Размещено на http://www.allbest.ru/

Элементы общей и социальной экологии

Часть 1

Пособие издаётся в двух частях и предназначено для студентов технических вузов, изучающих курс “Экология”, а также для всех интересующихся проблемой качества окружающей среды.

В части 1 пособия рассмотрены основные концепции и законы экологии, принципы функционирования экосистем. Особое внимание уделено проблемам экологии человека в связи с высокой значимостью антропогенного фактора, воздействующего на состояние биосферы. Рассмотрены глобальные экологические проблемы и обозначены причины, порождающие современный экологический кризис. Часть 1 “Элементы общей и социальной экологии” пособия может быть использована в качестве модуля курсов “Экология и медицина” и “Cоциальная экология”.

Содержание

экология экосистема биосфера гидросфера

Введение

Лекция 1. Возникновение и развитие экологии как науки

Основные тенденции в историческом становлении экологии. Первое определение Э.Геккеля, вклад русских учёных в развитие экологии. Современные представления о месте этой дисциплины среди наук естественного цикла, ее межпредметный характер. Структура современной макроэкологии. Методы экологии и основные понятия.

Лекция 2. Биосфера

Учение Вернадского о биосфере, роль живого вещества в существовании глобальной экологической системы. Химические и физиологические особенности живых систем. Механизмы стабилизации (гомеостаз и саморегулирование) и термодинамика биологических систем. Строение биосферы и ее функции. Обобщенный принцип Ле Шателье - Брауна.

Лекция 3. Экосистемы

Состав и функциональная структура экосистем. Пищевые цепи и сети. Трофические уровни. Основные принципы функционирования экосистем. Развитие экосистем и проблема устойчивости.

Лекция 4. Взаимоотношения организма и среды

Классификация экологических факторов среды. Общие закономерности действия экологических факторов на живые организмы: абиотических факторов (диаграмма выживания, выносливость, устойчивость); биотических факторов (нейтрализм, аменсализм, комменсализм, конкуренция, мутуализм). Обобщенный закон Либиха и закон толерантности Шелфорда. Экологическая ниша.

Лекция 5. Элементы экологии человека и социальной экологии

Происхождение и эволюция человека, его биосоциальная сущность. Среда жизни современного человека. Механизмы адаптации человека к окружающей его среде. Типы адаптаций (генотипическая, климатическая, социальная). Потребности человека как фактор, обусловливающий его поведение. Отношение человека к природе: антропоцентризм и натуроцентризм (экоцентризм). Технократический стиль мышления и преодоление его влияния на окружающую человека среду.“Законы” Барри Коммонера.

Лекция 6. Антропогенное воздействие на биосферу

Рост техносферы в XX веке. Виды воздействия человека на окружающую среду. Загрязнение атмосферы и его глобальные следствия: кислотные осадки, изменение концентрации озона в стратосфере и образование озоновых дыр, парниковый эффект и изменение климата.

Лекция 7. Антропогенное воздействие на гидросферу

Истощение, загрязнение и засорение водных ресурсов. Классификация загрязнений. Характеристика основных гидрополлютантов. Антропогенные изменения в мировом океане. Самоочищение водоемов.

Лекция 8. Антропогенное воздействие на литосферу, педосферу и биологические ресурсы

Роль почвы как источника пищевых ресурсов. Основные причины утраты почвенного слоя: эрозия почв, загрязнение химическими веществами, прямое уничтожение. Проблема применения пестицидов, накопления твёрдых промышленных и бытовых отходов. Ресурсный аспект взаимодействия человека и природы. Истощение запасов полезных ископаемых. Антропогенное воздействие на биологические ресурсы. Биоразнообразие, утрата видов.

Лекция 9. Особенности современной экологической ситуации. Причины и перспективы возникновения глобального экологического кризиса

Современная демографическая ситуация и ее следствия. Численность человечества, тенденции ее изменения. Обеспеченность пищей и качество жизни. Социальные последствия роста народонаселения. Экологические кризисы и катастрофы (природные и техногенные). Особенности современной экологической ситуации. Причины и перспективы возникновения глобального экологического кризиса.

Библиографический список

Введение

Долгие годы подготовка инженерно-технических специалистов включала только дисциплины технического профиля. При таком однобоком восприятии мира не учитывалась взаимосвязь природы и человека. Технократический стиль мышления, стремление покорить природу и обратить её на службу человеку, следствием которого явились неэкологичность основных технологических процессов, дающих огромное количество отходов, и грандиозные планы “переделки” природы, привели к ситуации глобального экологического кризиса. Сложился хищнический стереотип взаимоотношений человека и природы: человек - это единственный хищник, который берет от природы больше, чем ему нужно для жизни, грабит и разоряет землю, он главный “мусоропроизводитель” биосферы.

Попытки решить сложившиеся экологические проблемы только техническими способами оказались безрезультатными. Стало очевидным, что невозможно сохранить качество окружающей человека среды без участия природных экологических систем. Природа - это живая, развивающаяся по естественнонаучным законам система, и человек не может строить свою жизнь и производство, не зная и не учитывая этих закономерностей. Одних технических приемов “охраны” природы оказалось недостаточно, в первую очередь надо менять стереотипы поведения людей и традиции природопользования, что является отнюдь не инженерной задачей. Человек должен обладать определенными моральными установками и ценностями, позволяющими поступать в определенной ситуации экологически целесообразно. Ещё В. И. Вернадский считал главными этические вопросы: первично ущербным становится сознание человека и только затем ущербной становится окружающая его природная среда.

