Шпаргалка по "Экологии"

1. История развития экологии

Первый  этап – зарождение и становление экологии как науки (до середины 19 века). Самым древним из известных письменных источников, имеющих прямое отношение к экологии, является (иероглифическая) надпись на пирамиде Хеопса: «Люди погибнут от неумения пользоваться силами природы и от незнания истинного мира».

Свой  вклад в эту науку внесли и  ученые античности. В трудах Аристотеля (384-322 гг. до н. э.), Плиния старшего (23-79 гг.н. э.) и других, обсуждается значение среды обитания в жизни организмов и приуроченность их к определенным местообитаниям.

Вопросам  взаимоотношения человека и среды  уделяли Леонардо да Винчи (связь  организма человека с водой), М. Ломоносов (взаимоотношения человека с воздухом и теплом). В этот же период Ж.-Б. Ламарк и Мальтус впервые предупреждали человечество о возможных катастрофических последствиях воздействия человека на природу. Приведу одну цитату из Ламарка (1820): «Можно, пожалуй, сказать, что предназначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания».

На этом этапе накапливались данные о  взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные  обобщения.

Второй этап – оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (середина 19 века до середины 20 века).

Начало  этапа ознаменовалось выходом работ  русского ученого К. Ф. Рулье (1814-1858), впервые обосновавшего ряд принципов  и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до нашего времени.

Неоценимый  вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин, вскрывший основные факторы эволюции органического  мира. То, что Дарвин назвал «борьбой за существование», с эволюционных позиций можно трактовать как  взаимоотношения живых существ с внешней средой и между собой. Немецкий биолог Геккель (1834-1919) первым понял, что это самостоятельная и очень важная область биологии и назвал ее экологией.

Как самостоятельная  наука экология окончательно оформилась в начале 20-го столетия. В это время один из крупнейших русских ученых 20 века В. Н. Вернадский создает фундаментальное учение о биосфере.

В 30-40-е  годы экология поднялась на более  высокую ступень развития в результате нового подхода к изучению природных  систем. Сначала Тэнсли (1935) выдвинул понятие об экосистеме, а несколько позже В. Н. Сукачев (1940) обосновал близкое этому представление о биогеоценозе.

Во второй половине 20-го века в связи с прогрессирующим  загрязнением окружающей среды и  резким усилением воздействия человека на природу экология приобретает особое значение.

Начинается  третий этап (50-е годы 20-го века до настоящего времени) – превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды.

Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмом и средой. Главный объект изучения в экологии – экосистемы, т. е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т. е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень).

Задачи  экологии. В общетеоретическом плане к ним относятся:

1. разработка общей теории устойчивости экологических систем;

2. изучение  экологических механизмов адаптации  к среде;

3. исследование  регуляции численности популяций;

4. исследование  продукционных процессов;

5. исследование  процессов, протекающих в биосфере  с целью поддержания ее устойчивости;

6. моделирование  состояния экосистем и глобальных  биосферных процессов.

Основные  прикладные задачи:

1. прогнозирование  и оценка возможных отрицательных  последствий в окружающей природной  среде под влиянием деятельности  человека;

2. улучшение  качества окружающей природной  среды;

3. сохранение, воспроизводство и рациональное  использование природных ресурсов;

4. оптимизация  инженерных, экологических, организационно-правовых, социальных и иных решений  для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития.

Стратегической  задачей экологии является развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

Среда обитания — это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. Из среды организмы получают всё необходимое для жизни и в неё же выделяют продукты обмена веществ. Среда каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы и элементов, привносимых человеком и его производственной деятельностью. При этом одни элементы могут быть частично или полностью безразличны организму, другие необходимы, а третьи оказывают отрицательное воздействие.

Различают естественную и искусственную (созданную человеком) среду обитания.

Отдельные свойства и элементы среды, воздействующие на организмы, называют экологическими факторами. Все экологические факторы можно разделить на три большие группы:

• Абиотические факторы — это комплекс условий неорганической среды, влияющих на организм. (Свет, температура, ветер, воздух, давление, и т. д.)
• Биотические факторы — это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. (Влияние растений и животных на других членов биогеоценоза)
• Антропогенные (антропические) факторы — это все формы деятельности человеческого общества, изменяющие природу как среду обитания живых организмов или непосредственно влияющие на их жизнь. Выделение антропогенных факторов в отдельную группу обусловлено тем, что в настоящее время судьба растительного покрова Земли и всех ныне существующих видов организмов практически находится в руках человеческого общества.

Возможно также  выделить следующие компоненты среды обитания: естественные тела среды обитания, гидросреду, воздушное пространство среды, антропогенные тела, поле излучений и тяготения среды.

Абиотическими называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди них различают физические, химические и эдафические.

Физические  факторы - их источником служит физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура, ветер, влажность, магнитное, электромагнитное, радиоактивное поля.

Химические  факторы - происходят от химического состава среды. Например, соленость воды, содержание кислорода, и т. п.

Эдафические факторы, т. е. почвенные, - это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы, живущие в них.

В зависимости  от источника энергии и степени энергетических субсидий существующие экосистемы можно разделить на 4 типа. 1. Природные экосистемы, движимые Солнцем и несубсидируемые (например открытые океаны, глубокие озера, высокогорные леса. Они получают мало энергии и имеют низкую продуктивность.

2. Природные экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые другими естественными источниками (например эстуарии в приливных морях, реки и др.). Помимо солнечного света они получают дополнительную энергию в виде приливов, органических и минеральных веществ и т. д.3. Экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые человеком (агроэкосистемы). Дополнительная энергия поставляется в них человеком в виде горючего, органических и минеральных удобрений, пестицидов и т. п. Эти экосистемы производят продукты питания и другие материалы.

4. Индустриально- городские экосистемы, движимые топливом (города, пригороды, промышленные комплексы). Основным источником энергии служит не Солнце, а топливо. Эти экосистемы зависят от экосистем первых трех типов, получая от них продукты питания и топливо.

Автотрофы

Автотрофы никого не едят, органические вещества делают сами из неорганических.

Автофототрофы – энергию получают из света (фотосинтез). К фототрофам относятся растения и фотосинтезирующие бактерии. Автохемотрофы – энергию получают при окислении неорганических веществ (хемосинтез). Например, серобактерии окисляют сероводород до серы, железобактерии окисляют двухвалентное железо до трехвалентного, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты.

Сходство  и различие фотосинтеза  и хемосинтеза  Сходства: все это пластический обмен, из неорганических веществ делаются органические (из углекислого газа и воды – глюкоза).Различие: энергия для синтеза при фотосинтезе берется из света, а при хемосинтезе - из окислительно-восстановительных реакций.

Гетеротрофы Гетеротрофы получают органические вещества в готовом виде, с пищей. К гетеротрофам относятся животные, грибы и большинство бактерий.

Способы питания гетеротрофов 
1. Хищники – убиваю жертву, а затем съедают (лев, щука, оса). 
2. Паразиты – поедают живую жертву (вирус гриппа, туберкулёзная палочка, дизентерийная амеба, аскарида и т.п.) 
3. Cапрофиты (сапротрофы) – питаются мертвыми организмами (личинки мясных мух, плесневые грибы, бактерии гниения). 
4. Cимбионты – получают питание от другого организма на взаимовыгодной основе. Например:

Микориза (грибокорень) – симбиоз гриба и растения. Растение дает грибу глюкозу (которую  делает при фотосинтезе), а гриб дает растению воду и минеральные соли.  Лишайник – симбиоз грибов и водорослей. Водоросли дают грибу глюкозу, а гриб водорослям – соли и воду. Клубеньковые бактерии живут в специальных утолщениях (клубеньках) на корнях растений семейства бобовых. Растения дают бактериям глюкозу, а бактерии дают растениям соли азота, которые они получают при фиксации азота воздуха.

