и верхние слои – литосферу, атмосферу, гидросферу. На ранней Земле предполагают активный вулканизм. За счет лав, выплавляющихся из верхней мантии, постепенно сфор­мировалась земная кора, а дегазация лав привела к возникнове­нию первичной атмосферы и жидкой воды на поверхности плане­ты. В первый миллиард лет существования Земли океан был, по самым грубым оценкам, примерно в 5 раз меньше современного по глубине и объему. Он формировался за счет разрастания и слияния мелких озер на поверхности суши. Ландшафт, подобно современному лунному, представлял вулканические конусы на плоских пространствах. Состав древней атмосферы считают близким к составу газов, выделяющихся из современных вулка­нов. Они содержат водяной пар (до 70–80%), углекислый газ (6–19%), хлор (до 7%), метан, аммиак, соединения серы и мно­гие другие компоненты. Химический анализ газовых пузырьков в древнейших породах Земли показал полное отсутствие в них свободного кислорода, около 60% СО₂ около 35% Н₂S, SО₂, NH₃, НСl и НF, некоторое количество азота и инертных газов. В настоящее время имеется уже достаточно много неоспори­мых доказательств того, что ранняя атмосфера Земли была бескислородной, аналогично другим планетам Солнечной систе­мы. Ультрафиолетовое излучение Солнца свободно достигало поверхности воды и суши из-за отсутствия озонового экрана. Вулканические газы, растворяясь в воде, переходили в первич­ный океан, имевший в результате сильно кислую реакцию. Возникшая на Земле жизнь постепенно изменила эти усло­вия и преобразовала химию верхних оболочек планеты.

 

Атмосфера

Атмосфера (греч. «атмос» – пар) – сплошная воздушная оболочка Земли. Ат­мосфера окружает Землю до высоты 3 тыс. км. Она состоит из смеси газов и пылевидных частиц. В сухом чистом воздухе в объемных процентах содержится 78% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, 0,03% углекислого газа и около 0,003% смесь неона, гелия, криптона, ксенона, оксидов азота, метана, во­дорода, паров воды и озона. На долю водяного пара приходится до 3% объема атмосферы. Большая часть пыли в составе атмосферы поднята с поверхности Земли, но также присутствует космическая и бактериальная пыль. Нормальное давление атмосферы – 1 кПа (750,1 мм рт. ст.).

Состав и свойства атмосферы на разных высотах неодина­ковы, поэтому ее подразделяют на тропо-, страто-, мезо-, термо- и экзосферу. Последние три слоя иногда рассматривают как ионосферу.

Тропосфера (от 0 до 7 км у полюсов и до 18 км у экватора). В тропосфере сосредоточен весь водяной пар и 4/5 массы ат­мосферы. Здесь развиваются все погодные явления. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглоща­ет солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и яв­ляется источником всех осадков. Температура тропосферы с высотой уменьшается и на высоте 10–12 км достигает -55° С.

Стратосфера (до 40 км). Температура постепенно возрас­тает до 0° С. В верхних слоях - на высоте 22–24 км наблюдается максимальная концентрация озона (озоновый слой). Единица измерения озона – Добсон (1 DU = 0.01 мм; норма 340-360 DU). Озон поглощает большую часть губительного для живых организмов жесткого излуче­ния Солнца. Над различными участками земной поверхности и в разное время года содержание озона неодинаково. Его больше в высоких широтах, меньше в средних и низких; весной озона больше, чем осенью.

Мезосфера (до 80 км). Температура падает до -60…-80° С. Наблюдается высокое содержание ионов газов, являющихся причиной возникновения полярных сияний.

Термосфера (до 800 км). Характеризуется ростом темпера­туры. Увеличивается содержание легких газов – водорода и гелия – и заряженных частиц.

Экзосфера (до 1500–2000 (3000) км). Здесь происходит рас­сеивание (диссипация) атмосферных газов в космическое про­странство.

 

Гидросфера

Гидросфера (греч. «гидро» – вода) – прерывистая водная оболочка Земли. Распо­лагается между атмосферой и литосферой и включает в себя все океаны, моря, озера, реки, а также подземные воды, льды, снега полярных и высокогорных районов. Гидросферу делят на поверхностную и подземную.

Поверхностная гидросфера – водная оболочка поверхностной части Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. По­верхностная гидросфера покрывает земную поверхность на 70,8%.

Подземная гидросфера – включает воды, находящиеся в вер­хней части земной коры. Их называют подземными. Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью земли, ниж­нюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры.

По отношению к объему земного шара общий объем гид­росферы не превышает 0,13%. Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан. На долю под­земных вод приходится 1,69% от общего объема гидросферы, остальное – воды рек, озер и ледников. Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соле­ные воды океанов, морей и др.; пресных вод – около 2%. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходит­ся всего лишь 0,3% объема гидросферы.