Ликвидировать пробел в образовании и дать будущим инженерам комплексные и системные знания о мире (естественнонаучные и гуманитарные) призвана экология. Изучение экологии в техническом вузе должно решать две задачи: давать объективные знания в области общей экологии (экологическое образование) и воспитывать экологическое мировоззрение. Добиться преодоления сложившегося экологического кризиса можно, только решая эти задачи в совокупности.

Курс экологии является естественнонаучным и межпредметным, поэтому для его изучения помимо биологии должны привлекаться знания физики, химии, инженерные знания. Воспитание же личностных качеств и выработка экологического мировоззрения невозможны без привлечения гуманитарных знаний таких наук, как психология, философия, социология, история науки.

Опыт преподавания экологии студентам некоторых специальностей УГТУ-УПИ показывает, что у студентов вызывают интерес сведения о воздействии изменившихся факторов окружающей среды на здоровье. Здоровый образ жизни становится сегодня модным, эта тенденция идет с Запада и похоже приживается у нас: здоровое питание, фитнесс-центры, отказ от курения, хотя последнее более актуально для Америки и Европейских стран (абсолютное потребление сигарет за последнее десятилетие сократилось в 12 странах мира). Нужно использовать веяние этой моды и давать понять, что не может быть человек здоровым, ведя “здоровый образ жизни” при отравленном воздухе и воде, начиненных пестицидами овощах и фруктах. В попытке приспособиться он приобретает лишь новые болезни и накапливает мутации в генах, что не увеличивает его возможность выжить в сложившихся условиях, а приводит в целом к физической и моральной деградации человечества. Достижения медицины, какими бы потрясающими они ни были, всегда будут отставать от существующей действительности и их влияние на здоровье человека будет ограниченным.

Только показав, что человек имеет природную сущность и подчиняется тем же самым закономерностям, по которым существует весь природный мир; раскрыв все аспекты сложных взаимоотношений человека и природы: причины возникновения современных экологических проблем, основные закономерности, связывающие состояние окружающей среды и здоровье человека; изучив вопросы экологии человека, связанные с сущностью человеческих потребностей и объективно существующими рамками в их удовлетворении, психологическими особенностями мировосприятия, можно рассчитывать на сознательную выработку экологически целесообразного мировоззрения и желания изменить себя, своё “биосферное” поведение, чтобы выжить в природном мире и сохранить его для своих детей.

В представленном учебном пособии автор сделал попытку изложить материал, придерживаясь указанной доктрины.

Лекция 1

Возникновение и развитие экологии как науки

Основные тенденции в историческом становлении экологии. Первое определение Э. Геккеля, вклад русских учёных в развитие экологии. Современные представления о месте этой дисциплины среди наук естественного цикла, ее межпредметный характер. Структура современной макроэкологии. Методы экологии и основные понятия.

История возникновения и развития экологических представлений людей уходит корнями в глубокую древность. Уже первобытные люди понимали зависимость своего существования от внешних природных условий и накапливали опыт выживания в природном мире. Этот опыт постоянно обогащался и передавался из поколения в поколение, помогая человеку в его повседневной борьбе за жизнь. Экология как наука родилась и начала формироваться в структуре биологического знания как результат исследования отношений живых организмов со своим окружением. Поэтому вклад в становление и развитие экологии, в процесс познания природы внесли огромное количество ученых-естествоиспытателей, начиная с древних. Назовём лишь несколько известных имен.

Философ, ученый энциклопедист Аристотель (384-322 гг. до н. э.) создал первую из известных классификаций животных, заложил основы описательной и сравнительной анатомии. Английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон (1214-1294 гг.) утверждал, что все органические тела представляют по своему составу различные комбинации тех же элементов, из которых сложены неорганические тела. Значительный вклад в дело формирования истинного представления о месте человека в природе внес шведский естествоиспытатель Карл Линней (1700-1778 гг.), составивший систему классификации растительного и животного мира, по которой человек относился к классу млекопитающих и получил название вида Homo sapiens. “Закон народонаселения” сформулировал английский экономист Томас Роберт Мальтус. Особую роль в становлении экологии сыграли труды английского естествоиспытателя Чарльза Дарвина (1809-1882 гг.), создавшего теорию происхождения видов путем естественного отбора. Дарвин исследовал проблему борьбы за существование, в которой согласно предложенной концепции выигрывает отнюдь не сильнейший вид, а тот, который сумел лучше приспособиться к специфическим обстоятельствам жизни.

Термин “экология” впервые ввёл в научный обиход последователь учения Дарвина немецкий биолог Эрнест Геккель в 1866 г. В работе “Общая морфология организмов” он приводит следующее определение экологии: “Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всех взаимоотношений животного с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно его дружественные или враждебные отношения с животными и растениями, с которыми оно вступает в контакт. Одним словом, экология - это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование”. Термин “экология” образован от греческих слов oikos (жилище, обитель, дом) и logos - слово, учение. Экология - учение о доме. Геккель впервые отчётливо сформулировал предмет науки экология: изучение взаимосвязей живых организмов с окружающим миром. Однако предложение Геккеля несколько опередило его время, внедрение экологии в научную практику происходило медленно, и прошло более полувека, прежде чем слово “экология” прочно вошло в научный обиход как новая самостоятельная отрасль знания. За 140 лет известно более 60 определений экологии.

