Экологические основы безопасности в окружающей среде

Человек является частью природной системы биосферы, с которой тесно связана его жизнедеятельность.

Биосфера — это часть оболочек земного шара, населенная живыми организмами. Представление о широком влиянии жизни на природные процессы было сформулировано В.В. Докучаевым, который показал зависимость процессов почвообразования не только от климата, но и от совокупного влияния растительных и животных организмов. В.И. Вернадский разработал учение о биосфере, как о глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических процессов определяется живым веществом. Учитывая системный уровень организации биосферы, а также то, что в основе ее функционирования лежат круговороты веществ и энергии, современной наукой сформулированы биохимическая, термодинамическая, биогеоценотическая, кибернетическая концепции биосферы.

В.И. Вернадский определил биосферу, как термодинамическую оболочку с температурой от +50°С до — 50°С и давлением около 1 атм. Эти условия составляют границы жизни для большинства организмов, Все живые организмы образуют биомассу планеты и составляют около 0,01% массы земной коры, но, несмотря на незначительную общую биомассу живых организмов, их деятельностью обусловлен химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, формирование почвенного слоя и горных пород в литосфере.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов и осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Химические вещества циркулируют между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами и деструкторами) разрушаются с тем, чтобы продукты этого разрушения были использованы для новых органических синтезов.

Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере, литосфере.

Литосфера — земная кора, внешняя твердая оболочка земного шара, образованная осадочными и базальтовыми породами. Основная масса организмов, обитающих в литосфере, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров.

Гидросфера — водная оболочка Земли, составленная мировым океаном, который занимает примерно 70,8% поверхности земного шара. В гидросферу биосфера проникает практически на всю глубину мирового океана.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, состоящая из смеси газов, в которой преобладают кислород и азот. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего живого вещества, углекислый газ, используемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. В атмосфере различают: тропосферу — примыкающий к поверхности Земли нижний слой атмосферы высотой около 15 км, в который входят взвешенные в воздухе водяные пары; стратосферу — слой над тропосферой, высотой около 100 км; в стратосфере под действием жесткого УФ-излучения Солнца из молекулярного кислорода образуется атомарный кислород, который затем превращается в озон и образует озоновый слой, задерживающий космические и УФ-лучи, губительно действующие на живые организмы.

В настоящее время все большую актуальность приобретают вопросы космической биологии — комплекса наук, изучающих особенности жизнедеятельности биологических объектов в условиях космического пространства и при полетах в космических аппаратах (космическая физиология, экобиология). Составной частью космической биологии является экзобиология, изучающая наличие, распространение, особенности и эволюцию живой материи во Вселенной. Исследования в этой области осуществляются в двух основных направлениях: моделирование условий космической среды или планет и исследования, осуществляемые с помощью автоматических космических аппаратов. Установлено, что некоторые земные микроорганизмы могут сохранять жизнедеятельность и развиваться в условиях космической среды. Однако исследования, проведенные с помощью космических аппаратов, направленные на обнаружение внеземных форм жизни (например, на Венере, Марсе) пока еще не дали положительных результатов. Проблемы экзобиологии тесно связаны с проблемой химической и биологической эволюции материи во Вселенной, с проблемой происхождения жизни на Земле.

Важными практическими вопросами являются изучения влияния факторов космического пространства на биологические процессы, протекающие в биосфере Земли. Таким образом, возникает необходимость анализа и пересмотра общебиологического значения традиционных земных условий жизни в связи с возникновением представлений о космосфере, как еще одной области биосферы.

Живое вещество в биосфере осуществляет газовую, концентрационную, окислительную и восстановительную функции. Кислород и азот атмосферы, весь углекислый газ, по мнению Вернадского, имеют органогенное происхождение. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет примерно 200 млрд. тонн сухого органического вещества; за это же время в процессе фотосинтеза на планете образуется 46 млрд. тонн органического углерода, 123 млрд. тонн кислорода. «Вихрь жизни» как говорил Вернадский, захватывает освобожденные при гниении микроорганизмами элементы, поступающие в литосферу, гидросферу и атмосферу и снова включает их в круговорот веществ.