Понятие о среде обитания и экологических  факторах

Среда обитания организма - это совокупность абиотических и биотических условий его жизни. Свойства среды постоянно меняются, и любое существо, чтобы выжить, приспосабливается к этим изменениям.

Биотой  освоены три основные среды обитания: водная, наземно-воздушная и почвенная вместе с горными породами приповерхностной части литосферы. Выделяют также четвертую среду жизни - сами живые организмы, заселенные паразитами и симбионтами. Воздействие среды воспринимается организмами через посредство факторов среды, называемых экологическими. Экологические факторы - это определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм. Они подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные. Абиотическими называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди них различают физические, химические и эдафические.

Физические  факторы - их источником служит физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура, ветер, влажность, магнитное, электромагнитное, радиоактивное поля.

Химические  факторы - происходят от химического состава среды. Например, соленость воды, содержание кислорода, и т. п. Эдафические факторы, т. е. почвенные, - это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы, живущие в них.

Не только абиотические факторы влияют на организмы. Организмы образуют сообщества, где им приходится бороться за пищевые ресурсы, т. е. вступать в конкурентную борьбу между собой. Это уже факторы живой природы, или биотические факторы. Биотические факторы - совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания.  Внутривидовые взаимодействия между особями одного и того же вида складываются из группового и массового эффектов и внутривидовой конкуренции. Групповой эффект – объединение животных одного вида в группы по две или более особей, массовый – вызывается перенаселением среды. Эти эффекты называются демографическими факторами. Они характеризуют динамику численности и плотность групп организмов на популяционном уровне, в основе которой лежит внутривидовая конкуренция. Она проявляется в основном в территориальном поведении животных.

Межвидовые  взаимоотношения более разнообразны: нейтрализм – оба вида независимы и не оказывают никакого действия друг на друга; конкуренция - каждый из видов оказывает на другой неблагоприятное воздействие;

мутуализм - виды не могут существовать друг без друга; протокооперация (содружество) - оба вида образуют сообщество, но могут существовать и раздельно, хотя сообщество приносит им обоим пользу;

комменсализм - один вид, комменсал, извлекает пользу от сожительства, а другой вид - хозяин не имеет никакой выгоды (взаимная терпимость); аменсализм - один вид угнетает рост и размножение другого - аменсала;

паразитизм - паразитический вид тормозит рост и размножение своего хозяина и даже может вызвать его гибель;

хищничество - хищный вид питается своей жертвой. Антропогенные факторы – факторы, порожденные человеком и воздействующие на окружающую среду (загрязнение, эрозия почв, уничтожение лесов и т. д.), рассматриваются в прикладной экологии. Среди абиотических факторов выделяют климатические (температура, влажность воздуха, ветер и др.) и гидрографические - факторы водной среды (вода, течение, соленость и др.).

Большинство факторов качественно и количественно  изменяются во времени. Например, климатические - в течение суток, сезона, по годам (температура, освещенность и др.). Факторы, изменения которых во времени повторяются регулярно, называют периодическими. К ним относятся не только климатические, но и некоторые гидрографические - приливы и отливы, некоторые океанские течения. Факторы, возникающие неожиданно (извержение вулкана, нападение хищника и т. п.), называются непериодическuми.

 «Популяция - любая способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей одного и того же вида».

Популяция - именно та «ячейка» биоты, которая  является основой ее существования: в ней происходит самовоспроизводство живого вещества, она обеспечивает выживание вида благодаря наследственности адаптационных качеств, она дает начало новым популяциям и процессам видообразования, т. е. является элементарной единицей эволюционного процесса, тогда как вид есть его качественный этап.1. Структура популяции. Статические и динамические показатели.Статические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. Основные из них: численность, плотность, а также показатели структуры.Численность – общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Численность никогда не бывает постоянной и зависит от интенсивности размножения и смертности. Это связано с воздействием абиотических и биотических факторов среды на интенсивность роста и размножения.Плотность – число особей, или биомасса популяции, приходящихся на единицу площади или объема. Зависит от численности. При возрастании численности плотность не увеличивается лишь в том случае, если возможно увеличение ареала обитания.Популяция характеризуется определенной структурной организацией – соотношение групп по полу, возрасту, размеру, генотипу, распределением особей по территории и т. д. В связи с этим выделяют различные структуры популяций. Структура популяции формируется, с одной стороны, на основе общих биологических свойств вида, а с другой стороны, под влиянием факторов среды, то есть имеет приспособительный характер.Показатели структуры: половой – соотношение полов; размерный – соотношение особей различных размеров; возрастной – соотношение количества особей различного возраста в популяции.Половая структура – это соотношение в популяции особей разного пола. Соотношение полов зависит от действия различных факторов среды, генетических и  физиологических особенностей вида.Возрастная структура – соотношение особей разного возраста. Отражает интенсивность размножения, уровень смертности, скорость смены поколений.Генетическая структура - определяется изменчивостью и разнообразием генотипов, а также разделением популяции на группы генетически близких особей.Пространственная структура – это характер размещения и распределения отдельных членов и их группировок на популяционной территории (ареале). В популяции реализуется принцип территориальности: все особи и их группы обладают индивидуальным и групповым пространством, возникающего в результате физико-химического и поведенческого разобщения.Постоянную территорию называют ядром популяции, а временные поселения – пеиферией. Различают следующие типы пространственного размещения особей в популяции: а) равномерное, б) диффузное (беспорядочное), в) мозаичное.Экологическая структура – это подразделение популяции на группы особей, по разному взаимодействующих с факторами среды (группировки по питанию, поведению, двигательной активности).Динамические показатели популяции отражают процессы, протекающие в популяции з определенный промежуток времени. Основные из них: рождаемость, смертность и скорость роста популяции. Для характеристики динамических показателей популяции используют следующие обозначения:-N – число организмов;-t – время;-dN/dt – абсолютная скорость изменения числа организмов;-dN/Ndt – удельная скорость изменения числа организмов.Рождаемость (скорость рождаемости) – число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени в результате размножения. Различают максимальную и фактическую рождаемость. Максимальная рождаемость – максимальная реализация возможности рождения при отсутствии лимитирующих факторов среды. Фактическая рождаемость – реальная реализация возможности рождения.dN_n/dt – абсолютная рождаемость; dN_n/Ndt – удельная рождаемость.Смертность (скорость смертности) – число особей, погибших в популяции за единицу времени (от хищников, болезней, старости и других причин).Различают минимальную и максимальную смертность. Минимальная смертность – минимально возможная величина смертности. Фактическая смертность – реальная величина смертности.dN_m/dt – абсолютная смертность;dN_m/Ndt – удельная смертность.Скорость роста популяции – изменение численности популяции за единицу времени. Скорость роста может быть положительной, нулевой и отрицательной. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции (вселение –иммиграция и выселение – эмиграция). Увеличение (прибыль) численности происходит в результате рождаемости и иммиграции особей, а уменьшение (убыль) численности – в результате смертности и эмиграции особей.dN/dt – абсолютная (общая) скорость роста;dN/Ndt – удельная скорость роста.При отсутствии лимитирующих факторов среды удельная скорость роста равна величине r, которая характеризует свойства самой популяции и называется биотическим или репродукционным потенциалом. Его определяют по формуле:r = dN/Ndt или dN/dt = rN, где N - численность популяции; t - время.Характер увеличения численности популяции может быть различным. Выделяют несколько типов роста популяции:При полном отсутствии сопротивления среды наблюдается экспоненциальный рост популяции. В природных условиях рост популяции рано или поздно прекращается из-за факторов сопротивления среды, которые тем больше, чем больше численность популяции. Поэтому кривая роста принимает сигмовидную форму, подчиняясь логистической зависимости.

