Экология и окружающая природная среда

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема 1. Экология и окружающая природная среда

1. Понятие о научной дисциплине "Экология"

Термин «экология» (от гр. oikos -- дом, родина и logos -- наука) предложил немецкий биолог Э.Геккель (1866 г.), это наука об отношениях растительного мира, животных организмов, человека и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой.

Исходя из определения, что экология -- совокупность научных и практических проблем взаимоотношений человека и природы, ее можно разделить на экологию общую и прикладную.

К общей экологии следует отнести разделы, изучающие антропосное воздействие на живое вещество (биоэкология) и биокосное вещество (геоэкология) и их ответные реакции на это воздействие.

В биоэкологии при делении по уровню организации живого можно выделить молекулярную экологию, морфологическую экологию (клеток и тканей) и аутоэкологию, изучающую живое вещество на уровне особи. При делении по типу структурирования живого в биологической системе биоэкологию можно разделить на экологию многоклеточных организмов (грибов, растений и животных) и одноклеточных (микроорганизмов).

К предмету геоэкологии относятся проблемы взаимодействия в системе антропос - биокосное вещество. Принимая за признак деления агрегатное состояние этого вещества, получим, например, деление геоэкологии на экологию суши, гидросферы и атмосферы.

К области прикладной экологии необходимо отнести следующие вопросы: выработка общих решений, прогнозов и рекомендаций, касающихся путей выхода из глобальных кризисных ситуаций экологического характера; разработка конкретных управленческих, юридических, технологических и экономических решений, улучшающих экологические параметры развития общества. Исходя из сказанного, прикладную экологию можно разделить на экологию глобальных кризисных проблем и экологию природопользования.

К глобальным кризисным относятся, например, проблемы парникового эффекта и озонового слоя Земли. Экологию природопользования составляют экология промышленная, сельскохозяйственная, промысловая, быта и т.д.

2. Земля - как планета Солнечной системы. Атмосфера. Гидросфера. Литосфера. Биосфера

Астрономы предполагают, что Земля вместе с другими планетами возникла около 4,6 млрд. лет назад из одного сжимающегося газопылевого облака, из которого образовалось и Солнце. В соответствии с современными научными взглядами Земля представлена тремя слоями (сферами).

Первый слой - это атмосфера, простирающаяся в Космос. Современная атмосфера планеты по составу относится к азотно-кислородному типу и этим качественно разнится от газовых оболочек всех известных ныне небесных тел, включая планеты Солнечной системы. Атмосфера подразделяется на несколько зон: тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу и экзосферу.

1.Тропосфера - нижняя часть атмосферы. В ней сосредоточено более 80% всей массы воздуха. Ее высота определяется интенсивностью вертикальных (восходящих и нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности (на экваторе до высоты 16-18 км, в умеренных широтах 10-11км, на полюсах до 8 км). Тропосфера характеризуется понижением температуры воздуха с высотой, в среднем на 0,6 К через каждые 100 м.

2.Стратосфера располагается выше тропосферы, до высоты 50-55 км, и отличается повышением температуры у ее верхней границы. Это связано с наличием здесь пояса озона, интенсивно поглощающего световое излучение ультрафиолетового спектра. Одновременно озоновый слой защищает поверхность Земли от губительного воздействия этой части излучения Солнца.

3.Мезосфера простирается до высоты 80 км. В ней наблюдается резкое понижение температуры (до -75-90°С) и образование серебристых облаков, состоящих из ледяных кристаллов.

4.Ионосфера (термосфера) достигает высоты 800 км. Для нее характерно значительное повышение температуры (до 1000°С и более). Под прямым воздействием ультрафиолетового излучения газ здесь присутствует в ионизированном состоянии, что способствует многократному отражению радиоволн, обеспечивающих дальнюю радиосвязь на Земле.

5.Экзосфера находится на высоте от 800 до 2000-3000 км и имеет температуру свыше 2000°С. Скорость движения газов в ней приближается к критической (11,2 км/с). Они представлены в основном водородом и гелием, образующими вокруг Земли корону, простирающуюся до высоты 20 тыс. км.

Вторая сфера - литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, включает земную кору и верхнюю мантию. Мощность литосферы - 50-100 км, в том числе земной коры - до 75 км на континентах и 10 км под океаном. Исследована лишь верхняя часть земной коры (около 5% ее объема). На 47-49% она состоит из кислорода, на 27-28% из кремния, на 8% из алюминия. Они составляют основу песчано-глинистых минералов, доля которых в коре достигает 80-85%. Эти же элементы, а также железо, кальций, натрий, калий, магний и титан образуют 99,6% массы земной коры. На долю остальных 105 известных химических элементов приходится только 0,4%. Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое земной коры, то есть в почве. Почва - это верхние наружные уровни горных пород, измененные под влиянием воды, воздуха и деятельности живых организмов, это смесь остатков живых организмов и косных (неорганических) веществ, обладающая таким свойством как плодородие. Мощность почвы невелика: от 30 см в тундре до 160 см - в западных черноземах.