Особое место в биосфере занимает человек, разумная деятельность которого в масштабах биосферы способствует превращению последней в ноосферу. На этом этапе эволюция биосферы происходит под определяющим воздействием человеческого сознания в процессе производственной деятельности людей. Ноосфера — это не что-то внешнее по отношению к биосфере, а новый этап в ее развитии, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы. Важная роль в этом регулировании отводится экологии.

Экология — это наука, изучающая закономерности взаимодействия организмов и среды их обитания, законы развития и существования биогеоценозов, как комплексов взаимодействующих живых и неживых компонентов в различных участках биосферы.

Экологические закономерности проявляются на уровне особи, популяции особей, биоценоза, биогеоценоза. Предметом экологии, таким образом, являются физиология и поведение отдельных организмов в естественных условиях обитания (аутоэкология), рождаемость, смертность, миграции, внутривидовые отношения, межвидовые отношения, потоки энергии и круговороты веществ (синэкология).

Одним из важнейших понятий экологии является среда обитания. Среда — это совокупность факторов и элементов, воздействующих на организм в месте его обитания.

Экологический фактор — это элемент среды, оказывающий прямое влияние на живой организм, хотя бы на одной из стадий индивидуального развития. Все экологические факторы условно делятся на биотические, абиотические и антропогенные. Биотические факторы — это все возможные влияния, которые испытывает живой организм со стороны окружающих его живых существ. Абиотические — это все влияющие на организм элементы неживой природы (температура, свет, влажность, состав воздуха, воды, почвы и т. д.). Антропогенные — это факторы, связанные с воздействием человека на природную среду.

Согласно другой классификации различают первичные и вторичные периодические и непериодические факторы. К первичным относят температуру, изменения положения Земли по отношению к Солнцу, благодаря которым в эволюции возникла суточная, сезонная, годичная периодичность многих биологических процессов. Вторичные периодические факторы являются производными первичных, например, уровень влажности зависит от температуры, поэтому в холодных областях планеты воздух содержит меньше водяных паров; непериодические факторы действуют на организм или популяцию внезапно, эпизодически. К ним относят стихийные силы природы — извержение вулканов, ураган, удар молнии, наводнение и др.

Любая особь, популяция, сообщество испытывают на себе действие многих факторов, но лишь некоторые из них являются жизненно важными. Такие факторы называются лимитирующими или ограничивающими. Отсутствие этих факторов или их концентрация выше или ниже критических уровней делает невозможным освоение среды особями определенного вида. В соответствии, с этим, для каждого биологического вида существует оптимум фактора (величина, наиболее благоприятная для развития и существования) и пределы выносливости. Виды, переживающие значительные отклонения факторов от оптимальной величины, называются широкоприспособленными или эвритопными. Виды, способные пережить лишь незначительные отклонения экологических факторов "от оптимальной величины, называются узкоприспособленными или стенотопными. Способность видов осваивать разные среды обитания характеризуется величиной экологической валентности. Для большинства видов экологический оптимум ограничен. Сохранение должного уровня биологической активности, несмотря на колебания интенсивности экологических факторов, обеспечивается гомеостатическими механизмами на уровне особи или популяции.

Как уже указывалось, экологические закономерности просматриваются на уровне особи, популяции особей, биоценоза (сообщества), биогеоценоза.

Биогеоценоз — это исторически сложившееся динамическое, устойчивое сообщество растений, животных, микроорганизмов, находящееся в постоянном взаимодействии и непосредственном контакте с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. Биогеоценоз состоит из биотической (биоценоз) части и абиотической (экотоп), которые связаны непрерывным обменом веществ и представляют собой открытую систему.

Основной функцией биогеоценоза является обеспечение круговорота веществ и потоков энергии.