Рис. Кривые выживания.Выживаемость Z = (n/N)100%, где Z – выживаемость, %; n – число выживших особей; N – исходная численность популяции.I – кривая дрозофилы;II – кривая гидры;III – кривая устрицы.Кривая 1-го типа получается, когда смертность резко увеличивается лишь к концу жизни, а до этого времени остается низкой (насекомые, погибающие после кладки яиц, человек, некоторые крупные млекопитающие).Кривая 2-го типа (приближающаяся к прямой) характерна для видов, у которых смертность остается примерно постоянной в течение всей жизни (пресмыкающиеся, птицы, многолетние растения).Кривая 3-го типа характерна для видов, у которых наблюдается массовая гибель особей в начальный период жизни (организмы, выживающие за счет большого числа семян, личинок, икринок и т. д.).Экологическая стратегия выживания - стремление организмов к выживанию. Экологических стратегий выживания множество. Например, еще в 30-х гг. А. Г. Роменский (1938) среди растений различал три основные типа стратегий выживания, направленных на повышение вероятности выжить и оставить после себя потомство: виоленты, патиенты и эксплеренты. Виоленты (силовики) - подавляют всех конкурентов, например, деревья, образующие коренные леса. Патиенты – виды, способные выжить в неблагоприятных условиях (тенелюбивые,  солелюбивые и т. п.). Эксплеренты (наполняющие) - виды, способные быстро появляться там, где нарушены коренные сообщества,  - на вырубках и гарях (осины), на отмелях и т. д.

Экологические стратегии выживания отличаются большим разнообразием. Но при этом все их многообразие заключено между двумя типами эволюционного отбора, которые обозначаются константами логистического уравнения: r-стратеги и K-стратеги.r-стратеги – популяции из быстро размножающихся, но менее конкурентоспособных особей. Такие популяции быстро размножаются, но они малоустойчивы. К ним относятся бактерии, тли, многие однолетние растения и др.K-стратеги – популяции из медленно размножающихся, но более конкурентоспособных особей. Такие популяции населяют стабильные местообитания. К ним относятся человек, деревья и др.Однако нет ни одного вида, который бы подвергался только одному типу отбора, реальные стратегии представляют некоторую комбинацию этих двух типов.Факторы, регулирующие плотность популяции, делятся на:

-зависимые  (биотические), которые изменяются с изменением плотности;-независимые (абиотические) – постоянные при изменении плотности популяции.Популяция является саморегулирующейся системой, при которой на численности популяции сказывается изменение качества особей.Саморегуляция обеспечивается тремя механизмами торможения роста численности:1. при повышении плотности и частоте контактов между особями возникает стрессовое состояние, снижающее рождаемость и повышающее смертность;2. при повышении плотности усиливается миграция в новые места обитания, где условия менее благоприятные и возрастает смертность;3. при возрастании плотности происходит изменение генетического состава популяции – замена быстро размножающихся на медленно размножающихся особей.

Биоценоз – это организованная группа взаимосвязанных популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих совместно в одних и тех же условиях среды.

Пространство  с более или менее однородными  условиями, заселенное определенным биоценозом называют биотопом.

Видовая структура биоценоза характеризуется  видовым разнообразием и количественным соотношением  видов.

Видовое разнообразие – это число видов  в данном сообществе. Оно взаимосвязано  с разнообразием условий среды  обитания. Чем больше организмов найдут в данном биотопе подходящие для себя условия по экологическим требованиям, тем  больше видов в нем поселится.

Виды, которые  преобладают по численности, называют доминантными. Среди них есть такие, без которых другие виды существовать не могут. Их называют эдификаторами (лат. – строители). Они определяют микросреду (микроклимат) всего сообщества и их удаление грозит полным разрушением биоценоза. Как правило, эдификаторами выступают растения – ель, сосна, кедр, ковыль и лишь изредка животные (сурки).

Внутри  биоценоза существуют еще и особые структурные объединения – консорции. Консорция – группа разнородных организмов, поселяющихся на теле или в теле особи какого-либо определенного вида – центрального члена консорции, способного создавать вокруг себя особую микросреду. Другие члены консорции могут создавать более мелкие консорции и т. д., т.е. можно выделить консорции первого, второго, третьего и т.д. порядка. Следовательно, биоценоз – это система связанных между собой консорций. Чаще всего центральными членами консорций являются растения.

«Второстепенные» виды – малочисленные и даже редкие – тоже очень важны в сообществе. Их преобладание – это гарантия устойчивого развития сообществ. В наиболее богатых биоценозах практически все виды малочисленны, но чем беднее видовой состав, тем больше видов доминантов.

Наиболее  благоприятные условия для существования  множества видов характерны для  переходных зон  между сообществами, которые называют экотонами, а тенденцию к увеличению здесь видового разнообразия называют краевым эффектом.

Экотон  богат видами прежде всего потому, что они попадают сюда из всех приграничных сообществ, но, кроме того, он может  содержать и свои характерные  виды, которых нет в таких сообществах. Пример –  лесная «опушка», на которой  богаче растительность, больше птиц, насекомых и т. п., чем в глубине леса.

Выделяют  богатый и бедный биоценоз. Принципы соотношения между условиями  существования и числом видов  в биоценозе следующие:

-Принцип разнообразия: чем разнообразнее условия существования в пределах биотопа, тем больше видов в данном биоценозе;

-Принцип отклонения условий: чем больше отклонение от нормальных условий существования в пределах биотопа, тем беднее видами становится биоценоз и тем многочисленней каждый вид;

-Принцип плавности изменения среды: чем более плавно изменяются условия среды в биотопе, и чем дольше он остается неизменным, тем богаче видами биоценоз и тем более он уравновешен и стабилен.

Пространственному распределению видов характерно ярусное строение (в вертикальном направлении), что позволяет более полно использовать световой поток, и мозаичность – изменение растительности и животного мира по горизонтам. Мозаичность зависит от разнообразия видов, количественного их соотношения, от изменчивости ландшафтных и почвенных условий. Также может возникнуть искусственно – в результате вырубки лесов, где формируется новое сообщество.

Любая популяция и вид занимает определенное местообитание и определенную экологическую  нишу.

Местообитание – это территория или акватория, занимаемая популяцией и видом, с комплексом присущих ей экологических факторов. Местообитание вида является компонентом его экологической ниши.

Экологическая ниша – место вида в природе, включающее его положение в пространстве, его функциональную роль в сообществе и отношение к абиотическим условиям. Образно можно сказать, что местообитание – это адрес вида, а экологическая ниша – это «профессия» вида.