В понятие экология за историю его существования вносились разные смысловые оттенки, которые расширяли или сужали предмет этой области знаний. Например, Клементс (1920) обозначил экологию как науку о растительных сообществах. Организатор экологической науки на Урале Станислав Семенович Шварц (1972) - как науку о законах, управляющих жизнью растений и животных в естественной среде обитания. Объектами экологических исследований были сначала отдельные представители конкретных биологических видов, затем совокупности организмов - группы, популяции, многовидовые сообщества, наконец, живая природа в целом. В экологии как биологической науке долгое время не было места для человека. В то же время самостоятельно развивались медицина и гигиена человека. В мире нарастал вал проблем окружающей среды, который требовал обобщения знаний и принятия срочных решений. Когда угроза глобального экологического кризиса коснулась самого человека, произошло быстрое расширение экологии. Идеи и проблемы экологии начали проникать в другие области знаний и практики. Экологизации подверглись не только смежные с биологией дисциплины как науки о Земле, химия и физика, инженерные отрасли, но и науки, далёкие от биологии: экономика, политика, социология, этика и право. Постепенно экология из биологической науки Геккеля (частного раздела биологии) превратилась в науку фундаментальную, расширенную, названную Н. Ф. Реймерсом (1992) мегаэкологией, т. е. “большой экологией”.

Такое расширенное понимание экологии не является случайным, оно логичное продолжение традиций, заложенных в российской науке еще М. В. Ломоносовым (1711-1765). Ломоносов призывал не совершать эксперименты над природой, а познавать результаты неповторимого движения ее систем, изучать и описывать то, что отобрано и сохранено самой природой в ходе ее многовекового развития. Продолжателями традиций, заложенных Ломоносовым, стали русские учёные Докучаев Василий Васильевич (1846-1903) и его ученик Вернадский Владимир Иванович (1863-1945). Докучаев - почвовед, положил начало геоботаническим исследованиям, науке о ландшафтах. Вернадский - основатель биогеохимии и учения о биосфере. Он выдвинул новую концепцию роли живого вещества в космическом и земном круговороте веществ и доказал, что именно живое вещество биосферы связывает в единое целое множество разнообразнейших природных процессов - механических, физических, химических, термодинамических, биологических и т. д. Науку биогеоценологию основал Владимир Николаевич Сукачев (1880-1967) - ботаник, географ и лесовед, ученик Докучаева и Вернадского. Сукачёв наиболее полно и точно выразил основную естественнонаучную идею В. В. Докучаева о необходимости создания особой науки, призванной изучать вечную и всегда закономерную связь между мёртвой и живой природой. Большую роль для современной экологии сыграли работы Н. В. Тимофеева-Ресовского. Он дал второе дыхание учению о биосфере, развил прикладной аспект учения, обозначил некоторые пути перехода к новой стратегии взаимодействия с биосферой. Он сформулировал принципиально новое положение о том, что человечество должно научиться жить, не истощая, а наращивая природные ресурсы и производительные силы биосферы. Организованность биосферы и её систем, плотность и разнообразие живого населения - это “основной капитал” человечества. Без учений о биосфере и биогеоценозе, ведущая роль в которых принадлежит русским учёным, немыслима современная экология.

Поскольку современная экология превратилась в макроэкологию - чрезвычайно сложную синтетическую науку, общую и фундаментальную, использующую достижения других наук, требующую универсальной подготовки и глубоких профессиональных знаний, то изучение экологии без фундамента невозможно. В фундаменте экологии лежат такие науки, как физика, химия и биология.

Очень часто экологию понимают как науку об охране окружающей среды. Такое отождествление неправомерно, поскольку сужает суть экологии и не раскрывает всего круга решаемых ею задач. Ещё Декарт сказал: “Определяйте значение слов, и Вы избавите свет от половины его заблуждений”. Различие между экологией и охраной природы можно рассматривать как различие между анатомией и хирургией. Как нельзя стать медиком, не зная физиологии человека, так и нельзя заниматься охраной окружающей среды, не зная основных законов функционирования экологических систем. Экология не нужна для уборки улиц и установки очистных сооружений. Экология нужна раньше - для комплексного обоснования средозащитных и природоохранных мер. Концепцию “охраны природы” нельзя считать панацеей от всех экологических проблем. Деятельность следует строить так, чтобы не допускать и предотвращать все эффекты и результаты, от которых потом пришлось бы охранять окружающую среду. Всем известно, что нет безотходных технологий, но даже если мы научимся больше не загрязнять окружающую среду, то ничего не достигнем, если не перестанем мешать природе создавать среду, регулировать её состав, очищать и делать пригодной для жизни. Сохранить качество окружающей среды человека невозможно без участия природных экологических механизмов. Самые чистые технологии и совершенные средозащитные устройства не спасут человечество, если будет продолжаться вырубка лесов, уменьшаться разнообразие биологических видов, нарушаться круговорот веществ в природе.

Таким образом под экологией нужно понимать науку “о разных аспектах взаимодействия организмов между собой с окружающей средой”, науку “о совместном развитии человека, сообществ людей в целом и окружающей среды (включающей все остальные организмы), изучающую биотические механизмы регуляции и стабилизации окружающей среды, механизмы, обеспечивающие устойчивость жизни”. Это определение экологии приведено в Экологическом энциклопедическом словаре (1999) [1].

Источники и слагаемые современной экологии

Современная экология представляет собой комплекс знаний о взаимоотношениях общества и природы. Рассмотрим источники и слагаемые современной экологии, а также охарактеризуем основные разделы [2].

