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.