Под экологической  нишей следует понимать образ  жизни и прежде всего способ питания  организма. Чтобы охарактеризовать экологическую нишу вида, необходимо знать, чем он питается и кто его поедает, способен ли он к передвижению и как он воздействует на другие элементы сообщества.

Экологическую нишу, определяемую только физиологическими особенностями организмов, называют фундаментальной, а ту, в пределах которой вид реально встречается в природе - реализованной. Реализованная ниша – это та часть фундаментальной ниши, которую данный вид или популяция в состоянии «отстоять» в конкурентной борьбе.

Не существует двух различных видов, занимающих одинаковые экологические ниши. Виды, занимающие сходное положение в экологической нише, могут замещать друг друга.

Разделение между  видами пространства и ресурсов называют дифференциацией (расхождением) экологической ниши. Биологический смысл дифференциации ниш – снижение конкуренции и возможность сосуществования различных видов.

Изменения в экосистемах могут быть циклическими и поступательными.

Циклические изменения – периодические изменения в биоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценоз возвращается к исходному состоянию.

Суточные  циклы связаны с изменением освещенности, температуры, влажности и других экологических факторов в течение  суток и наиболее резко выражены в условиях континентального климата. Суточные ритмы проявляются в изменении состояния и активности живых организмов.

Сезонная  цикличность связана с изменением экологических факторов в течение  года и наиболее сильно выражена в  высоких широтах, где велик контраст зимы и лета. Сезонная изменчивость проявляется не только в изменении состояния и активности, но и в количественном соотношении отдельных видов. На определенный период многие виды выключаются из жизни сообщества, впадая в спячку, оцепенение, перекочевывая или улетая в другие районы.

Многолетняя изменчивость связана с флуктуациями (колебаниями)  климата или другими  внешними факторами (степень разлива  рек), либо с внутренними причинами (особенности жизненного цикла растений, повторения массового размножения  животных).

Поступательные изменения – изменения в биоценозе, в конечном счете, приводящие к смене этого сообщества другим.

Энергетика  и продуктивность экосистем

Солнечная энергия через растения передается всем организмам. Между организмами устанавливаются прочные пищевые взаимоотношения. В результате возникают цепи питания.

Пищевой (трофической) цепью называется ряд  живых организмов, в которых одни организмы поедают предшественников по цепи и, в свою очередь, оказываются  съеденными теми, кто следует за ними. 

Продуценты           Консументы             Консументы           Редуценты 

(растения)      →     1-го порядка     →   2-го порядка    →  (микроорганизмы,

                                (травоядные)           (хищники)               грибы) 

Рисунок. Упрощенная схема цепи питания

Место каждого звена в пищевой цепи называют трофическим уровнем. 1-й  трофический уровень – продуценты.

Энергетические  затраты связаны прежде всего  с дыханием, движением, размножением, поддержанием температуры тела. Потери энергии составляют примерно 90%: на каждый следующий уровень передается не больше 10% от предыдущего уровня.

Общее количество органического вещества (биомассы), производимое популяцией или  сообществом в единицу времени  на единицу площади называют биологической продуктивностью экосистемы. При этом различают первичную продукцию, производимую в процессе фотосинтеза автотрофами, и вторичную – биомассу, полученную гетеротрофами за единицу времени.

Самыми  продуктивными биогеоценозами являются

-среди наземных – тропические дождевые леса (min – пустыни и тундры)

-среди  морских – дельты рек и морские  побережья.

Все живые  компоненты экосистемы (продуценты, консументы, редуценты) составляют общую биомассу сообщества. Биомассу выражают в единицах массы (веса) живого вещества на единицу площади (г/м², кг/га) можно выразить и в энергетических единицах (ккал, Дж).

На суше преобладает биомасса зеленых растений (фитомасса) – 99%, в океане – животные и микроорганизмы – 93,7%.

Сукцессия – последовательная смена биоценозов, преемственно возникающая на одной и той же территории под влиянием природных факторов или воздействия человека. К сукцессиям относятся опустынивание степей, зарастание озер и образование болот и др.

Сукцессионный ряд или серия – это цепь сменяющих друг друга биоценозов. Различают сукцессии первичные и вторичные. Первичная – которая начинается на абсолютно лишенном жизни месте. Вторичная – сформированная на месте, где ранее существовал хорошо развитый биоценоз.

Если  сукцессионные изменения определяются внутривидовыми взаимодействиями, это  говорят об аутогенная (самопорождающаяся) сукцессии. В случае воздействия со стороны внешних сил (штормы, пожары, антропогенное воздействие) сукцессия аллогенная (порожденная извне).

В своем  развитии экосистема стремится к  устойчивому состоянию. Сукцессионные  изменения происходят до тех пор, пока не сформируется стабильная экосистема, производящая максимальную биомассу на единицу энергетического потока. Сообщество, находящееся в равновесии с окружающей средой, называется климаксным.

Трофическую структуру экосистемы можно изобразить графически в виде пирамиды. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, последующие этажи и вершину  образуют консументы.

Эффект  пирамиды разработал Элтон (1927). Существуют 3 основных вида:

1) пирамида  численности – отражает количество  отдельных организмов по пищевым  цепям, причем численность особей  при движении от продуцентов  к консументам различного порядка значительно уменьшается;

2) пирамида  биомасс – показывает соотношение  различных организмов по пищевым  цепям в данной экосистеме, причем  суммарная  масса продуцентов  выше, чем консументов различного  порядка. Это справедливо для  сухопутных экосистем. Для экосистем океана она имеет перевернутый характер. Причина этого – резкие различия продолжительности жизни организмов сравниваемых уровней. Первый уровень (продуценты) представлены в основном фитопланктоном с крайне коротким периодом жизни (несколько дней или часов), второй – более долгоживущими, они накапливают биомассу годами и десятилетиями;

3) пирамида  энергии (продукции) – носит  универсальный характер – показывает  изменение энергии на последовательных  трофических уровнях.

Стабильность – способность экосистем сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии внешних факторов. Устойчивость – способность экосистем возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после воздействия факторов, выводящих ее из равновесия. Упругая система способна воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры и свойств. Вместе с тем при определенных (запороговых) воздействиях такая система обычно разрушается или переходит в новое качество. Пластичная система более чувствительна к воздействиям, но затем относительно быстро возвращается в исходное или близкое к исходному состояние при прекращении или уменьшении силы воздействия. Способность биологических систем (организмов, популяций, экосистем) противостоять изменениям условий среды и сохранять равновесие называется гомеостазом (от греч. неподвижность, стояние). Для управления экосистемами не требуется регуляция извне – это саморегулирующаяся система. Это проявляется в удерживании основных параметров стабильными во времени и пространстве. Способность к саморегулированию подчиняется принципу Ле-Шателье: если на систему оказано воздействие извне, то в ней усиливаются процессы, ослабляющие это воздействие. В экосистемах поддерживается относительное постоянство видового и численного состава, осуществляется круговорот биогенных элементов.

Существование любой экосистемы (биогеоценоза) подчиняется  закону оптимальности: никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности и с наибольшей эффективностью функционирует в некоторых пространственно-временных пределах.

По современным  представлениям, биосфера - это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Эти представления  базируются на учении В. И. Вернадского (1863-1945) о биосфере как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.

По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает живое вещество (т. е. все живые организмы), биогенное (уголь, известняки, нефть и др.), косное (в его образовании живое не участвует, например магматические горные породы), биокоснqе (создается с помощью живых организмов), а также радиоактивное вещество, вещество космического происхождения (метеориты и др.) и рассеяные атомы. Bcе эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой.