Общая экология - посвящена объединению разнообразных экологических знаний на едином научном фундаменте. В нее входят:

- теоретическая экология, которая устанавливает общие закономерности функционирования экологических систем, в том числе эколого-экономических, природно-хозяйственных.

- экспериментальная экология, которая даёт важный фактический материал. Для изучения механизмов природных экологических процессов, которые происходят медленно и зависят от множества факторов, недостаточно одних натурных наблюдений, нужен эксперимент.

- математическая экология. Возможности эксперимента в экологии тоже ограничены, поэтому широко применяется математическое моделирование, в том числе моделирование экологических систем и процессов. В этот раздел экологии входит также обработка информации и количественный анализ фактического материала.

Биоэкология - основа всей экологии, подразделяется:

- на экологию естественных биологических систем: особей как представителей определенных видов (аутоэкология), популяций (демэкология), многовидовых сообществ, биоценозов (синэкология), экологических систем (биогеоценология).

- экологию групп организмов - царств бактерий, грибов, животных, а также более мелких систематических единиц: типов, классов и т. п.

- эволюционную экологию - учение роли экологических факторов в эволюции и о смене экологических условий в истории Земли.

Геоэкология изучает взаимоотношения организмов и среды обитания с точки зрения их географической принадлежности и влияния географических факторов. В нее входят:

- экология обитателей разных сред (наземной, почвенной, водной);

- природно-климатических зон (тундра, тайга, степи, пустыни и др.);

- экология ландшафтов (речных долин, морских берегов, болот, островов, гор, коралловых рифов и т.п.). Ландшафт - первичная единица геоэкологии. К геоэкологии относится экологическое описание различных стран, регионов, континентов.

На стыке биоэкологи и геоэкологии возникло учение о биосфере - глобальной экологической системе.

Экология человека - комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как индивида (биологической особи) и личности (социального субъекта) с окружающей его природной и социальной средой. Экология человека занимается в том числе изучением экологических ниш и потребностей человека, вопросов сохранения и развития здоровья, совершенствования физических и психических возможностей человека. Экология человека отличается от экологии животных многообразием условий обитания и деятельности, наличием цивилизации и культуры.

Социальная экология как часть экологии человека изучает связь общественных структур (начиная с семьи и других малых общественных групп) с природной и социальной средой их окружения. Сюда относятся экологические факторы цивилизации, экологическая демография, экология этносов и этногенеза - формирование рас и наций.

Прикладная экология - большой комплекс дисциплин, связанных с разными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между человеческим обществом и природой. Все основные аспекты науки об окружающей среде реализуются в прикладной экологии. Она исследует механизмы воздействий человека на природу, следит за качеством окружающей человека среды, осуществляет экологическую регламентацию хозяйственной деятельности, разрабатывает технические средства охраны окружающей среды и восстановления нарушенных человеком природных систем. В её состав входят:

- инженерная экология - изучение и разработка инженерных средств и норм, отвечающих экологическим требованиям производства в строительстве, энергетике, транспорте и т. д. Это контроль и регламентация выброса побочных продуктов; экологическая безопасность технологических процессов.

- сельскохозяйственная экология - биологические основы земледелия и животноводства, принципы рациональной эксплуатации земельных ресурсов, повышения продуктивности и получения экологически чистой продукции.

- экология поселений, коммунальная экология - разделы, посвященные особенностям и влиянию различных факторов искусственно преобразованной среды обитания людей в жилищах, городах (урбоэкология).

- биоресурсная и промысловая экология изучает условия, при которых эксплуатация биологических ресурсов природных экосистем (лесов, водоемов, морей, океана) не приводит к их истощению и нарушению, утрате видов, уменьшению биологического разнообразия.

- медицинская экология - область изучения экологических условий возникновения, распространения и развития болезней человека, в т. ч. хронических заболеваний, обусловленных природными факторами и неблагоприятными техногенными воздействиями среды. Медицинская экология включает экологию отдыха и оздоровления людей.

Из перечня видно, что экологизации подверглись многие науки и сферы практической деятельности. Все они тесно взаимодействуют, взаимно обогащая друг друга, поэтому многие из них сложно разделить. Например, экологию человека, социологию и антропологию, или сельскохозяйственную экологию и агробиологию. Это говорит о том, что экология занимает лидирующее положение в современной науке и способствует объединению знаний о природе и обществе на едином научном фундаменте.

Методы экологии

Разнообразие исследовательских задач влечет за собой и разнообразие применяемых в экологии методов. Экология - системная наука, поэтому своих методов у нее нет, она заимствует методы из других наук.

1. Методы регистрации и оценки состояния среды. К ним относятся метеорологические наблюдения; изменения температуры, солености, химического состава воды; радиационного фона; химической и бактериальной загрязненности среды и т. п. Сюда же относится и мониторинг - периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качеством среды. Для мониторинга используются физико-химические методы анализа, биоиндикации и биотестирования, дистанционного зондирования, телеметрии, компьютерной обработки данных.

2. Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных. Они лежат в основе изучения природных сообществ. Для этого применяются подсчёты особей на контрольных площадках, отлов и мечение животных, наблюдение за их перемещением с помощью телеметрии, аэрокосмической регистрации численности стад, скопления рыбы, методы демографии для изучения динамики численности популяций.

3. Исследование влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов - наиболее разнообразная группа методов экологии. Чаще всего применяют наблюдения в лабораторных условиях за изменением функций растений или животных под воздействием строго контролируемого фактора. Таким образом, определяются критические и летальные дозы химических и других агентов. Впоследствии эти данные используются для экологического нормирования. Для выполнения указанных задач используются экспериментальная техника и методы биохимии, токсикологии.