Биотическая часть биогеоценоза представлена биоценозом. Любой биоценоз представляет собой самоподдерживающуюся саморегулирующуюся совокупность живых организмов, состоящую из определенного комплекса видов, в которой осуществляется круговорот веществ и энергии. Организмы в биоценозе образуют сообщества, которые отличаются тесной зависимостью друг от друга, чаще всего на основе пищевых связей, как средства получения энергии для жизни.

В основе пищевых (трофических) связей лежит наличие двух основных типов питания. Аутотрофы извлекают необходимые для жизни химические вещества из окружающей среды и при помощи солнечной энергии превращают их в органическое вещество. Гетеротрофы излагают органическое вещество до углекислого газа, воды, минеральных солей и возвращают их в окружающую среду. Этим обеспечивается круговорот веществ, который возник в процессе эволюции как необходимое условие
существования жизни. При этом световая энергия Солнца трансформируется в другие формы энергии — химическую, механическую, тепловую. Определенная часть энергии Солнца рассеивается в виде тепла. Деятельность и взаимоотношения всех живых существ в природе основываются на односторонне направленном потоке энергии и круговороте веществ.

Сообщество живых существ (биоценоз) вместе с его физической средой обитания, состоящей из набора неорганических веществ (биотоп) составляют экосистему. Биогеоценоз является элементарной природной экосистемой. Совокупность всех экосистем Земли называется биосферой.

В структуре любого биогеоценоза различают следующие обязательные компоненты: 1) абиотические вещества среды; 2) аутотрофные организмы — продуценты биотических органических веществ; 3) гетеротрофные организмы — консументы (потребители) готовых органических веществ первого и следующих порядков (растительноядные и плотоядные животные); 4) детритоядные организмы — деструкторы, разрушающие органическое вещество до простых минеральных соединений (микроорганизмы).

Важная роль в экономике биогеоценоза принадлежит цепям питания, которые составляют трофическую структуру и по которым осуществляется перенос энергии и круговорот веществ. Первичным источником энергии в цепи питания является солнечное излучение, энергия которого составляет 4,6 • 10²⁶Дж/с. Поверхности Земли достигает 1/2000000 часть этого количества энергии, из которых около 1—2% ассимилируется растениями. 30—70% поглощенной энергии используется растения для обеспечения собственной жизнедеятельности и синтеза органических веществ. Энергия, накопленная в растительной биомассе, составляет чистую первичную продукцию биогеоценоза. Фитобиомасса используется в качестве источника энергии и материала для создания биомассы потребителей первого порядка и далее по пищевой цепи. Обычно продуктивность последующего трофического уровня составляет не более 5—20% предыдущего. В целом, если суммарная биомасса всех организмов, обитающих на суше составляет примерно 3 • 10¹² т, то на зообиомассу приходится лишь 1—3% этого количества, а масса живого вещества, приходящегося на людей, составляет около 0,0002% от суммарной массы живого вещества планеты. Это связано с тем, что объем энергии, необходимый для обеспечения жизнедеятельности увеличивается с повышением уровня морфофункциональной организации. Прогрессивное снижение ассимилированной энергии в цепях питания отражается в структуре экологических пирамид.

Так как даже в наиболее продуктивных сообществах в реакциях фотосинтеза используется всего 1—2% солнечней энергии, то они не дают достаточно продукции, чтобы прокормить растущее человечество. Обратные соотношения - относительно малая биомасса и высокая первичная продуктивность — свойственны агробиоценозам, которые являются экономически выгодными. Однако, без постоянного ухода и зашиты со стороны человека они быстро сменяются малопродуктивными природными биогеоценозами.

Первичной ареной развития живого вещества на Земле была протобиосфера, охватывающая поверхностные слои гидросферы, часть литосферы. В ходе эволюции поверхность Земли приобрела главные черты своего современного биогеохимическою облика, древняя протобиосфера постепенно сменилась современной биосферой.