Сущность  учения В. И. Вернадского заключена  в признанuи  исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. Суммарный результат его деятельности за геологический период времени огромен. По словам В. И. Вернадского, «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Вторым  главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского  является разработанное им представление  об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм, - писал В. И. Вернадский, имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему».

В. И. Вернадский обосновал также важнейшие представления о формах превращения вещества, путях биогенной миграции атомов, т. е. миграции химических элементов при участии живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др. 

Важнейшей частью учения о биосфере В. И. Вернадского являются представления о ее возникновении и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов - цианобактерий и сине-зеленьrх водорослей (прокариотов), а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.

Параллельно развивались и гетеротрофы, и  прежде всего животные. Главными датами их развития являются выход на сушу и заселение материков (к началу третичного периода) и, наконец, появление человека.

В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Вначале  сформировалась литосфера - предвестник  окружающей среды, а затем после появления жизни на суше биосфера.

2. В  течение всей геологической истории  Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т. е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

3. Живые  организмы - главный фактор миграции  химических элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью» (В. И. Вернадский, 1934).

4. Грандиозный  геологический эффект деятельности  организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.

      5. Основным движущим фактором развития  процессов в биосфере является  биохимическая энергия живого  вещества.

Экологическими  проблемами Земли занимается глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема.

Социальная  экология изучает взаимоотношения  в системе «человеческое общество – природа», и ее часть – экология человека (антропоэкология) рассматривает взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

Современная экология тесно связана с политикой, экономикой, правом, психологией и  педагогикой, так как только в  союзе с ними можно выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющим поведение людей по отношению к природе.

С научно-практической точки зрения экологию делят на теоретическую  и прикладную. Теоретическая экология вскрывает общие закономерности организации жизни. Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способов предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.

Наиболее  полно влияние экологических  факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности.

В природе  все факторы воздействуют на организм одновременно. Однако влияние каждого фактора на организм не одинаково.

Фактор, уровень которого в качественном или количественном отношении оказывается  близким к пределам выносливости данного организма, называется лимитирующим (ограничивающим) фактором.

Интенсивность экологического фактора, наиболее благоприятная  для жизнедеятельности организма, называется оптимумом, а наименее благоприятный – пессимумом. Для каждого организма есть свой оптимум и пессимум.

Какими  бы разными ни были экологические факторы, результаты их действия экологически сравнимы, поскольку они всегда выражаются в изменении жизнедеятельности организмов (рис.).

Искусственная среда также требует адаптации к себе, которая происходит через болезни. В этом случае причины болезни: гиподинамия, переедание, информационное изобилие, психоэмоциональный стресс. С медико-биологических позиций наибольшее влияние социально-экологические факторы оказывают на следующие тенденции: 1) процесс акселерации; 2) нарушение биоритмов; 3) аллергизация населения; 4) рост онкологических заболеваний и смертности; 5) отставание физиологического возраста от календарного; 6) возврат инфекционной патологии; 7) абиологическая тенденция в организации жизни и др. Эти тенденции наиболее рельефно проступают в условиях городской среды.

Акселерация – ускорение развития отдельных органов или частей организма по сравнению с биологической нормой. В нашем случае это увеличение размеров тела и более раннее половое созревание. Как полагают, это эволюционный переход в жизни вида, вызванный улучшающимися условиями жизни: хорошее питание, «снявшее» лимитирующее действие пищевых ресурсов, что спровоцировало процессы отбора, ставшие причиной акселерации.

Нарушение биологических ритмов – важнейшего механизма регуляции функций биологических систем, в условиях городской жизни может быть вызвано появлением новых экологических факторов, например, электроосвещение, продлившее световой день. Происходит переход к новому ритмическому стереотипу, что вызывает болезни у человека и у представителей биоты города вследствие нарушения фотопериода.

Аллергизация  населения – одна из основных новых черт в измененной структуре патологии людей в городской среде. Аллергия повышенная (извращенная) чувствительность или реактивность организма к тому или иному веществу, так называемому аллергену. Причина аллергических заболеваний (бронхиальная астма, крапивница и др.) в нарушении иммунной системы человека, которая эволюционно находилась в равновесии с природной средой. Городская среда характеризуется резкой сменой факторов и появлением новых веществ – загрязнителей, давление которых ранее иммунная система человека не испытывала.

Онкологическая  заболеваемость и  смертность – одна из наиболее показательных медицинских тенденций неблагополучия в данном городе или, например, в зараженной радиацией сельской местности. Эти заболевания вызваны опухолями. Они могут быть доброкачественные (уплотняющие или раздвигающие окружающие ткани) и злокачественные (прорастающие в окружающие ткани и разрушающие их). Разрушая сосуды, они попадают в кровь и разносятся по организму, образуя метастазы. Доброкачественные опухоли метастаз не образуют.

Заболевание может возникнуть в результате длительного  контакта с определенными продуктами: рак легких у рудокопов урановых рудников, рак кожи у трубочистов и т. п. Это заболевание вызывается канцерогенными веществами.

Канцерогенные вещества - химические соединения, способные вызвать злокачественные и доброкачественные новообразования в организме. Их известно несколько сот. Многие канцерогены содержатся в загрязненном промышленными выбросами воздухе, в табачном дыме и др. Опухоли также вызывают опухолеродные вирусы и некоторые виды излучений (УФ, радиоактивное).

В экономически развитых странах смертность от рака стоит на втором месте после сердечно-сосудистых заболеваний. Имеется четкая зависимость между раковыми заболеваниями и экологической обстановкой, т. е. качеством окружающей среды. Вообще рак возникает в результате разбалансирования организма, и поэтому вызвать его может любой фактор среды или их комплекс, способные привести его в разбалансированное состояние. Например, вследствие превышения верхней пороговой концентрации загрязнителей воздуха, питьевой воды, токсичных химических элементов в рационе питания и т. п.

Современное состояние человека как биологического вида характеризуется еще целым  рядом медико-биологических тенденций, связанных с воздействием антропогенно-экологических  факторов: рост близорукости и кариеса у школьников, возрастание удельного веса хронических заболеваний, появление ранее неизвестных болезней.

Инфекционные  болезни широко распространены, особенно в городах. Огромное количество людей поражены малярией и гепатитом. Снова широко распространен туберкулез. Заболеваемость возросла даже в развитых странах из-за возникшей устойчивости к антибиотикам, обеднения и большой плотности населения в городах. Многие инфекционные болезни получили распространение, когда основная масса населения сосредоточилась в городах.

Абиологические  тенденции, под которыми понимаются такие черты образа жизни человека, как гиподинамия, курение, наркомания и др., тоже являются причиной многих заболеваний: ожирение, рак, кардиологические болезни и др. К этому ряду относится  и стерилизация среды – фронтальная борьба с вирусно-микробным окружением, когда вместе с вредными уничтожаются и полезные формы живого окружения человека.

Под антропогенным воздействием понимают деятельность человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в окружающую природную среду.

Подавляющая часть антропогенных воздействий  носит целенаправленный характер, т. е. осуществляется человеком сознательно во имя достижения конкретных целей. Существуют и антропогенные воздействия стихийные, непроизвольные, имеющие характер последействия. Например, к этой категории воздействий относятся процессы подтопления территории, возникающие после ее застройки, и др.

По своей  природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными.