4. Методы изучения взаимоотношений между организмами во многовидовых сообществах. Натурные и лабораторные исследования пищевых отношений, переноса вещества и энергии от одного звена пищевой цепи к другому: от растений к травоядным животным, от травоядных к хищникам.

5. Методы математического моделирования. Данная группа методов используется для целей прогнозирования и управления, приобретая всё большее значение. В настоящее время существуют математические модели техногенных эмиссий, распространения загрязнений в атмосфере, самоочищения реки, модели многих экологических процессов. Сложнее моделировать экологические системы. Для этой цели используются численные методы имитационного моделирования, основанные на применении современной вычислительной техники, т. к. аналитические решения практически невозможны.

6. Методы прикладной экологии. К ним относятся: создание банков экологической информации, относящихся к различным регионам, территориям, городам, промышленным центрам; анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки; методы экологически ориентированного проектирования хозяйственных и гражданских объектов; методы снижения вредного действия производств и изделий; методы оценки влияния техногенных загрязнений на здоровье людей; методы контроля хозяйственной деятельности, такие как экологическая аттестация предприятий, экологическая экспертиза и т. д.

Иерархия понятий

Главный объект экологии - экологическая система. Система - реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между частями (элементами системы). В материальном мире существуют определённые иерархии - упорядоченные последовательности соподчинения и усложнения. Все многообразие нашего мира можно представить в виде трех последовательно возникших иерархий. Это - природная, физико-химико-биологическая (Ф, Х, Б), социальная (С) и техническая (Т) иерархии. Объединение систем из физико-химической части иерархии с живыми системами биологической части иерархии приводит к экологическим системам.

Рис.1 . Иерархия материальных систем по Т. А. Акимовой, В. В. Хаскину [2]

В иерархии происходит укрупнение понятий: внизу - строгое физико- химическое описание, чем выше понятие, тем оно более общее.

Каждый отдельный организм является самостоятельной биологической системой. Организмы одного вида в природе всегда представлены не по отдельности, а определёнными организованными совокупностями - популяциями. Популяция (от лат. populus - народ) - особи одного вида, заселяющие общие места обитания, связанные общностью генофонда, способные к саморегулированию и поддержанию определенной численности. Особи в популяции неравноценны, популяция имеет возрастную, половую и функциональную структуру. Система более высокого уровня в общей картине организации живого вещества называется биоценозом (от греч. bios - жизнь, koinos - общий) - сообщество разных видов растений, животных и микроорганизмов, населяющих участок с более или менее однородными условиями. Макросистема более высокого ранга биогеоценоз (bios - жизнь, - земля, koinos - общий). Это понятие ввел в экологию В. Н. Сукачев (1942). Биогеоценоз - это природная система, включающая в себя популяции растений, животных и микроорганизмов, а также окружающую их среду.

Биотоп - однородное по абиотическим факторам среды пространство, пристанище биоценоза (лес, луг), т. е. участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями.

Основной объект экологии - экологическая система. Экосистема - совокупность разных видов организмов и условий их существования, находящихся во взаимосвязи друг с другом. Термин “экосистема” ввел в экологию английский ботаник Артур Тенсли (1935). Понятия “экосистема” и “биогеоценоз” близки друг к другу, но не являются синонимами. Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Оно может быть применимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, океан). Биогеоценоз - главная форма существования природных экосистем, наземная экосистема. Главная характеристика, определяющая биогеоценоз - тип растительного покрова, по которому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данному экологическому сообществу (сообщество березового леса, ковыльной степи, сфагнового болота и т.п.). Таким образом, каждый биогеоценоз можно назвать экосистемой, но не каждая экосистема может быть отнесена к биогеоценозу.

Глобальная экосистема, включающая в себя все живое вещество планеты и среду его обитания - биосфера.

Лекция 2

Биосфера

Учение Вернадского о биосфере, роль живого вещества в существовании глобальной экологической системы. Химические и физиологические особенности живых систем. Механизмы стабилизации (гомеостаз и саморегулирование) и термодинамика биологических систем.

Строение биосферы и ее функции. Обобщенный принцип Ле Шателье - Брауна.

Биосфера (от греч. bios - жизнь, sphaira - шар) - область обитания живых организмов (живая оболочка Земли), состав, структура и энергетика которой определяются и контролируются планетарной совокупностью живых организмов - биотой. Термин “биосфера” впервые ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс (1873). Развитие учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. По В. И. Вернадскому “биосфера представляет собой определенную геологическую оболочку, резко отличную от всех других оболочек нашей планеты”. Он отмечал, что биосфера - это не просто пространство, где обитают живые организмы, но и все геохимические процессы на Земле, формирование лика Земли, связаны с живыми существами. В. И. Вернадский отмечал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую), непрерывно обменивается веществом с неживой материей, обеспечивая образование нового живого вещества и определяя тем самым эволюцию биосферы. Неживые тела не способны самопроизвольно осуществлять столь сложные преобразования энергии в естественных процессах. Вернадский пришел к выводу, что жизнь может существовать только в форме гигантской системы - биосферы. Изменяются виды живых организмов, изменяется и биосфера. Их развитие связано между собой и подчиняется определенным законам.

Вещество биосферы сложно и имеет, по мнению Вернадского, несколько компонентов [3].