Следующий за корой слой Земли толщиной около 2880 км известен как мантия. Предполагают, что она в основном сложена плотными силикатными породами. Третий слой толщиной порядка 3500 км называют ядром. По-видимому, оно состоит из внешнего жидкого слоя толщиной около 2080 км и твердой центральной части из никеля и железа при температуре 6400 К.

Большую часть поверхности нашей планеты занимает третья сфера или гидросфера, включающая все типы водоемов. В наиболее общем виде гидросферу делят на Мировой океан, континентальные и подземные воды.

В Мировом океане сосредоточена основная масса воды. Его средняя глубина составляет более 4000 м, он занимает площадь, равную 71% поверхности земного шара, и отличается высокой соленостью. Континентальные водоемы покрывают около 5% площади Земли. Из них на долю поверхностных вод (озера, реки, болота) приходится весьма малая часть (0,2%), ледников - 1,7%.

В верхней части земной коры находятся обширные запасы подземных вод, которые составляют около 4% общего объема гидросферы. Пресные воды залегают до глубины 150-200 м, ниже они переходят в солоноватые. Подземные воды включают в себя также лед в толще многолетней мерзлоты.

Свободные воды гидросферы по вертикали делятся на две зоны. Верхняя зона - эуфотическая, определяется глубиной проникновения солнечного света (в среднем 200 м). В этой зоне протекает деятельность фотосинтезирующих организмов (растений, некоторых бактерий). В нижних слоях, куда не проникает солнечный свет, - афотической зоне - обитают живые организмы, использующие готовые органические вещества, синтезированные организмами эуфотической зоны. Весь планетный запас воды достигает 1450 млн. км³.

Гидросфера тесно связана с литосферой (подземные воды), атмосферой (пары воды) и живым веществом, в состав которого вода входит в качестве обязательного компонента. Она выступает в роли универсального растворителя практически всех веществ, взаимодействует со многими из них. Это взаимодействие обеспечивает обмен веществ, например, между сушей и океаном, организмами и окружающей средой.

Кроме названных, выделяют еще одну весьма своеобразную оболочку Земли, которую называют биосферой, это область распространения жизни на Земле, охватывающая несколько населенных организмами геосфер: тропосферу, гидросферу и часть литосферы (до 3 км). Биосфера представляет собой совокупность частей земных оболочек, которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.

В соответствии с учением В.И. Вернадского, биосферу можно разделить на три подсферы:

1.Аэробиосфера населена аэробионтами, основой жизни которых является влага воздуха. В аэробиосфере выделяют слой тропобиосферы - от вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков. Выше тропобиосферы лежит слой альтобиосферы, где концентрация микроорганизмов очень небольшая. Над слоем альтобиосферы находится пространство, куда микроорганизмы проникают случайно, и в этом слое они не размножаются - парабиосфера.

2. В гидробиосфере выделяют три слоя в зависимости от интенсивности проникающего солнечного света:

-фотосфера - относительно ярко освещенный слой;

-дисфотосфера - проникает до 1% солнечного света;

-афтосфера - слой абсолютной темноты, где фотосинтез невозможен.

3.Геобиосфера включает:

-террабиосферу - область жизни на поверхности суши, которая подразделяется на фитосферу (от поверхности Земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы);

-литобиосферу - жизнь в глубинах Земли в порах горных пород. Жизнь в толще литосферы существует в основном в подземных водах.

Биосфера состоит из нескольких типов веществ:

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

2. биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (каменный уголь, битумы, известняки, нефть);

3. косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) - вещество неорганического происхождения, т.е. образуемое в процессах, в которых живое вещество не участвует;

4. биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (сюда относится почти вся вода биосферы, почвы, илы);

5. вещество, находящееся 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.).

К основным признакам живого относятся:

1.Единство химического состава. В живых организмах 98% химического состава приходится на 6 элементов (макробиогены): около 60% кислорода, около 20% углерода, около 10% водорода, 3% азота, 3,5% кальция и 1% фосфора.

2.Живые системы содержат совокупность сложных биополимеров (белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др.).

3.Это открытые системы, то есть системы, которые не могут существовать без постоянного притока энергии в виде пищи, света и т.п. (используют внешние источники энергии). Все живые системы способны к обмену веществами с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя во внешнюю среду продукты жизнедеятельности.

Через живые организмы проходят потоки энергии и веществ, в результате чего в системах осуществляется обмен веществ - метаболизм (от греч. - превращение.).

Метаболизм включает процессы анаболизма (синтез веществ) и катаболизма (распад сложных веществ). В процессах анаболизма под действием ферментов происходит синтез сложных веществ из более простых с накоплением энергии (фотосинтез).

При катаболизме происходит высвобождение энергии, заключенной в химических связях крупных органических молекул, и накопление ее в форме богатых энергией фосфатных связей аденозинтрифосфорной кислоты (дыхание, брожение). Конечными продуктами катаболизма являются углекислый газ, вода, аммиак и т.д. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава внутренней среды организма (гомеостаз) и, как следствие, постоянство его функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

4.Живые системы - высокоорганизованные и упорядоченные системы, они устойчивы при жизни и быстро разлагаются после смерти.

5.Жизнь на Земле проявляется в виде дискретных форм. Дискретность живого означает, что отдельный организм или сообщество организмов состоят из отдельных изолированных, но тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.