Главным видом отрицательного воздействия  человека является загрязнение биосферы. Под загрязнением понимают поступление в окружающую среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем.

Загрязнения различают:

1) по  объектам: загрязнение поверхностных  и подземных вод, атмосферного воздуха, почв и т.д.

2) по  видам: химическое, физическое и  биологическое загрязнение.

3) по  масштабам и распространению:  локальное (местное), региональное, глобальное.

Под видами загрязнений понимают также любые  нежелательные для экосистем  антропогенные изменения:

а) ингредиентное (минеральное и органическое) загрязнение как совокупность веществ, чуждых естественным биогеоценозам (бытовые стоки, ядохимикаты, продукты сгорания, отходы металлургии и других промышленных предприятий)

б) параметрическое, связанное с изменениями качественных параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное, электромагнитное)

в) биоценотическое, вызывающее нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная акклиматизация видов, нарушение баланса популяций, отлов, отстрел)

г) стациально-деструкционное (стация – место обитания популяции, деструкция – разрушение), связанное с разрушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (урбанизация, эрозия почв, опустынивание, пожары, вырубка лесов).

Источниками загрязнений могут быть как промышленные предприятия, теплоэнергетика, сельскохозяйственное производство и другие технологии, так и природные загрязнители, в частности, пыльные бури, вулканический пепел, селевые потоки.

Газовая оболочка Земли – атмосфера, состоит  в основном из 4-х компонентов  азота (N₂) - 78,081% по объему, кислорода (O₂) – 20,946%, диоксида углерода (CO₂) – 0,03%, и аргона (Ar) – 0,934%.

Остальные примеси и ксенокомпоненты (временные  примеси) составляют не более 0,003%. Содержание воды в атмосфере зависит от условий  и является переменной величиной. Атмосфера  играет роль защитной тепловой оболочки, предохраняющей Землю от резких перепадов температур (суточный перепад на Луне без атмосферы до 150-200^оС), воздействия космического излучения, ультрафиолета, ну и, конечно, - это основа жизни.Источники загрязнения атмосферного воздуха природного и антропогенного происхождения.По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на:1) газообразные (СО₂, NO, NO₂, CO, углеводороды);

2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей…);3) твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая  и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества).Главными загрязнителями атмосферного воздуха, образующимися в процессе деятельности человека, являются диоксид серы (SO₂), оксид углерода (СО), оксиды азота и твердые частицы. На их долю приходится примерно 98% в общем объеме выбросов вредных веществ.Влияние поллютантов на здоровье человека:1. Оксид углерода (СО) – бесцветный газ, без запаха. Препятствует адсорбированию кровью кислорода, что ослабляет мыслительные способности, замедляет рефлексы, вызывает сонливость и может быть причиной потери сознания и смерти. 2. Оксиды азота (NO, NO₂). Могут увеличивать восприимчивость организма к вирусным заболеваниям (типа гриппа), раздражают слизистую оболочку и легкие, вызывают бронхит и пневмонию.3. Диоксид серы – бесцветный газ, с удушливым запахом. Соединяясь с влагой, образует серную кислоту, которая разрушает легочную ткань человека и животных.4. Особо опасное действие на живые организмы оказывает бенз(а)пирен – непредельный углеводород, который связывает гемоглобин крови, вызывая выраженное нарушение нервной системы и мочеполовой сферы. Его появление очень вероятно во всех случаях, где не полностью сгорает органическое топливо: от работы двигателей до тления сигарет, металлургических, литейных, коксохимических производств.5. Примерно также действует на организм человека формальдегид, но он на несколько порядков менее токсичен.Неблагоприятные последствия связаны и с такими незначительными по объему выбросами, как свинец, кадмий, мышьяк, кобальт и т.д. Они угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают сопротивление организма.Пыль, содержащая соединения свинца и ртути, обладает мутагенными свойствами и вызывает генетические изменения в клетках организма.Особенно опасны те загрязнения среды, которые наносят безусловно большой вред человеку, и борьба с которыми пока еще недостаточно эффективна. К таким загрязнениям обычно относят диоксины.Диоксины являются типичными и очень стойкими ксенобиотиками, то есть веществами, неприемлемыми для живых организмов. Они способны легко проникать в ядра клеток живых организмов, вызывая, с одной стороны, ускоренное разрушение гормонов, витаминов, лекарств и других веществ, а с другой – активацию канцерогенов, нейротоксических ядов и даже превращение многих безвредных соединений в чрезвычайно токсичные. При хроническом отравлении малыми дозами отмечается дискомфорт, снижение трудоспособности, авитаминоз, развитие иммунодефицита, нарушение нервной, психической деятельности и репродуктивных функций.Диоксины часто называют «химическим СПИДом», они появляются везде, где хлор вступает в контакт с каким-либо органическим соединением. Например, при сжигании полимерных материалов, пластиков, техногенной (пропитанной синтетическими клеями, пестицидами и т. п.) древесины, резины и т. д. Очень опасны сжигание мусора, листьев и т. п Избыточное хлорирование воды – важный источник диоксинов в быту.По данным Б. Коммонера, в США сталевары болеют раком легких в 3,29 раза больше остальных работающих, туберкулезом – в 1,41 раза (из-за выбросов SO₂); доменщики – раком – в 2,04 раза (бензапирен); работающие с асбестом болеют раком кожи в несколько раз чаще остальных.В зависимости от характера загрязняющих веществ, в атмосфере развиваются следующие процессы:

1. парниковый  эффект;2. разрушение озонового слоя;3. «аэрозольный эффект» - снижение температуры земной поверхности в результате содержания в атмосфере пылевидных частиц, создающих так называемые аэрозоли (дымы, пыли, туманы, смог). Твердые частицы отражают солнечный свет, не пропуская его к поверхности Земли.

Смог – это ядовитая смесь дыма, тумана и пыли.

Различают два типа смога:-зимний смог (Лондонский тип);-летний смог (Лос-Анджелеский тип).

Лондонский  тип возникает зимой в крупных промышленных городах при неблагоприятных условиях (то есть отсутствии ветра и температурной инверсии (которая проявляется в повышении температуры воздуха с высотой, обычно в слое атмосферы 300-400 м от поверхности Земли). В 1952 году в Лондоне от смога с 3 по 9 декабря погибло более 4 тысяч человек и 10 тысяч заболели. В 1962 году в Руре (ФРГ) смог убил за три дня 156 человек.Лос-Анджелеский тип (или фотохимический) возникает летом при интенсивном воздействии солнечной радиации на воздух, перенасыщенный выхлопными газами автомобилей. В Токио в 1970 году получили отравление 10 тысяч человек, в 1971 – 28 тысяч человек.4. «Кислотные» дожди.К этому приводит попадание в атмосферу оксидов серы и оксидов азота, которые, соединяясь с влагой, образуют H₂SO₄ и HNO₃. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (рН 5,6). Кислотные дожди влияют на структуру почв, приводят к гибели растения, почвенные и водные организмы.5. Загрязнение катионами тяжелых металлов.6.Загрязнение органическими веществами, в том числе канцерогенного (вызывающего рак) и мутагенного действия (влияющего на наследственность).

7. Загрязнение  радиоактивными веществами, попадающими  в атмосферу при испытании  ядерного оружия и при авариях  АЭС. Приводит к онкологическим  заболеваниям.