1. Живое вещество - совокупность всех живых организмов на планете (микроорганизмов, растений, животных).

2. Косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) - вещество неорганического происхождения, т. е. образуемое в процессах, в которых живое вещество не участвует (магматические руды, продукты их преобразования абиогенного и т. д.).

3. Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (торф, уголь, битумы, известняки, нефть и т. д.). К ним же относят химические соединения или элементы, необходимые для поддержания жизни.

4. Биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (вода, почвы, илы).

5. Вещества, находящиеся в процессе радиоактивного распада (радиоактивные элементы).

6. Рассеянные атомы, непрерывно образующиеся из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения.

7. Вещество космического происхождения (космическая пыль, обломки метеоритов и т. д.)

Важнейшие компоненты биосферы по качеству и значительные по количеству - первые четыре вида вещества. Как мы уже сказали, все геохимические процессы на Земле связаны с живыми существами. В чем же состоят особенности живого вещества?

Физиологические свойства живого

Жизнь - активное, идущее с затратой энергии, полученной извне, поддержание и воспроизведение специфической структуры. Из этого определения вытекает необходимость постоянной связи организма с окружающей средой, путем обмена веществом и энергией. Для живого характерен ряд свойств, которые в совокупности “делают” живое живым. Признаки живого:

1. Самовоспроизведение, наследственность и изменчивость (передача признаков организма от поколения к поколению). Эти свойства являются важнейшим среди всех остальных. Положение, что “всё живое происходит только от живого” означает, что жизнь возникла только однажды и с тех пор начало живому даёт только живое. Генетическая информация о самовоспроизведении закодирована в молекулах ДНК. Они обеспечивают непрерывность и преемственность жизни. Без передачи по наследству химических особенностей организма внешнее сходство было бы невозможно. В неорганическом мире подобные явления отсутствуют. Характерной особенностью генетической информации является её чрезвычайная стабильность. Однако наследственность не абсолютна, она обладает изменчивостью под влиянием случайных спонтанных или индуцированных изменений в генетическом аппарате - мутаций. Изменения в генетических структурах определяют появление у организмов признаков, отличных от исходных. Наследственность и изменчивость создают материал для эволюции организмов.

2. Специфичность организации и упорядоченность структуры. Единицей организации является клетка, клетки организованы в ткани, ткани - в органы, последние - в системы органов. Организмы не разбросаны случайно в пространстве, а организованы в популяции, популяции - в биоценозы, которые совместно с абиотическими факторами формируют биогеоценозы (экологические системы). Создание порядка из беспорядочного движения молекул - это важнейшее свойство живого, проявляющееся на молекулярном уровне. Упорядоченность в пространстве сопровождается упорядоченностью во времени. В неживых объектах уровень упорядоченности снижается.

3. Способность к движению. Способностью к движению обладают все живые существа. Движение не всегда заметно человеку, оно может происходить внутри живого организма и доставлять вещества от одной части тела к другой. Совершенство двигательной реакции достигается в мышечном движении многоклеточных животных организмов, которое заключается в сокращении мышц. Многие одноклеточные организмы двигаются с помощью особых органоидов. К движению способны и клетки многоклеточных организмов (лейкоциты, блуждающие соединительнотканные клетки и др.).

4. Способность расти и развиваться, т. е. увеличиваться в размерах и массе с сохранением общих черт строения.

5. Способность питания, дыхания, выделения. Каждый организм получает необходимую ему энергию и вещества из окружающей среды и отдает в нее те вещества и энергию, которые не может использовать. Благодаря этому свойству обеспечивается постоянство внутренней среды организмов и их связь с окружающей средой, что является условием для поддержания жизни организмов. Живые клетки получают энергию из внешней среды в форме энергии света. Эта энергия в дальнейшем в форме химической энергии используется для выполнения многих работ в организме: для осуществления химической работы в процессе синтеза структурных компонентов клетки, осмотической работы по обеспечению транспорта разных веществ в клетки и выводу из них ненужных веществ, механической работы, обеспечивающей сокращение мышц и передвижение организмов.

6. Раздражимость - опережающее охранительное реагирование на внешнее воздействие. Она лежит в основе изменения поведения системы и приспособления к меняющимся условиям среды. Раздражимость сопровождается изменениями в обмене веществ, состояния клеток, у высокоорганизованных животных - через нервную деятельность (в том числе рефлексы) и сознание (у человека).

Перечисленные свойства присущи только живому. Они являются необходимыми, но не могут служить достаточными критериями для разделения живой и неживой природы. Некоторые из этих свойств обнаруживаются при исследовании тел неживой природы, однако у последних они характеризуются совершенно другими особенностями. Например, кристаллы могут “расти” в насыщенном растворе соли. Однако этот рост не имеет тех качественных и количественных характеристик, которые присущи росту живого. Между свойствами, характеризующими живое, существует единство, проявляющееся в пространстве и во времени на всех уровнях организации живого. Таким образом, живые организмы резко отличаются от неживых систем исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую, высшую ступень развития материи.

Живое выступает в форме образований «живых организмов», которые обладают сложной структурой. Обычно выделяют шесть уровней организации живой материи:

- молекулярный;

- клеточный;

- организменный;

- популяционный;

- экосистемный;

- биосферный.

Все перечисленные свойства живых систем в той или иной степени реализуются уже на клеточном уровне. Однако полнота всех проявлений жизни представлена только на 2-х последних уровнях, так как ни одна клетка, ни один организм, ни один вид не могут существовать без множества других клеток, организмов, видов и создаваемых ими условий среды. Компетенция экологии начинается с организменного уровня. На уровне организма осуществляется обмен веществами и энергией с окружающей средой; на уровне популяции добавляются воспроизведение вида, его эволюция, участие в многовидовых сообществах; на уровне экосистемы поддерживается устойчивый круговорот веществ и формирование общей среды сообщества организмов; на уровне биосферы - глобальный круговорот, взаимодействие всех экосистем.

Механизмы стабилизации живых систем

В клетке в течение всей ее жизни поддерживаются специфические физико-химические условия, отличные от условий окружающей среды. Способность биологических систем относительно противостоять изменениям и сохранять динамически относительное постоянство состава и свойств называется гомеостазом. Явление гомеостаза наблюдается на всех уровнях биологической организации. Способность биологических систем автоматически устанавливать и поддерживать на постоянном уровне те или иные биологические показатели называется саморегуляцией. При саморегуляции управляющие факторы не воздействуют на систему извне, а формируются в ней самостоятельно. Отклонение какого-либо жизненного фактора от гомеостаза служит толчком к мобилизации механизмов, восстанавливающих его. Например, повышение температуры тела в жару усиливает потоотделение, и температура тела снижается до нормы. Разнообразны проявления и механизмы саморегуляции надорганизменных систем - популяций и биоценозов. На этом уровне поддерживается стабильность структуры популяций, их численность, регулируется динамика всех компонентов экосистем в изменяющихся условиях среды. Сама биосфера является примером поддержания гомеостатического состояния и проявления саморегуляции живых систем. Всем организмам присуще свойство воспроизведения себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни.

Размножение у живых существ можно свести к двум формам: бесполому и половому. Древнейшая форма размножения - бесполое. Оно распространено у одноклеточных организмов, но может быть свойственно и многоклеточным грибам, растениям и животным (у высокоорганизованных животных встречается редко). Наиболее простая форма бесполого размножения характерна для вирусов. Их репродуктивный процесс связан со способностью к самоудвоению молекул нуклеиновых кислот. Применительно к другим организмам, размножающимся бесполым путём, различают размножение спорообразованием и вегетативное размножение. Размножение спорообразованием связано с образованием специализированных клеток - спор, которые содержат ядро и цитоплазму, покрыты плотной оболочкой и способны к длительному существованию в неблагоприятных условиях, дающих начало дочерним особям. Такое размножение характерно для бактерий, водорослей, грибов, мхов, папоротников. Вегетативное размножение - образование новой особи из части родительской. Происходит путем отделения от материнского организма части и превращения ее в дочерний организм. Свойственен многоклеточным организмам. Наиболее разнообразны формы вегетативного размножения у растений - черенки, луковицы, почки и т. д. У животных вегетативное размножение происходит либо путем деления, либо почкованием, когда на материнском организме образуется вырост - почка, из которой развивается новая особь. Почки могут отделяться от родительской особи или остаются соединенными с ней, в результате чего возникает колония (как у коралловых полипов). Может происходить фрагментация тела многоклеточного животного на части, после чего каждая часть развивается в новое животное. Такое размножение характерно для губок, гидр, морских звёзд и некоторых других организмов.

В половом размножении участвуют две родительские особи, внося по одной половой клетке - гамете. Каждая гамета несет половинный набор хромосом. В результате слияния двух гамет образуется зигота, из которой развивается новый организм. Зигота получает наследственные признаки обоих родителей. Наряду с раздельно полыми формами существуют группы животных и растений, имеющие и мужские, и женские половые органы в одном организме - гермафродиты (самоопыляющиеся растения: пшеница, ячмень и др.).

Задача размножения - передача последующим поколениям наследственной информации. Организм проходит все стадии индивидуального развития - онтогенез: растет, развивается, размножается, стареет, умирает. Изменение внешних условий может ускорить или затормозить развитие организма. Ограниченность индивидуальной жизни организмов - одно из необходимых условий для эволюции жизни на планете.

Надорганизменные системы (популяции, биоценозы, биосфера в целом) также способны воспроизводить самих себя, развиваться и изменяться с течением времени.

Химические особенности живых организмов

Из известных 90 природных химических элементов в элементном составе клеток присутствуют более 70 элементов. Однако 99 % состава всех живых существ (от вирусов до человека) приходится только на 7 элементов: C, O, H, N, S, P, Ca. Первые шесть слагают всю органику земной природы и называются биогенными (лежащими в основе жизни). Кроме этих элементов в состав живых организмов входят макроэлементы: Mg, K, Na, Cl. В меньших количествах встречаются микроэлементы, также необходимые для жизни: Fe, Cu, Zn, Mn, Co и др.

Таблица. Содержание химических элементов в человеке, в атомных %

C	10,68
Н	60,56
N	2,44
O	25,67
P	0,13
S	0,13
Na	0,08
K	0,04
Mg	0,01
Cl	0,03
Fe, Zn, Cu, Co, F, I	<0,03

Клетки построены как из неорганических, так и органических соединений. Неорганическими соединениями являются вода и минеральные соли. Вода имеет исключительно важное значение для жизнедеятельности клеток, представляя собой среду, в которой осуществляются важнейшие реакции, лежащие в основе синтеза и распада веществ. Кроме того, она является растворителем различных химических веществ, таких как хлористый натрий, сахара, простые спирты, альдегиды, кетоны. Под влиянием растворённых веществ водный раствор может изменять свои свойства, в частности, могут изменяться температура замерзания, температура кипения, осмотическое давление. Эта особенность воды имеет очень важное биологическое значение. Например, рыбы в пресной воде при температуре её замерзания сохраняют свою активность. Причиной этого является более высокая концентрация растворённых веществ в крови рыб, чем в воде, и это исключает переохлаждение и замерзание их крови.

Вода обладает способностью к обратимой ионизации, в ходе которой она распадается на ионы H+ и OH-, поэтому для всех внутриклеточных и внеклеточных жидкостей в организме характерны определённые величины рН. Изменения величины рН чрезвычайно неблагоприятны для организмов, поскольку даже небольшие её сдвиги характеризуются значительным падением каталитической активности ферментов. Постоянство концентрации ионов водорода поддерживается буферными системами, которые у млекопитающих представлены фосфатной и бикарбонатной системами.

В воде под влиянием ферментов происходят реакции гидролиза (расщепления) белков и других соединений. Она принимает участие также в выведении из клеток продуктов обмена. Наконец, вода поддерживает тепловой режим клетки.

Большое значение имеют соли минеральных кислот и соответствующие им катионы и анионы:

Ионы Na, K обеспечивают электрический разряд на мембранах клеток и передачу электрических импульсов по нервам и мышцам, т. е. управляют их работой;

Ca (более 90 %) находится в костях, участвует в сокращении мышц;

C, H, O входят в состав всех органических веществ;

N - в состав белков и аминокислот;

P - составная часть аминокислот - биологических аккумуляторов энергии (АТФ - аденозинтрифосфорная кислота); вместе с Ca входит в состав костей скелета;

S входит в состав белка;

Fe содержится в гемоглобине крови, который является переносчиком кислорода;

Mg составляет основу молекулы хлорофилла и обеспечивает фотохимическую реакцию в живых организмах - синтез органических веществ из углекислого газа в воды;

Zn входит в состав инсулина;

I входит в состав гормона щитовидной железы;

Co - в состав витамина В12.

Эти элементы образуют несколько десятков низкомолекулярных соединений (аминокислот, сахаров и т. д.), которые в свою очередь дают огромное число высокомолекулярных соединений. Органические соединения живых организмов в основном принадлежат к 4 классам: белкам, липидам (или жирам), углеводам и нуклеиновым кислотам. У животных преобладают белки, у растений - углеводы.

Основные химические соединения в клетках человека, % к сырой массе

Вода …………………………	75-85
Белки ………………………...	10-20
Нуклеиновые кислоты .……….	1-2
Липиды ...…………………….	1-5
Углеводы ...…………………..	0,2-2,0

Белки являются прежде всего строительным материалом (входят в состав практически всех клеточных структур), катализаторами, гормонами, защитными веществами и пр.

Большинство реакций распада и синтеза сложных органических веществ в живых клетках идет с участием биологических катализаторов - ферментов. Все ферменты - белки. Для каждой группы реакций имеется свой белковый катализатор. Считают, что ферменты повышают скорость реакции минимум в 1 млн раз.

У животных имеются железы внутренней секреции, клетки которых производят гормоны. По своей природе большинство гормонов являются белками, регулируют важные процессы в клетках, но по своему действию отличаются от ферментов, хотя обеспечивают их синтез, тормозят или активизируют их работу. Например, инсулин, продуцируемый клетками поджелудочной железы, регулирует в организме метаболизм глюкозы. При недостатке гормонов может задерживаться рост животных и человека, при избытке - появляются великаны.

Белки также участвуют в процессах трансформации энергии. Белки мышц реагируют с молекулами АТФ и расщепляют в них богатую энергией химическую связь. Под воздействием высвобождающейся энергии происходит сокращение мышечного белка. Таким образом, химическая энергия при участии белков мышц превращается в энергию механическую.

Если в организм животных или человека попадают вирусы или бактерии, то для защиты от них вырабатываются особые белки - антитела. Эти белки обезвреживают возбудителей болезни, задерживая их размножение в организме. На каждый чужеродный белок организм вырабатывает специальные антитела, которые реагируют только с тем возбудителем, против которого они созданы. Такой механизм сопротивления заболеваниям называется иммунитетом. От лат. immunitas - освобождение от чего-либо. Можно сказать, что иммунитет представляет собой способность организма различать чужеродный материал и свой. Организм может синтезировать гигантское разнообразие антител. Например, мышцы могут синтезировать ? 2•105 антител [4].

Нуклеиновые кислоты - хранители генетической информации. Они участвуют, как и белки, в передаче наследственных признаков, а также в синтезе белков.

Большую роль в жизни организмов играют углеводы: простые сахара (моносахариды), дисахариды и полисахариды. Моносахариды глюкоза, фруктоза, галактоза имеют одну химическую формулу (С6Н12О6) и отличаются пространственной структурой молекулы. Глюкоза и фруктоза содержатся в составе фруктов и ягод. Галактоза - молочного сахара (лактозы). Молекулы глюкозы под действием ферментов могут соединяться в дисахариды или в длинные и разветвленные цепочки - полисахариды - крахмал и гликоген. Крахмал - форма хранения запаса питательных веществ в растительных клетках. Высоко содержание крахмала в пшенице, рисе, картофеле, кукурузе. В клетках животных и человека накапливается гликоген - полисахарид, отличающийся от крахмала большей разветвленностью молекул. Содержится гликоген в клетках печени и мышцах. Расщепление и окисление углеводов позволяет клетке получать большое количество химической энергии.

...