6.Живые системы - самовоспроизводящиеся системы. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур по генетической программе, которая заложена в ДНК клеток.

Наследственность - способность организмов передавать свои признаки, свойства и способности развития из поколения в поколение.

7.Живые системы - самоуправляющиеся, саморегулирующиеся и самоорганизующиеся системы.

Саморегуляция - свойство живых систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные показатели системы (рН, температуру, содержание воды, углекислого газа и т.д.), т.е. обеспечивать гомеостаз.

Самоорганизация - свойство живой системы приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды за счет изменения структуры своей системы управления. Это изменение происходит в процессе переработки поступающей из внешней среды информации, т.е. живые системы самоуправляющиеся.

8.Живые системы способны к росту и развитию. Рост - увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт и качеств системы. Рост живой системы сопровождается развитием, то есть возникновением новых качеств и черт.

9.Историческое развитие, то есть необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением формы жизни от оплодотворения до смерти. Историческое развитие живых систем связано с их изменчивостью.

Изменчивость - свойство, противоположное наследственности и связанное с приобретением организмом новых свойств и признаков под воздействием внешних факторов в результате самоуправления.

10.Живым организмам характерна ритмичность, то есть периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (суточные ритмы сна и бодрствования, сезонные ритмы активности и спячки некоторых млекопитающих).

11.Живая система - динамическая система, которая активно воспринимает и преобразует молекулярную информацию с целью самосохранения.

Взаимодействие живых организмов с компонентами биосферы (литосферой, атмосферой, гидросферой) происходит путем обмена, питания, дыхания и выделения продуктов метаболизма. Все организмы неодинаковы с точки зрения накопления ими веществ и энергии. Растения используют солнечную энергию, осуществляя процесс фотосинтеза, а животные потребляют органические вещества, созданные растениями - фотосинтетиками. Поэтому все живые организмы по способу питания можно разделить на два класса: автотрофные и гетеротрофные организмы.

Автотрофные, т.е. самопитающиеся, - поглощают энергию Солнца и вещества из окружающей среды, создают органические вещества из неорганических. К ним относятся зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии. По источнику энергии автотрофы подразделяют:

1.Фотоавтотрофы осуществляют процесс превращения воды и углекислого газа в сахара с выделением в качестве побочного продукта - кислорода (фотосинтез).

2.Хемоавтотрофы для синтеза органических веществ используют химическую энергию (серо- и железобактерии - при окислении соединений серы и железа), они играют значительную роль только в экосистемах подземных вод.

Гетеротрофные организмы, т.е. питаемые другими, - используют в качестве пищи готовые органические вещества, т.е. они питаются другими животными организмами, растениями или их плодами. К ним относятся травоядные, хищники и человек.

Выделяют иногда еще миксотрофные организмы, которые в зависимости от условий внешней среды могут сочетать автотрофный и гетеротрофный режим питания. Например, водные одноклеточные организмы при хорошей освещенности питаются автотрофно, а в темноте переходят к гетеротрофному способу.

Живое вещество также подразделяется:

1.Однородное - биомасса организмов одного вида или рода.

2.Разнородное - биомасса особей разных видов, населяющих данную экосистему.

3.Репродуктивное вещество - живые организмы, благодаря которым жизнь в биосфере постоянно воспроизводится.

4.Соматическое вещество - организмы, уже не способные воспроизводить себе подобных.

Живые системы обладают совокупностью следующих функций:

1.Питание. Пища нужна всем живым системам как источник энергии и веществ, необходимых для строительства органов (процесс анаболизма).

2.Дыхание - процесс катаболизма.

3.Выделение - выведение из организма конечных продуктов обмена.

4.Раздражимость - реагирование на изменение внешней и внутренней среды (голод, жажда, холод). Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется с участием нервной системы и называется рефлексом.

5.Размножение.

6.Рост - в отличие от кристаллов, растущих снаружи, живые системы растут как бы изнутри, включая питательные вещества в структуру своего тела.

7.Подвижность - перемещение в пространстве всей системы и движение внутри системы (кровь у животных).

К свойствам живого вещества относят:

1.Способность быстро осваивать все свободное пространство (всюдность жизни).

2.Способность двигаться не только пассивно (под действием гравитации), но и активно (против течения воды, силы тяжести и т.д.).

3.Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти.

4.Высокая приспособительная способность (адаптация) к разным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, воздушной, почвенной), но и трудных по физико-химическим параметрам условий (температурным, радиационным и др.).

5.Очень большая скорость протекания реакций, она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе.

6.Высокая скорость обновления живого вещества (в среднем для биосферы 8 лет, при этом для суши - 14 лет, а для океана - 33 дня).

К основным свойствам биосферы относят:

1.Биосфера способна аккумулировать солнечную энергию и превращать ее в энергию химических связей органических соединений.

2.Биосфера - целостная система, она обусловлена непрерывным обменом веществ и энергии между ее составными частями.

3.Биосфера - централизованная система, центром ее являются живые организмы.

4.Биосфера - открытая система. Ее существование невозможно без постоянного притока солнечной энергии.

5.Биосфера - саморегулирующая система, для которой характерна организованность, способность поддерживать исходное состояние, т.е. после различных нарушений возвращаться в первоначальное состояние (это свойство называется гомеостазом).

6.Биосфера проявляет ритмичность - повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них - суточные, годовые, внутривековые и сверхвековые.

7.Биосфера обладает горизонтальной зональностью и высокой поясностью.

Горизонтальная зональность - закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающей на разные широты тепла в связи шарообразной формой Земли. Наиболее крупные зональные подразделения - географические пояса.

8.Биосфера - глобальная многоэлементная система, характеризующаяся большим разнообразием. Это разнообразие обусловлено совокупностью большого количества экосистем со свойственным им видовым разнообразием.

9.Важнейшее свойство биосферы - обеспечение круговорота веществ и неисчерпаемости отдельных химических элементов и их соединений. Нарушение или тем более разрушение природных круговоротов химических элементов может привести к коллапсу биосферы.

10.Биосфера - живая открытая система. Она обменивается энергией и веществом с внешним миром. Применительно к биосфере внешний мир - это космическое пространство.

К биосфере относят прежде всего те участки, где есть условия для выживания и размножения живых существ - это поле существования жизни. К ним прилегают территории, в которых живые организмы лишь выживают, они не могут размножаться. Эти территории называются полем устойчивости жизни.

Поле существования жизни определяется:

1) достаточным количеством кислорода, углекислого газа и воды;

2) благоприятной температурой;

3) прожиточным минимумом минеральных веществ.

Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трех оболочек - атмосферы, гидросферы и литосферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал пленками жизни. Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.

Существует пять интегральных биохимических функций биосферы, и в том числе, живого вещества:

1.Энергетическая функция выполняется в основном растениями. В основе этой функции лежит процесс фотосинтеза, т.е. аккумулирование зелеными растениями солнечной энергии и дальнейшее ее перераспределение между остальными компонентами биосферы.

2.Средообразующая функция состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов. Средообразующая функция включает:

-Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение. Выделяется несколько газовых функций: кислородно-углекислотная (процесс фотосинтеза), углекислотная (процесс дыхания), азотная (выделение азота азотденитрофицирующими бактериями).

-Деструктивная функция обуславливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого образуются биокосные и биогенные вещества, происходит минерализация органики, т.е. превращение ее в косное вещество.

-Концентрационная функция заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды, обуславливая большую разницу в составе живого и косного вещества планеты. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека источником, как полезных веществ (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья (тяжелых металлов, радиоактивных элементов и ядохимикатов).

-Окислительно-восстановительная функция живых организмов проявляется в окислении с участием бактерий, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. В результате восстановительной деятельности анаэробных микроорганизмов в заболоченных почвах, практически лишенных кислорода, образуются окисленные формы железа.

3.Транспортная функция - перенос вещества и энергии в результате движения живых организмов. Часто такой перенос осуществляется на громадное расстояние, например при перелете птиц.

4.Информационная функция. Живые организмы способны воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию и передавать ее последующим поколениям.

5.Рассеивающая функция - рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов, например рассеивание токсичных веществ, рассеивание веществ при выделении организмами экскрементов.

Условием существования и развития биосферы является круговорот биологически важных веществ. Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: геологический, или большой, и малый, биологический.

Геологический круговорот четко проявляется на примере круговорота воды и циркуляции атмосферы. По оценкам, до половины поступающей от Солнца энергии расходуется на испарение воды. Ее испарение с поверхности Земли компенсируется выпадением осадков. При этом из Океана воды испаряется больше, чем возвращается с осадками, а на суше происходит обратное - осадков выпадает больше, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда - снова в Океан. Наряду с водой в геологическом круговороте с одного места в другое переносятся и минеральные вещества.

С появлением живого начала на базе геологического, или абиотического, круговорота возникает биологический круговорот. Под биологическим круговоротом понимается поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения с последующим их возвращением в почву и атмосферу, а также воду.

С момента появления на Земле человека начинается формирование новой геологической оболочки - ноосферы (от греч. - разум), то есть сферы разума. Это понятие было введено французским математиком и философом Э. Леруа в 1927 г. Ноосфера рассматривается как высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением в ней цивилизованного общества.

3. Экологические системы

Популяционно-видовой уровень - это совокупность особей одного вида, объединенных общей территорией и генофондом.

Вид - совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических свойств, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих в природе определенный ареал. Виды отличаются друг от друга по многим признакам:

1.Морфологический критерий базируется на сходстве внешнего и внутреннего строения особей одного вида.

2.Генетический критерий - это характерный для каждого вида набор хромосом, строго определенное их число, размер и форма, это главный видовой признак.

3.Физиологический критерий - это сходство всех процессов жизнедеятельности и, прежде всего сходство размножения.

4.Географический критерий - определенный ареал, занимаемый видом в природе.

5.Экологический критерий - совокупность факторов внешней среды, в которой существует вид.

Совокупность особей одного вида, распространённая на определённой территории называется популяцией, например, стадо оленей или берёзовая роща. Основными характеристиками популяции являются:

1.Плотность определяется числом особей, приходящихся на единицу площади или объема.

2.Численность различна у разных видов, но она не может быть ниже некоторых пределов. Падение численности ниже критической может привести к исчезновению популяции.

3.Возрастной состав зависит от продолжительности жизни особей, периода достижения ими половой зрелости.

4.Характер распределения особей популяции в пространстве может быть равномерным, случайным или скученным.

Биоценоз включает все популяции разных видов, характеризующиеся определенными отношениями как между собой, так и с неорганической средой на определенной территории, называемой биотопом.

Биогеоценоз (наземная экосистема) - выделённый участок земной поверхности со своим природным набором живых существ (биоценоз) и др. компонентов: приземный слой атмосферы, почва, солнечная энергия (озеро, поляна, участок леса - биотоп). Очень крупные экосистемы называются биомами.

Биом - совокупность видов растений и животных, составляющих население одной природной зоны и характеризующаяся определенным типом структуры сообщества, выражающая комплекс адаптации к условиям среды. Существуют следующие основные типы биомов: тундра, хвойный лес, лиственный лес, влажный тропический лес, степь и пустыня.

Экосистемы подразделяются по степени антропогенного воздействия на естественные (сохранившиеся в неприкосновенности), модифицированные (изменившиеся от деятельности человека) и трансформированные (преобразованные человеком). Экосистема состоит из 4-х основных элементов.

1.Неживая (абиотическая) среда обитания - вода, минеральные вещества, газы, а также неживые органические вещества и гумус.

2.Продуценты (производители) - живые существа, способные из неорганических материалов среды строить органические вещества. К ним относятся автотрофные организмы, производящие пищу, т.е. первичные органические вещества, в процессе фото- или хемосинтеза. Такую работу выполняют, главным образом, зелёные растения, производящие с помощью солнечной энергии из углекислого газа, воды и минеральных веществ органические соединения. Органические вещества, производимые растениями, идут в пищу животным и человеку, а высвободившийся кислород используется при дыхании.

3.Консументы - потребители растительной и животной продукции - гетеротрофные организмы, главным образом животные, поедающие другие организмы.

В зависимости от источников питания различают несколько групп консументов:

1.Фитофаги - растительноядные, это консументы первого порядка. К ним относятся животные, питающиеся растениями (от тли и кузнечика до лошади и коровы).

2.Зоофаги - хищные организмы, питающиеся животными. К ним относятся и мелкие и крупные животные, растения - хищники. Консументы второго порядка питаются исключительно фитофагами, а третьего порядка - плотоядными животными.

3.Паразиты - консументы четвертого порядка.

4.Симбиотрофы - микроорганизмы, питающиеся корневыми выделениями растений (нити грибов, микроорганизмы, живущие в пищеварительном тракте животных - фитофагов).

5.Эврифаги - всеядные организмы со смешанным типом питания, питаются как растениями, так и животными.

6.Детритофаги - организмы, питающиеся мертвым органическим веществом - остатками растений и животных (выполняют функцию очищения экосистем).

4.Редуценты (разрушители) - гетеротрофные организмы, которые завершают работу детритофагов, они разлагают остатки отмерших существ (растительные остатки или трупы животных превращаются снова в исходное сырьё (вода, минеральные вещества и углекислый газ), пригодное для продуцентов, превращающих эти составные части снова в органические вещества. К ним относятся грибы, бактерии, беспозвоночные (например, черви).

Детритофаги и редуценты по типу питания выделяют в особые группы организмов - сапрофаги (питаются мертвыми органическими останками животных) и сапрофиты (питаются остатками растений и животных).

Взаимосвязи организмов в экосистемах весьма многообразны. Наиболее важное значение имеют пищевые или трофические взаимосвязи: один организм поедается другим, тот третьим и т.д. Ряд таких звеньев называется пищевой или трофической цепью.

Пищевые цепи - последовательность организмов разных трофических уровней, в которых каждое предыдущее звено служит пищей для последующего. В природе они взаимосвязаны и образуют сложную пищевую сеть.

Экосистема живет и развивается как единое целое. В природе менее устойчивые экосистемы со временем сменяются на более устойчивые. Их смена определяется тремя факторами:

1) упорядоченным процессом развития экосистемы - установлением в ней стабильных взаимоотношений между видами;

2) изменением климатических условий;

3) изменением физической среды под влиянием жизнедеятельности организмов, составляющих экосистему.

Последовательная смена одних экосистем другими на определенном участке земной поверхности под воздействием природных или антропогенных факторов называется сукцессией. Сукцессии подразделяют на первичные и вторичные.

Первичные сукцессии развиваются на лишенном жизни месте, где условия существования поначалу не являются благоприятными. Примером первичной сукцессии является зарастание песчаных дюн или лавовых потоков.

Вторичные сукцессии происходят на участке, уже занятом хорошо развитым сообществом (под влиянием внутренних факторов - жизнедеятельности организмов), или освободившемся после разрушения сообщества под воздействием внешних причин (стихийных бедствий - пожаров, наводнений или в результате деятельности человека). Примером вторичной сукцессии под влиянием внутренних факторов может служить процесс зарастания озера (под воздействием жизнедеятельности населяющих его организмов озеро медленно наполняется мертвым органическим веществом, постепенно в озере уменьшается глубина, и в конце концов оно превращается в болото, а затем и в сушу). Сукцессию можно наблюдать и на городских улицах, например, мхи, лишайники и сорняки заселяют трещины на тротуарах. Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называется климаксом, а экосистема - климаксовой.

Внезапное резкое увеличение численности одних видов происходит за счет гибели других, при этом возникают экологические нарушения. Экологические нарушения возникают при вторжении в экосистему новых видов (кролик в Австралии) или при непродуманном воздействии человека на природу (сброс биогенов в водоем).

На формирование экосистем влияют абиотические и биотические факторы. К абиотическим факторам в первую очередь относят факторы неорганической природы: свет, температура, влажность, давление, агрегатное состояние самой среды, химический состав, концентрация веществ в ней, а также физические поля, радиация, суточные и сезонные изменения в природе. Биотические факторы - это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями. К биотическим факторам среды относятся и питательные вещества, т.е. элементы или их соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения. Элементы, постоянно присутствующие в живых организмах и выполняющие там определенные функции, называются биогенными элементами. Часть их них требуется в больших количествах и входит в организм в больших количествах - это макробиогенные элементы. Элементы, требующиеся в небольшом количестве и входящие в организм в небольших концентрациях - микробиогенные.

Биотические факторы включают определенные типы отношений между живыми организмами:

1.Нейтрализм, при котором совместно обитающие на одной территории популяции не влияют друг на друга. При нейтрализме особи разных видов не связаны друг с другом непосредственно, например, белки и лоси в одном лесу не контактируют друг с другом.

2.Симбиоз - форма взаимоотношений, при котором оба вида или один из них извлекает пользу от другого. Положительные симбиотические взаимоотношения представлены в природе самыми разнообразными формами.

Тип взаимоотношений, при котором один из двух совместно обитающих видов извлекает пользу из совместного существования, не причиняя вреда другому виду, называется комменсализмом. Например, в открытом океане крупных морских животных - акул, дельфинов, черепах - часто сопровождают небольшие рыбы-лоцманы. Лоцманы кормятся остатками пищи животных, которых сопровождают, а также их паразитами. Близость к крупным хищникам защищает лоцманов от нападения. Такие отношения межу видами принято называть нахлебничеством. Нахлебничество принимает разные формы. Например, гиены подбирают остатки недоеденной львами добычи.

Зачастую тела других организмов или их местообитания служат убежищем. Эта форма взаимоотношений получила название квартирантства. Например, мальки рыб прячутся под зонтиками крупных медуз, где находятся под защитой щупалец.

Следующим видом симбиоза является протокооперация - когда совместное существование выгодно обоим видам, но необязательно для них (сосуществование актинии и рака-отшельника).

Наиболее сильная взаимосвязь между организмами возникает при мутуализме, когда оба вида не только извлекают пользу из совместного существования, но и не могут жить самостоятельно. Примером мутуализма являются отношения микроорганизмов, обитающих в желудке жвачных копытных животных. Жвачные питаются растительной пищей, однако у них нет ферментов, расщепляющих целлюлозу. Микроорганизмы вырабатывают такие ферменты, переводя целлюлозу в простые сахара, при этом получают в желудке пищу и условия для размножения. Без микроорганизмов-симбионтов крупные животные могут погибнуть от голода.

3.Антибиоз, при котором обе взаимодействующие популяции или одна из них испытывают отрицательное влияние.

Хищничество - при котором представители одного вида ловят и поедают представителей другого вида. Частным случаем хищничества служит каннибализм - поедание особей своего вида, чаще всего молоди.

Другим видом антибиоза является паразитизм - когда один из видов использует другой в качестве источника пищи, места обитания, защиты от врагов и т.д. Переход к паразитизму резко увеличивает возможность вида выжить в борьбе за существование. К числу постоянных паразитов относятся простейшие (дизентерийная амеба), плоские черви (сосальщики, цепни), круглые черви (аскарида, трихина и многие другие), членистоногие (вши, блохи, чесоточный клещ). Паразиты могут поселяться в крови, в тканях и полостях тела. Поскольку при постоянном паразитизме организм хозяина - единственное местообитание для паразита, с гибелью хозяина погибает и паразит. У человека могут паразитировать около 500 видов, практически во всех частях тела.

Когда у двух близких видов наблюдаются сходные потребности (в пище, местах обитания и т.п.) возникает еще один биотический фактор - конкуренция. Различают три основных типа конкуренции: взаимное конкурентное подавление, конкуренция из-за ресурсов и аменсализм - когда одна из популяций подавляет другую.

Животные в экосистемах редко конкурируют, поскольку разные виды адаптированы к питанию неодинаковой пищей и в разных местах или в разное время, то есть занимают различные экологические ниши.

Экологическая ниша - совокупность всех факторов природной среды, в пределах которой возможно существование вида (местообитание, взаимоотношения с другими видами, конкуренция за пищу, наличие врагов и т.д.).

4. Воздействие антропогенных факторов на биосферу

В отношении поступления энергии природные и антропогенные экосистемы сходны. И природным и искусственным (дома, города) экосистемам требуется поступление энергии извне, но естественные экосистемы получают энергию от практически вечного источника - солнца, которое не загрязняет окружающую среду. Человек, напротив питает процессы производства и потребления в основном за счёт конечных источников энергии - угля и нефти, которые наряду с энергией выделяют пыль, газы, тепловые и другие отходы, наносящие вред окружающей среде и не поддающиеся переработке внутри самой искусственной экосистемы.

Загрязнение - привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для неё физических, химических или биологических агентов с концентрациями или уровнями, приводящими к негативным последствиям для природной среды и человека. Загрязнение может быть вызвано любым агентом, в том числе самым чистым (лишняя по отношению к природной норме вода в экосистеме суши - загрязнитель). Загрязнение может возникать в результате естественных причин (загрязнение природное). Либо может возникать в результате человеческой деятельности (антропогенное).

В настоящее время, ухудшение качества окружающей человека среды происходит в результате индустриализации и урбанизации его образа жизни, постепенного возрастания демографической нагрузки на природу, хозяйственного уничтожения отдельных видов животных и растений, отрицательных генетических последствий загрязнения природы отходами производственной деятельности человека, включая опасность генетического перерождения самого человека. Если человеком не будут предприняты меры по предотвращению загрязнения окружающей среды, то существующий экологический кризис может перерасти в экологическую катастрофу. Экологический кризис - критическое состояние окружающей среды, которое угрожает существованию человека и вызвано расточительным использованием природных ресурсов (воды, воздуха, почвы, растительного и животного мира) и загрязнением окружающей природной среды.

Основными методами защиты биосферы в настоящее время являются:

1.Применение безотходных технологий и новых методов для наиболее рационального использования природных ресурсов, энергии и защиты природной среды.

2.Применение малоотходных технологий с выбросами вредных веществ, не превышающих ПДК.

3.Разработка и применение норм ПДК вредных веществ в атмосфере, рабочей зоне, почве, водоемах и продуктах питания.

4.Разработка и применение норм предельно допустимых выбросов и сбросов, мест размещения отходов по каждому экологически опасному предприятию.

5.Использование способности самоочищаться элементов биосферы: высотные трубы для рассеивания вредных примесей атмосфере, канализация в морские глубины вдали от берега и разбавление стоков чистой водой.

Тема 2. Атмосферный воздух

1. Источники загрязнения атмосферы

Воздушная, самая лёгкая оболочка земного шара - атмосфера - состоит из механической смеси газов (%): азота - 78,09, кислорода - 20,95, аргона - 0,93, углекислого газа - от 0,02, а также гелия, неона, ксенона, криптона, водорода, озона, аммиака, йода и других, на долю которых приходится около 0,01 % всего её объёма.

Основные части атмосферы подразделяют:

1.Постоянные компоненты (азот, кислород, аргон и другие благородные газы).

2.Переменные компоненты. Их концентрация меняется в зависимости от места, времени года, времени суток и от многих других факторов (углекислый газ и водяной пар).

3.Случайные компоненты определяются местными условиями, концентрация их непостоянна (метан, диоксид серы, оксиды азота, водород, озон, аммиак и огромное количество техногенных примесей (жидких, твердых и газообразных)).

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение её химического состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. К естественным источникам загрязнения относятся:

а) внеземное загрязнение воздуха пылью космического происхождения и космическим излучением;

б) земное загрязнение атмосферы при извержениях вулканов, пыльных бурях, лесных и степных пожарах, пылью эрозии почв, частицами морской соли, продуктами растительного, животного и микробиологического происхождения.

Основными антропогенными источниками загрязнения атмосферы являются автомобильный транспорт и промышленные предприятия.

Автомобильный транспорт относится к наиболее значимым источникам загрязнения окружающей среды в большинстве крупных городов, при этом на 90 % воздействие на атмосферу связано с работой автотранспортных средств на линии, остальной вклад вносят стационарные источники (цехи, участки, станции техобслуживания и стоянки). Это происходит по двум причинам:

-во-первых, автомобильный двигатель в процессе работы выделяет в атмосферу целый комплекс веществ: соединения серы и свинца, оксиды азота и углерода, альдегиды, ароматические углеводороды, сажа, бенз(а)пирен и так далее. Отработавшие газы автомобильных двигателей содержат около двухсот веществ, большинство из которых токсичны. В выбросах карбюраторных двигателей основная доля вредных продуктов приходится на оксид углерода, углеводороды и оксиды азота, в выбросах дизельных двигателей - на оксиды азота и сажу;

-во-вторых, автомобиль при движении взаимодействует с поверхностью дороги и результатом этого взаимодействия является аэрозоль, количество которого зависит от многих специфических факторов, характеризующих состояние дороги.

Сейчас на Земле эксплуатируется около 900 млн. автомобилей, в настоящее время на долю транспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, особенно в крупных городах. В среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 т топлива и около 26-30 т воздуха, в том числе 4,5 т кислорода, что в 50 раз больше потребностей человека.

К промышленным источникам загрязнения атмосферы следует отнести:

1.Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. тонн углекислого газа в год. В результате этого за последние 100 лет содержание СО₂ в атмосфере увеличилось на 20%.

2.Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.

3.Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы.

4.Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, карьеров и при сжигании мусора).

5.Выбросы предприятиями различных газов.

6.Сжигание топлива в промышленных котлах, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.

7.Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы). В больших количествах озон является высокотоксичным газом.

2. Нормирование загрязнений атмосферного воздуха

Методологические основы гигиенического нормирования атмосферных загрязнений включают следующие положения:

1.Допустимой признается только такая концентрация химического вещества в атмосфере, которая не оказывает на человека прямого или вредного косвенного либо неприятного действия, не влияет на самочувствие и работоспособность.

2.Привыкание к вредным веществам, находящимся в атмосферном воздухе, рассматривается как неблагоприятный эффект.

3.Концентрация химических веществ в атмосфере, которые неблагоприятно действуют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения, считается недопустимой.

Основными среди нормируемых показателей качества атмосферы являются предельно допустимые концентрации вредных веществ. Предельно допустимая концентрация вещества - это такая его концентрация, при воздействии которой на организм человека и окружающую среду периодически или в течение всей жизни, прямо или опосредствованно не возникает ни прямого, ни вредного косвенного воздействия, обнаруживаемого современными методами исследования сразу или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.

Под прямым воздействием имеется в виду нанесение организму временного раздражения, вызывающего кашель, головные боли, ощущение запаха, которое наступает при превышении пороговой величины концентрации вещества.

Под косвенным воздействием имеются в виду такие изменения в окружающей среде, которые, не оказывая вредного влияния на организм человека, ухудшают обычные условия обитания, например, увеличивают число туманных дней, поражают зеленые насаждения.

Необходимо также учитывать, что при одновременном присутствии нескольких вредных соединений, может наблюдаться эффект их однонаправленного (суммированного) действия. В этих случаях суммарная концентрация загрязняющих веществ не должна превышать единицы:

Применительно к атмосфере различают ПДК: максимальные разовые вредных веществ в воздухе населенных мест (ПДКмр), среднесуточные вредных веществ (ПДКсс), вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ПДКрз). Все они измеряются в (мг/м³) при нормальных условиях (давление 1 атм, температура 0°С).

ПДКмр -- это концентрация, не вызывающая рефлекторных реакций в организме человека (ощущение запаха, световая чувствительность). ПДКмр - основная характеристика опасности тех вредных веществ, которые оказывают немедленное раздражающее действие, ограниченное временем (не более 20 мин).

ПДКсс -- это концентрация вещества в воздухе населенного пункта, не оказывающая на человека прямого или косвенного негативного влияния при неопределенно долгом круглосуточном вдыхании. Она применяется для предупреждения общетоксического, канцерогенного, мутагенного и другого вредного воздействия вещества при его накоплении в организме человека. При этом имеются в виду среднесуточные концентрации в среднем за год, а не за каждые отдельные сутки.

Для ряда территорий вводят более строгие, чем для населенных мест, нормативы ПДК. Так, в местах размещения крупных санаториев и домов отдыха, зонах отдыха городов они на 20% меньше, чем в жилых районах.

ПДКрз -- это концентрация вещества в воздухе, не вызывающая у трудящихся, находящихся на рабочем месте по 8 ч пять раз в неделю, заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования, как в течение всей трудовой деятельности, так и в отдаленной перспективе. ПДКрз, значительно больше, чем для населенных мест. Это объясняется тем, что на предприятии люди присутствуют лишь часть суток, там не могут находиться дети и пожилые люди.

Концентрация вредных веществ в атмосфере зависит от их количества, выбрасываемого всеми источниками загрязнения. Чтобы эти концентрации не превышали ПДК, для каждого источника загрязнения устанавливают предельно допустимый выброс.

ПДВ -- это максимально возможная для данного источника за единицу времени масса выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (т/год). Величина ПДВ зависит от местоположения источника по отношению к жилым районам, условий рассеивания загрязнителей, температуры воздуха, рельефа местности и т.д. Поэтому для одинаковых источников загрязнений величины ПДВ могут быть разными и устанавливаются раздельно для каждого из веществ.

Сущность расчета ПДВ состоит в том, чтобы концентрация выбросов примесей от данного источника в совокупности с фоновой концентрацией Сф не создавали приземную концентрацию вредного вещества, превышающую ПДК: С + Сф<ПДК.

3. Планировка санитарно-защитной зоны

Для снижения вредного влияния загрязнённого воздуха на человека применяют специальные градостроительные мероприятия: зональную застройку жилых массивов, когда близко к дороге располагают низкие здания, затем высокие и под их защитой - детские и лечебные учреждения; озеленение, ССЗ вокруг заводов размером от 50 м и более.

Предприятия, выделяющие в окружающую среду вредные и неприятно пахнущие вещества необходимо отделять от жилой застройки СЗЗ, которая определяется как территория между источником выделения производственных вредностей (физических, химических, биологических) и границей, где влияние этих веществ не превышает 5% от соответствующих гигиенических нормативов.

Размеры СЗЗ определяются мощностью предприятия, условиями осуществления технологического процесса, характером и количеством выделяющихся в окружающую среду веществ. По совокупности этих показателей предприятия разделены на пять классов, для которых установлены следующие значения ширины санитарно-защитных зон:

...