озон – сильный  окислитель, поэтому им обеззараживают питьевую воду, очищают воздух от болезнетворных актерий, используют для получения органических кислот (уксусной, лимонной, валерьяновой). В последнее время перемены, связанные с погодой, «сваливают» на появление в озоновом слое так называемых озоновых дыр. Озоновый слой состоит из молекул озона и находится в стратосфере на высоте 20–25 км. Разрушение озонового слоя связано с возрастающим антропогенным воздействием, в том числе широким использованием в промышленности и быту хлорсодержащих хладонов (фреонов), аэрозолей, пестицидов и др. Разрушение озонового слоя приводит к величению доз ультрафиолетового излучения у поверхности Земли, которое обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул. Это может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и ослабление иммунной системы.Как только существование “озоновой дыры” стало научным фактом, естественно возник вопрос: А какова же её природа? И через некоторое время появились две гипотезы – антропогенная фотохимическая и метеорологическая. Сторонники первой гипотезы считали, что уменьшение озонового слоя результат антропогенного загрязнения атмосферы. Озоновая дыра имеет чисто метеорологическое происхождение и связана со спецификой динамического режима стратосферы в Антарктике, – утверждали риверженцы второй гипотезы. Важным моментом этой гипотезы было существование внутри устойчивого циклона (так называемого циркумполярного вихря), висящего зимой и большую часть весны над Антарктикой, направленных вверх (восходящих) вертикальных движений.У каждой из гипотез были свои плюсы и минусы. В рамках антропогенной концепции было трудно ответить на вопрос о том почему “дыра” (если она отражает общую тенденцию все возрастающего загрязнения атмосферы) наблюдается лишь над Антарктикой и только весной. А сторонникам метеорологической природы “дыры” было трудно объяснить, почему последняя не наблюдалась до начала 80-х годов и почему в 80-х она появилась и стала усиливаться год от года.В октябре 1987 года были получены данные, которые показали, что к антропогенному загрязнению атмосферы явление “озоновой дыры” имеет самое прямое отношение. Все сказанное выше означает, прежде всего, борьбу с увеличением количества озона в тропосфере и с выбросом хлорсодержащих веществ (особенно фреонов, угрожающих стратосферному озону).

Рассмотрим некоторые  проблемы, связанные с разрушением  озона и пути их решения.

1. Выхлопы автомобилей.а) замена топлива в существующем автомобильном транспорте на экологически более чистое.б) переход на другие источники энергии (например, электромобили, использование солнечной энергии).Загрязнение хлорфторуглеводородами (холодильная техника, аэрозоли).а) Переход от долгоживущих фреонам на короткоживущие (меньше года).б) снижение, а затем и полное прекращение производства и использования фреонов.Химические удобрения.Сжигание промышленного топлива.

а) Переход  на экологически чистую энергетику.Ядерные  взрывы.Выброс отработанных газов при  полетах высотных самолетов и  крупных ракет.Добыча нефти и природного газа.

Круговорот  углерода: основное нарушение циклов углерода связано с высвобождением его из горючих ископаемых, известняка, а также в результате изменения площадей и продуктивности лесных и  других растительных сообществ. Часть этого углерода накапливается в атмосфере в форме углекислого газа и метана, и появ. парниковый эффект.

36. Эвтрофикация и  ее причины

Экологические последствия загрязнения вод  выражаются в следующих процессах:

1. Нарушение устойчивости экосистем.

2. Прогрессирующая  эвтрофикация.

Эвтрофикация (греческий «хорошее питание») –  обогащение вод биогенными элементами в виде удобрений, моющих веществ, отходов  животноводства и т. д., а также  в результате старения. Это сопровождается повышением продуктивности, богатой растительностью, обильным планктоном, вызывает «цветение» воды, что приводит к дефициту кислорода, замору рыб и всего живого.

3. Накопление  химических токсикантов в биоте.

4. Снижение  биологической продуктивности.

5. Возникновение  мутагенеза и канцерогенеза.

6. Микробиологическое  загрязнение.

7. Истощение  поверхностных водных ресурсов  и дефицит пресной воды.

Причинами кислотных дождей является выброс в  атмосферу таких веществ, как диоксид азота и оксид серы. В природе их источниками являются лесные пожары и вулканы, но гораздо большее количество выделяется в результате человеческой деятельности. Выбросы происходят тепловыми электростанциями, металлургическими заводами, автомобилями, сельским хозяйством, интенсивно использующим удобрения, содержащие азот. Оксиды серы и азота, соединяясь в атмосфере с молекулами воды, образуют различные кислоты: азотную, азотистую, серную и сернистую.

Окисление водоемов приводит к их заболачиванию, гибели водных обитателей. Тем самым разрывается пищевая цепь, начинающаяся в водной экосистеме. Закисление почв приводит к растворению питательных веществ, а также к выщелачиванию тяжелых металлов, которые впоследствии переходят в растения, приводя к гибели или деградации. Употребление таких растений в пищу также может принести вред здоровью человека. Также значительный риск для здоровья человек получает при использовании воды, т.к. кислотные дожди высвобождают из горных пород и минералов такие тяжелые металлы как ртуть, алюминий и свинец, которые затем попадают в грунтовые воды. Накапливаясь в организме они пагубно влияют на почки, печень, ЦНС, органы дыхания, могут вызывать болезнь Альцгеймера и онкологические заболевания. Спустя многие годы после отравления у потомков могут наблюдаться генетические заболевания.

Непосредственное  вредное воздействие кислотные  дожди оказывают на леса. Они нарушают верхний поверхностный 

слой  листьев, вследствие чего происходит разрушение хлорофилла и иссушение. Больше всего страдают хвойные и дубовые леса. На начальных стадиях подкисление почв азотокислыми дождями может усилить развитие растительности, но при постоянном процессе подкисления происходит угнетение растительности и провоцируется развитие лесных вредителей.

Кислотные дожди разрушают архитектурные  памятники. Со временем человечество может  лишиться культурного наследия, т.к. многие древние здания и сооружения построены из известняка. Кислотные  осадки также причиняют ущерб  зданиям из бетона, стекла и металла.

Загрязнение вод проявляется:

-в изменении  физических и органолептических  свойств (прозрачность, цвет, запах,  вкус);

-увеличение  содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов;

-сокращение  растворенного в воде кислорода воздуха;

-появление  радиоактивных элементов и болезней  водных бактерий.

Загрязнение вод могут вызывать более 400 видов  веществ. Наиболее часто встречается  химическое и бактериальное загрязнение, реже радиоактивное, механическое и тепловое.

Химическое  загрязнение – наиболее стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть:

-органическим (фенолы, СПАВ, пестициды, нафтеновые  кислоты и др.);

-неорганическим  (соли, кислоты, щелочи).

Микробиологическое  загрязнение это патогенные бактерии, вирусы, простейшие, грибы.

Радиоактивное загрязнение. Наиболее вредны радиоактивные элементы, обладающие способностью к передвижению в воде. Это стронций-90, уран, радий-226, цезий-137 и др.

Механическое  загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей: песка, шлама, ила, мусора (твердые отходы), которые значительно ухудшают органолептические показатели воды.

Тепловое  загрязнение связано с повышением температуры воды в результате ее смешивания с поверхностными слоями и технологическими линиями. При этом происходит изменение газового и химического состава вод, размножение анаэробных бактерий, водорослей и выделение ядовитых газов – сероводорода, метана.

Основными источниками загрязнения поверхностных  вод являются:

1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод;

2) смыв  ядохимикатов ливневыми осадками;

3) газодымовые  выбросы;

4) утечка  нефти и нефтепродуктов.

Источниками загрязнения подземных вод различны:

-при  просачивании промышленных и  хозяйственно-бытовых стоков из  хранилищ, прудов-накопителей, отстойников;

-карстовые  воронки и т. д. (Карст – геологические  явления, связанные с растворением  горных пород и образованием  при этом подземных пустот  и сопровождаемое провалом земной  поверхности).

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой круговорот веществ обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму - источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Символом круговорота вещества является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям. Большой круговорот - это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды.Круговорот воды играет основную роль в формировании природных условий на планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Биогеохимический круговорот представляет собой обмен макро- и микроэлементов и протых неорганических веществ (СО2, Н2О) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм, и т. д. Такие элементы называют биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций:1.газовая - основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы - продукт

Биогеохимические  циклы фосфора  и серы, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде земной коры. Это типичные осадочные биогеохимические циклы. Они легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры нa поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде апатита.Общий круговорот фосфора можно разделить на две части - водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка - морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море.Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.

В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв и далее он распространяется по трофической сети.

Возвращается в почву после отмирания животных и растений. Теряется фосфор из почв в результате  водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно. Надо стремиться избежать этих потерь.Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но в отличие от фосфора у нее есть резервный фонд и в атмосфере. В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие - окислители.В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в растворах - в форме иона (SO₄^2-), в газообразной фазе в виде сероводорода (Н₂S) или сернистого газа (SO₂). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S₂) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до Н₂S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями.Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, образуются азотистые высокотоксичные соединения и др.

Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического  круговорота веществ в природе. Но, являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех уровней, поэтому первоочередное

Литосфера – это твердая оболочка Земли (глубиной 50 – 200 км).

Основными составляющими литосферы являются: 1 – почва, 2 – горные породы и  их массивы, 3 – недра.

В наибольшей степени деградируют почвы. Основные виды антропогенного воздействия на почвы:

1) эрозия (ветровая и водная),

2) загрязнение,

3) вторичное  засоление и заболачивание,

4) опустынивание,

5) отчуждение  земель для промышленного и  коммунального строительства.

Эрозия  почв (от латинского erosio – разъедание) – разрушение и снос верхних плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными.

Существует  следующее подразделение источников загрязнения почвы:

1. Жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязняющих веществ преобладают бытовой мусор, пищевые отходы, строительный мусор, отходы отопительных систем, пришедшие в негодность предметы домашнего обихода; мусор общественных учреждений, больниц, столовых, гостиниц, магазинов и др.

2. Промышленные предприятия. В твердых и жидких промышленных отходах постоянно присутствуют те или иные вещества, способные оказывать токсическое воздействие на живые организмы и их сообщества. Например, в отходах металлургической промышленности обычно присутствуют соли цветных и тяжелых металлов. Машиностроительная промышленность выводит в окружающую среду цианиды, соединения мышьяка, бериллия, при производстве пластмасс и искусственных волокон образуются отходы бензола, фенола и другие соединения.

3. Теплонергетика. Помимо образования массы шлаков при сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в атмосферу сажи, несгоревших частиц, окислов серы, в конечном итоге оказывающихся в почве.

4. Сельское хозяйство. Удобрения, ядохимикаты, применяемые для борьбы с вредителями, болезнями, сорняками.

5. Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, углеводороды и другие вещества, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые растениями. В последнем случае эти вещества также оказываются в почве, вовлекаются в природные круговороты, связанные с пищевыми цепями.

Самоочищение  почв происходит очень медленно, или  практически не происходит. Токсичные  вещества накапливаются, из почвы они могут попасть в организмы животных и людей.

В почвах накапливается ряд металлов. Например, суммарные неконтролируемые выбросы  ртути составляют 4-5 тыс. т в год, а из каждой тонны добываемого  свинца до 25 кг поступает в окружающую среду. В конечном итоге соединения свинца с осадками попадают в почву и водоемы.

Радиоактивные элементы попадают в почву при  удалении жидких и твердых отходов, а также с осадками после различных  аварий.

Опустынивание – это процесс необратимого изменения почвы и растительности и снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню.

Отчуждение  земель происходит при использовании земель для не сельскохозяйственных нужд: для строительства, при прокладке дорог, при открытой разработке месторождений полезных ископаемых и т. д.

К числу  основных антропогенных воздействий  на породы относятся:

-статические  нагрузки от зданий и сооружений, достигающих 2 МПа и более; 

-динамические нагрузки, то есть вибрации, удары, толчки, взрывы;

-тепловое  воздействие (при подземной газификации  углей, в основании доменных  и мартеновских печей;

электрическое воздействие, при этом искусственное  поле порождает блуждающие токи и  поля.

При воздействии на массивы горных пород развиваются такие процессы, как оползни, карст, подтопление, вечная мерзлота, эндогенные геодинамические процессы (землетрясения и вулканизм).

Оползни – скольжение горных пород вниз по склону под действием собственного веса.

Карст – растворение горных пород в результате образования подземных пустот и провалов земной поверхности.

Недрами называют верхнюю часть земной коры, в пределах которой возможна добыча полезных ископаемых.

При освоении недр в литосфере происходит:

-изменение рельефа местности (карьерные выемки, терриконы (пустоты шахт), отвалы и др.);

-активизация  опасных геологических процессов  (карст, оползни), оседание и сдвижение  горных пород;

-изменение  физических полей, особенно в  районах вечной мерзлоты;

-химическое загрязнение почв и механическое нарушение.

Влияние деятельности человека на природные  сообщества чрезвычайно разнообразно и прослеживается на всех уровнях  биосферы. Кризисное ее состояние  в первую очередь связано с такими формами антропогенного воздействия, как прямое истребление ряда видов живых организмов, а также загрязнение биосферы промышленными и бытовыми отходами, пестицидами и т. п.

Компонентами  биотических сообществ являются:

I – растительный мир (леса и другие сообщества)

II – животный мир.

Воздействие человека на леса и весь растительный мир может быть прямым и косвенным.

К прямому  воздействию относятся: 1) вырубка  лесов, 2) пожары и выжигание растительности, 3) уничтожение лесов при создании хозяйственной инфраструктуры, 4) пресс туризма.

Косвенное воздействие – это изменение  условий обитания в результате антропогенного загрязнения воздуха, воды, применения пестицидов и минеральных удобрений.

В результате возникают овраги, оползни, сели, уничтожается фотосинтезирующая фитомасса, ухудшается газовый состав атмосферы, меняется гидролитический режим водных объектов, исчезают растительные и животные виды, изменяется альбедо земной поверхности. (Альбедо – латинское белизна – это величина, характеризующая способность земной поверхности отражать падающие на нее лучи: деревья – 10-15%, травы – 20-25%, снег – 90%).

Главными  причинами утраты биологического разнообразия, сокращения численности и вымирания  животного мира являются:

-нарушение  среды обитания;

-чрезмерное  добывание, промысел в запрещенных  зонах;

-интродукция  (акклиматизация) чуждых видов;

-прямое  уничтожение с целью защиты  продукции;

-случайное  (непреднамеренное) уничтожение;

-загрязнение  среды.

Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие  бактерии и переводят его в  доступные растениям формы. В  растениях азот закрепляется в белках и других соединениях. После отмирания  живых организмов редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу.