Важнейшие научные концепции и положения экологии

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

С момента выхода в свет первого издания (1993 г.) учебно­го пособия "Экология" [11 прошло 5 лет. За это время измени­лись многие концепции и подходы в экологии, расширилась база экономики природопользования и создана новая правовая база (вступили в действие новые Гражданский и Уголовный кодексы РФ, законы РФ и т.д.). Госкомвузом РФ утверждена 13.04.95 г. и введена в действие Примерная программа дисциплины "Экология" для профессиональных направлений 550000 "Технические науки" (кроме 553500 "Защита окружающей среды"). Все это предопределило необходимость переработки и дополнения учебного пособия [I], изданного в 1993 г. в Тверском политехническом институте (ныне Тверской государственный технический университет). Изме­нены его структура, содержание и несколько объем, а также включены принятые сокращения в учебном пособии (приложение 1) и контрольные вопросы по дисциплине "Экология" (приложение 2).

При написании данного учебного пособия использованы мате­риалы Государственного доклада "О состоянии окружающей природ­ной среды РФ в 1995 году", сокращенный вариант которого опуб­ликован в газете "Зеленый мир" Н 24...29 в 1996 г.. и опыт преподавания авторами дисциплины "Экология" на различных фа­культетах Тверского государственного технического университета (ТГТ9), Во втором издании широко использовались новые теорети­ческие концепции, активно пропагандируемые в последнее десяти­летие и представленные в работах Н.Ф. Реймерса, И.Р. Приговина и других. Учитывался и опыт издания учебников по экологии. особенно в части экологии человека, а также повышение объема знаний, полученных студентами при изучении введенных в послед­ние 5 лет дисциплин экологического профиля ("Основы экологии", "Природопользование" и т.д.) в средней школе. Все это позволи­ло существенно сократить вопросы общей экологии и более под­робно изложить темы инженерной экологии.

Пособие предназначено для студентов всех направлений и специальностей, кроме направления "Природообустройство" (специальности 1711 и 3207). ТГТУ при изучении дисциплины "Экология". Может быть полезным для широкого круга технических специалистов фирм, АО, предприятий, организаций и учреждений.

ВВЕДЕНИЕ

 

Все возрастающая хозяйственная деятельность людей вызывает мощные воздействия на природу. В результате учащаются негатив­ные последствия на земле: кислотные дожди, засухи, эрозия почв, опустынивание некогда плодородных районов, интенсивные загрязнения вредными веществами атмосферного воздуха, вод, почв и т.д., а также постепенное разрушение озонового слоя Земли и развитие "парникового" эффекта в атмосфере. Это спо­собствует росту заболеваемости людей и животных, снижению уро­жайности сельскохозяйственных культур и продуктивности живот­новодства, гибели лесов и растений, повышению износа машин и оборудования, зданий и сооружений, памятников культуры и т.д. В итоге возрастает чувство тревоги у людей за будущее нашей планеты. Если хозяйственная деятельность человеческого общест­ва не изменится в ближайшие годы, то ученые предсказывают нас­тупление через 15-20 лет необратимых изменений на Земле, ко­торые поставят под угрозу само существование человеческой ци­вилизации. Решением этой важнейшей проблемы занимается эколо­гия, которая изучает экологические закономерности в природе и вырабатывает оптимальные пути и методы взаимодействия челове­ческого общества с природой.

В учебные планы современного высшего технического образо­вания РФ введена дисциплина "Экология". Она призвана дать бу­дущим бакалаврам, инженерам и магистрам (техническим специа­листам) необходимые экологические знания и развивать у них экологическое мышление, а также повысить уровень их экологи­ческой культуры и этики.

При современном решении экологических проблем технические специалисты рассматривают одновременно как экологические, так и инженерные задачи. При этом первые задачи, как правило, ре­шаются с помощью вторых. Вполне понятно, что это возможно, ес­ли они обладают необходимой экологической подготовкой. На это же нацеливает Закон РФ об охране окружающей среды от 19.12.91, введенный в действие с 03.03.92. В частности, статья 75 требу­ет, чтобы руководящие работники и специалисты имели необходи­мую экологическую подготовку, которая учитывается при назначе­нии на должность, аттестации и переаттестации работников. Ли­ца, не имеющие такой подготовки, не допускаются к выполнению работы, требующей соответствующих экологических знаний.

Предмет, цель и задачи дисциплины "Экология". Дисциплина

"Экология" - это естественнонаучная дисциплина, изучающая взаимоотношения живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой и освещающая принципы и методы защиты биосферы от негативных антропогенных воздействий. Она формирует у студентов экологическое мировоззрение и способность оценки своей будущей профессиональной деятельности с точки зрения охраны биосферы. В итоге у студентов должна выработать­ся способность научного мировоззрения: представление о человеке как части природы, о единстве и самоценности всего живого и невозможности выживания человечества без сохранения биосферы. Все это обеспечит студентам грамотное восприятие явлений, свя­занных с жизнью человека в окружающей природной среде (ОПС), в том числе и с его профессиональной деятельностью.

Дисциплина "Экология" является базовой (подстилающей) дисциплиной многих общепрофессиональных и специальных дисцип­лин учебного плана студента, в том числе и дисциплины "Безо­пасность жизнедеятельности" (БЖД). Она базируется на достиже­ниях биологии, химии, геохимии, физики, математики, гигиены, экономики и ряда технических наук. Предметом ее изучения явля­ются естественнонаучные, материально-технические, правовые и организационные методы и средства воздействия общества на сос­тояние ОПС с целью ее сохранения.

Цель дисциплины - это повышение экологической грамотности будущих технических специалистов, вооружение их теоретическими знаниями и практическими навыками, необходимыми для обеспече­ния экологически безопасных инженерных решений на объектах экономики и в отдельных их производствах при строгом соблюде­нии этических и правовых норм. Эта цель реализуется следующими задачами преподавания дисциплины: 1) Изучение важнейших научных концепций экологии и методов и средств защиты компонентов би­осферы; 2) приобретение навыков оценки, учета и прогнозирова­ния экологических последствий технических решений; 3) выработ­ка умения правильно применять зкобиозащитную технику и техно­логию, разрабатывать и обеспечивать необходимый комплекс ме­роприятий по предотвращению отрицательного воздействия различ­ных объектов экономики на ОПС и в целом биосферу.

Научное содержание дисциплины "Экология" - это учение о биосфере и взаимоотношениях живых организмов и образуемых ими сообществ со средой их обитания, общества и природы. В дисцип­лине рассматриваются как важнейшие научные концепции экологии, учение о биосфере и взаимодействие человека с ОПС, так и сов­ременные экологические проблемы глобального и регионального

характера в биосфере и ее охраны, комплекс вопросов по защите и/или охране атмосферы, водной среды, почв, земель, флоры, фа­уны и недр от загрязнений, основы экономики природопользования и экологического права.

Таким образом, дисциплина "Экология" освещает современные пути обеспечения экологической безопасности (ЭБ) человека, растительного и животного мира при взаимодействии общества с природой. При этом определяются принципы, приемлемые методы и средства обеспечения ЭБ на всех стадиях деятельности человека. Стадиями являются научный замысел, НИР, ОКР, проект, реализа­ция проекта, испытания, транспортирование, эксплуатация, мо­дернизация и реконструкция, консервация, ликвидация и захоро­нение. Выбор этих принципов, методов и средств обеспечения ЗБ зависит от конкретных условий хозяйственной деятельности чело­века и опасности загрязняющих веществ (3В), выбрасываемых в атмосферу, сбрасываемых в водные объекты или размещаемых на местности, а также стоимости их реализации. Все это будет изу­чаться студентами на лекционных и лабораторных занятиях, а также в период внеаудиторной самостоятельной работы и при вы­полнении расчетно-графической работы (РГР). Последняя направ­лена на выработку у студентов практических навыков по расчету, оценке, прогнозировании и принятии экологически грамотных тех­нических решений по заданиям, чаще всего встречающихся в прак­тической деятельности выпускника вуза по соответствующему нап­равлении профессиональной деятельности и/или соответствующей специальности. Конкретный перечень заданий РГР определяет лек­тор, руководствуясь утвержденной рабочей программой дисциплины "Экология"; объем этих заданий регламентируется учебным посо­бием [21]. Лабораторные работы выполняются студентами в строгом соответствии с лабораторным практикумом по экологии Ш.

При завершении обучения по дисциплине "Экология" студент должен:

во-первых, иметь представление о биосфере и ее эволюции, целостности и гомеостазе живых систем и взаимодействии орга­низма и сообщества организмов со средой экосистем; об эколо­гических принципах охраны природы и рационального природополь­зования, перспективах создания неразрушающих природу техноло­гий;

во-вторых, знать и уметь использовать основные понятия, законы экологии, методы теоретических и экспериментальных исс­ледований в экологии; уметь оценивать численные порядки вели­чин, характерных для экологии, при разработке и осуществлении

методов защиты ОПС и охраны здоровья человека на различных объектах экономики и их производствах; способы защиты биосферы в последующих дисциплинах учебного плана базового высшего тех­нического образования РФ при обеспечении минимального ущерба ОПС и здоровья человека; основы экономики природопользования и экологического права. В результате он сможет конкретно решать вопросы ЭБ человека, растительного и животного мира, рацио­нального использования природных ресурсов (ПР) и сохранения ОПС.

 

Основные термины и определения в дисциплине "Экология".

 

Впервые термин и общее определение экологии дал немецкий био­лог З.Геккель (1866 г.) как раздел биологической науки о взаи­моотношениях между организмами и средой. Согласно современной терминологии экология - это наука, изучающая взаимоотношения живых организмов и их сообществ между собой и окружающей сре­дой. В экологии выделяют крупные подразделения: общая экология (биоэкология), геоэкология, прикладная экология, экология че­ловека и социальная экология. Для технических специалистов особую роль играет прикладная экология с различными направле­ниями и методами исследований (промышленная или инженерная, строительная, химическая, сельскохозяйственная и др.)

Природа - это сложный естественный организм, характеризу­ющийся многообразием составляющих его компонентов (атмосферы, гидросферы и литосферы), которые постоянно изменяются. Человек является частью природы.

Природная среда (ПС) - это сложнейшая система, в которой составляющие ее элементы находятся в определенном равновесии между собой.

Окружающая среда (ОС) - это часть пространства Вселенной, в которой обитает человек и функционируют созданные им системы (захватывающая, перерабатывающая, усваивающая, транспортная и выводящая). Из определения видно, что ОС не имеет постоянных во времени и пространстве границ; ее пределы зависят от дости­жений НТП и обусловлены сферой деятельности человека.

Окружающая природная среда (ОПС) - это вся земная приро­да, окружающая человека, где естественные факторы функциониру­ют в органическом единстве с продуктами человеческого труда.

Охрана природы (ОП - по ГОСТ 17.0.0.01-76*) - это система мер. направленных на поддержание взаимодействия между деятель­ностью человека и ОПС, обеспечивающих сохранение и воспроиз­водство ПР, предупреждающих прямое и косвенное влияние резуль­татов деятельности общества на природу и здоровье человека. В хозяйственной деятельности общества чаще употребляют термин " охрана окружающей среды " (ООС) - это комплекс международных, государственных, региональных и локальных административно-хо­зяйственных, технологических, юридических и общественных ме­роприятий, направленных на обеспечение благоприятных условий среды обитания и сохранение здоровья человека.

Загрязнители (загрязняющие вещества - ЗВ, поллютанты, токсичные, опасные или вредные вещества) - это неутилизированные материальные и энергетические отходы производства, а также естественные компоненты, нехарактерные для данной среды, оказывающие нежелательное действие на человека и ценные для него ресурсы живой (биотической) и неживой (абиотической) природы. К основным ЗВ обычно относят: взвешенные частицы, диоксид се­ры, оксид углерода, диоксид углерода, углеводороды и др.

Отходы - это продукты обмена веществ и энергии между обществом и природой, получение которых не явилось конечной целью; в зависимости от источника образования различают отходы производства и отходы потребления.

Загрязнение ОПС _- это изменение ее качественного состояния, происходящее в результате поступления в нее загрязнителей.

Смог (по ГОСТ 17.2.1.04-77*)- это газообразные и твердые примеси в сочетании с туманом или аэрозольной дымкой, образующиеся в результатеих преобразования и вызывающие интенсивное загрязнение атмосферы.

Кислотный дождь (по ГОСТ I7. 2.1.03-84) - это дождь, водородный показатель которого РН<5,6 (в зимнее время - кислотный снег); вызывает ацидификацию (подкисление или закисление) поч­вы и водоемов, что приводит к повреждению живых организмов (гибель рыбы, снижение прироста лесов и т.д.).

Сточные воды (СВ) - это воды, отводимые после использования в производственной и бытовой деятельности человека. К ним относят также дождевые стоки с застроенных (селитебных) территорий.

Экосистема - это единый комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные эле­менты связаны между собой обменом веществ и энергии. Термин предложен английским экологом Й. Тенсли (1935 г.). В зависимости от масштабов выделяют микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд, озеро и др.), макро-экосистемы (континент, океан) и глобальную экосистему (биосфера - наружная оболочка планеты Земля, где существует жизнь и которая видоизменена или сформулирована жизнью).

Ландшафт - это природный территориальный комплекс, состоящий из взаимодействующих природных (рельеф, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) или природных и антропогенных элементов, которые образуют однородную по условиям, раз­вития единую систему. Различают агрокультурный (сельскохозяйс­твенный), антропогенный (техногенный), природный, геохимичес­кий, элементарный и другие ландшафты.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) - это экологичес­кий норматив, максимальная концентрация 3В в элементах ланд­шафта, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени не вызывает негативных воздействий на организм челове­ка или другого рецептора (определенный вид животных, растений).

Кадастр - это систематизированный свод данных, включающий качественную и количественную опись объектов и явлений, а в ряде случаев и их социально-экономическую оценку. Различают земельный, водный, биологический, лесной, медико-биологический и другие кадастры.

Экологическая ниша (экониша) - это область многомерного пространства (гиперпространства) переменных, в совокупности отображающих ресурсы и условия среды, соответствующая устойчи­вому существованию вида или популяции.

Вид (биологический) - это совокупность особей с общими морфофизиологическими признаками, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства; популяция - это совокуп­ность особей одного вида, длительно занимающая определенную территории или акватории.

Экологический кризис - это стационарное, относительно постепенное обратимое или необратимое ухудшение состояния ОС, вызванное деятельностью человека (например, ареал Аральского моря) или естественными факторами; экологическая катастрофа -это аномальные изменения (длительного или кратковременного ха­рактера) состояния ПС, ведущие к гибели людей и других живых организмов и большому материальному ущербу (например, Чернобыльская зона). При кризисе человек выступает, как правило, активной действующей стороной, а при катастрофе - вынужденно пассивной, страдающей стороной.

Защита ОПС - это природоохранная деятельность, направлен­ная на снижение или полное исключение поступления в биосферу загрязнителей антропогенного (вызванного деятельностью челове­ка) происхождения.

Средства защиты ОПС - это аппараты и устройства, предназ­наченные для снижения или полного исключения поступления в би­осферу загрязнителей.

Качество ОПС - это состояние естественных и преобразован­ных человеком экосистем, сохраняющее их способность к постоян­ному обмену веществ и энергией, к воспроизводству жизни.

Управление качеством ОПС - это система государственных мероприятий по обеспечению качества ОПС на основе правильного сочетания и согласованного удовлетворения экономических и эко­логических интересов.

Другие термины и определения дисциплины "Экология" приве­дены в соответствующих разделах данного пособия. Более полно их можно найти в словарях [4, 51].

 

Исходные теоретические концепции экологии

 

Наибольшее значение для экологии имела биологическая нау­ка и особенно эволюционная теория Ч.Дарвина. Положения о нас­ледственности и изменчивости, естественном и искусственном от­борах и борьбе за существование как движущей силе эволюции позволили по-новому взглянуть на многообразие и единство форм жизни и лучше понять приспособительное значение различных нап­равлений и видов эволюции: 1) ароморфоз, заключающийся в появ­лении таких морфофизиологических изменений, которые ведут к

общему подъему организации биологических объектов, выходу их на новые уровни эволюции, и 2) идиоадаптация, обеспечивающая частные приспособления на этом новом уровне или рубеже. Приме­ром ароморфоза может служить выход водных животных на сушу (превращение рыб в земноводные), а примером идиоадаптации -создание различных видов, семейств и отрядов амфибий. Эволюция закрепила 2 вида отбора: К-отбор, при котором выживание обес­печивается за счет усложнения организма и совершенствования его функций, и R-отбор, при котором те же задачи решаются рез­ким увеличением потомства (некоторые рыбы мечут до нескольких миллионов икринок за один нерест).

Окончательное оформление экологии в самостоятельную дис­циплину совпало с развитием кибернетики и системного подхода. Биологические и особенно экологические объекты для кибернети­ков стали наиболее совершенными образцами реализации принципа обратной связи. Правда, исключительная сложность таких объек­тов, намного превышающая сложность любого технического уст­ройства, обусловила и некоторые особенности реализации обрат­ной связи в них. Обычная схема

 

в биологических и экологических системах представлена первичной и вторичной субсистемами, последняя из которых включена в цепь обратной связи. В экологических объектах присутствуют положительные и отрицательные связи, в которых низкоэнергетические воздействия могут резко усиливать высокоэнергетические ре­акции и процессы. Именно эти связи экологи называют "живыми нитями" природы.

Существенной особенностью функционирования обратных связей в экологических и биологических объектах является возможность управления не только по отклонению (изменению) контролируемого параметра, но и по "возмущению", т.е. по воздействиям, ведущим к отклонениям. Тем самым обеспечивается подготовка к реакции на отклонение, создается упреждающая реакция на воздействие. Устойчивость живых организмов и экосистем к внешним воздействиям обеспечивается также дублированием компонентов системы,их избыточностью. Различается 2 вида устойчивости -упругая и резистивная. Первая обеспечивает возвращение в исходное состояние после отклонения, второе - повышение сопротивления возмущающим воздействиям.

Системный подход, повсеместно применяющийся в наше время, базируется на понятии системы, как множества закономерно свя­занных друг с другом элементов, составлявших собой единство,определенное целостное образование. Важнейшим свойством систе­ма является эмерджентность, т.е. появление новых, не сводящих­ся к сумме старых, качеств. Любой уровень анализа в экологии (начиная от единичной простейшей особи до биосферы в целом) требует системного подхода, ибо самая простая форма жизни уже представляет собой сложнейшую систему, превосходящую по слож­ности самые грандиозные технические устройства. В качестве примеров эмерджентности можно назвать эффект группы и массовый эффект. Образование устойчивой группы животных одного вида резко увеличивает их выживание, главным образом за счет более эффективного использования энергии. Установлено, что при про­чих равных условиях энерготраты в группе в 2 раза ниже, чем при одиночном образе жизни. Потребность ушастых ежей в кисло­роде, например, в группе снижается более чем в 2 раза. Труд общественного насекомого в группе значительно эффективнее, чем при выполнении той же работы в одиночку. В сообществах животных, образующих колонии, больше шансов на выживание потомства, надежная защита от врагов. Эффект группы может проявляться даже в изменении окраски насекомых: зеленый цвет проживающей в одиночку саранчи меняется на черный при включении ее в стаи перелетных насекомых. Кстати, в группе саранчуки растут значи­тельно быстрее, чем в одиночку.

При чрезмерной плотности организмов одного вида выживание уменьшается. Это явление в отличие от группового эффекта наз­вано массовым. В основе массового эффекта лежат жесткие меха­низмы поддержания определенной численности и плотности распре­деления, ее своеобразного гомеостаза - в данном случае сохра­нения оптимального числа особей. Если для 500 га тундры опти­мальным числом является 100 оленей, то помещение на этом пространстве 200 голов через несколько лет приводит к сокраще­нию поголовья вдвое (эксперимент 1928 г.). Механизмы уменьше­ния численности ведут к гибели особей того же вида: изреживанию посевов при слишком большом числе семян и каннибализму (поеданию особей своего же вида) при большой плотности особей и недостатке пищи.

Из новейших глобальных теоретических обобщений для эколо­гии наибольшее значение имеет концепция диссипативных структур И.В. Пригожина. которым доказана возможность самоорганизации и усложнения макроскопических структур в неравновесных состояниях. Появление таких структур и их развитие на уровне химичес­ких реакций и физических процессов, поддерживаемых автокатали­зом, диффузией и т.д., противоречит положении об обязательном необратимом рассеивании энергии. Все биологические и экологи­ческие объекты и системы находятся далеко от состояния равно­весия и сохраняют, поддерживают это неравновесие системами го­меостаза. Именно у живых организмов и экосистем в наибольшей степени выражены самоорганизация и восходящее усложнение структуры и функций. Концепция диссипативных структур исключа­ет случайность возникновения жизни на планете и дает новое бо­лее глубокое объяснение ее зарождению и эволюции.

 

Экологические системы

Общая характеристика.

Экосистема является основным понятием экологии. Она может быть представлена самыми различ­ными по масштабу образованиями - от обычной лужи до аквариума, до биосферы в целом. Близким к данному понятию является пред­ложенный акад. В.М. Сукачевым термин биогеоценоза (однородного участка земной поверхности с определенным составом живых и косных элементов и динамическим взаимодействием между ними). Понятие биогеоценоза является синонимом наземных экосистем,

В каждой экосистеме выделяют 2 блока - ее косная и биокосная часть - экотоп и живая часть - биоценоз (рис. 1.4).

 

 

Рис. 1.4. Общая схема экосистемы и круговорота вещества и энергии в ней (по Н.Ф. Реймерсу)

 

Общий перечень элементов экосистемы включает:

1. Неорганические вещества (, , , и т.д.), содержащиеся в виде газов, жидкости и ингредиентов субстрата.

2. Органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумус и т.д.), содержащиеся в живых организмах и отчасти в субстрате.

3. Субстрат - среда или основа, в которой постоянно обитают и развиваются организмы (верхний слой литосферы, гидросферы и ее донные отложения, отчасти атмосфера).

4. Автотрофы или продуценты, т.е. организмы, способные к фото- или хемосинтезу и являющиеся создателями органических веществ из неорганических.

5. Гетеротрофы или консументы, т.е. потребители органического вещества.

6. Редуценты, чаще всего являющиеся микроконсументами, разла­гающими мертвое органическое вещество и превращаюшие его в не­органическое, которое способны усваивать продуценты.

Три последних компонента экосистемы обычно разделены в пространстве (продуценты - в верхнем ярусе леса и луга, редуценты - в почве) и во времени. Некоторые органические вещества могут находиться только в живых организмах, другие - только вне организмов (например, гумус, составлявший основу плодоро­дия почвы), третьи находятся и в живом, и в косном веществе, но активно функционируют только в составе живого вещества (например, хлорофилл).

Чисто биологические компоненты экосистемы (продуценты, консументы, редуценты) различавтся по типу питания и месту в круговороте веществ и энергии. Продуценты, к которым прежде всего относятся зеленые растения, обеспечивают в процессе фо­тосинтеза за счет энергии солнечного света образование нового органического вещества - углеводов. Всего в процессе фотосин­теза в биосфере за год создается около 100 млрд.т углеводов, •усваивается около 200 млрд.т СО₂ и выделяется 175 млрд.т сво­бодного О₂. В природе существует и бактериальный фотосинтез, в котором окислителем выступает сероводород и органические сое­динения. Такой вид фотосинтеза важен для круговорота серы: в стоячих пресных водах он дает до 25Х всей вновь образуемой би­омассы. Там, где отсутствует свет (например, на дне океана), органическое вещество создается за счет хемосинтеза.

Вновь создаваемое органическое вещество вместе с содержа­щейся в нем энергией является источником питания для консументов. Различается несколько видов консументов-травоядных (или первичных) и плотоядных (или вторичных). Вторичные консументы могут быть нескольких порядков (ежик – лиса – волк - медведь).

Последним биологическим компонентом экосистемы являются редуценты, которые в основном представлены микроорганизмами. Редуценты разлагают органическое вещество в присутствии О₂(аэробное разложение) или в его отсутствии (анаэробное разложение) до неорганических веществ, которые в состоянии усваивать другие организмы - продуценты. Существенная роль в разрушении органического вещества принадлежит и мелким консументам. Разложение органических веществ может обеспечиваться и другими путями. Например, для некоторых экосистем существенное значение в этом процессе имеют лесные, степные или торфяные повара.

Рассмотрим два очень распространенных примера экосистем -наземную лугопастбищную и озерную. В каждой из этих систем ис­точником энергии является Солнце, среда в первой системе представлена атмосферным воздухом и почвой, во второй системе - водой и донными осадками. Продуцентами в первой системе бу­дут относительно крупные растения, во второй - очень мелкие, часто микроскопические формы (фитопланктон). Функции консументов первого порядка на лугах выполняют растительноядные животные (насекомые и млекопитаищиеся лугопастбищного сообщества), в озерах - зоопланктон в толще воды; консументами второго по­рядка на лугу являются птицы и другие сухопутные животные, а в озере - рыбы. Различный видовой состав будут иметь и редуценты луга и озера (разлагавшие бактерии и грибы). Таким образом, структура и функционирование обоих экосистем сходны, но их среда и видовой состав биоценозов (т.е. совокупность живых су­ществ, входящих в каждую экосистему) различны. При этом виды растений, микроорганизмов и животных каждой из рассмотренных экосистем, взятых в конкретных границах того или иного луга или озера, представляют собой популяции соответствующих трав, насекомых, птиц, грызунов, рыб и т.д.

Скорость разложения мертвых организмов зависит от вида органического вещества. Ткани животных могут разлагаться срав­нительно быстро, а древесина - более медленно. Наиболее устой­чивым продуктом разложения является гумус, накапливающийся в почвах столетиями. Процесс разложения ускоряется человеком за счет сжигания органических веществ, ускорения распада гумуса при интенсивном или нерациональном сельскохозяйственном произ­водстве, сведении и сжигании лесов. Часть вновь образованного органического вещества может храниться в экосистеме в форме запасов веществ.

Параллельно круговороту веществ в экосистеме идет круговорот энергии с неизбежными ее потерями на каждом этапе. Эти потери в схеме (рис. 1.4) обозначены как сток тепла. Сток теп­ла обозначает неизбежное рассеивание энергии для поддержания экосистемы на более высоком уровне упорядоченности, т.е. на более низком уровне энтропии. Такая возможность поддержания высоких степеней упорядоченности на первый взгляд противоречит второму закону термодинамики (закону энтропии). Однако для не­равновесных сред эта возможность была теоретически

доказана лауреатом Нобелевской премии Ильёй Пригожиным (см. подраздел 1.1).

В экосистеме создаются определенные запасы вещества и энергии, часть из которых может экспортироваться из системы. В наше время в биосфере в целом распадается количество вещества, примерно равное вновь образуемому. Однако около 300 млн. лет тому назад распад органического вещества был меньше; определенная его часть оставалась в биосфере, образуя запасы горючих ископаемых. В последующие эпохи наблюдались колебания в созда­нии и распаде органики, что привело к изменению содержания СО₂ в атмосфере планеты и соответственно к глобальным изменениям климата, одним из проявлений которых были оледенения.

Классификация экосистем.

Энергетическая классифи­кация экосистем различает 4 типа: 1) природные несубсидированные экосистемы, получающие энергию только от Солнца (откры­тые океаны, глубокие озера, высокогорные леса); 2) природные экосистемы, субсидируемые Солнцем и другими естественными ис­точниками (дождевые леса, приливные зоны и т.д.); 3) природные зоны, субсидируемые человеком и Солнцем (агрозкосистемы, аква-культура); 4) зоны, получавшие энергию от других экосистем в виде питания и топлива (города или урбанизированные террито­рии).

Наибольший интерес из субсидируемых экосистем представля­ют урбанизированные территории и агроэкосистемы. Экологические особенности урбанизированных территорий рассматриваются ниже в подразделе 3.2.

Интенсивные агроэкосистемы в настоящее время занимает около 60% всей пашни планеты. Для них характерно применение дополнительного потока энергии (кроме солнечной), резкое уменьшение разнообразия живых организмов и доминирование ис­кусственного отбора. В доиндустриальных агроэкосистемах требо­валось меньше затрат, но они были менее эффективны при большей

продуктивности на количество вложенного человеческого труда. В индустриальных агроэкосистемах затраты человеческого труда на единицу продукции меньше (в США 4% населения в сельской мест­ности кормит остальные 96%), но общие затраты резко возраста­ют, что приводит к выделению больших государственных субсидий на горючее. Обеспечение населения сбалансированными продуктами питания уже сейчас привело к пятикратному, по сравнению с людьми, увеличении расходов на сельскохозяйственных животных. От интенсификации агроэкосистем выигрывают прежде всего бога­тые страны. Применение же самых современных и высокопродуктив­ных сортов растений и пород животных без соответствующего обеспечения энергией и необходимыми питательными веществами оборачивается в бедных странах убытками.

Помимо энергетической классификации экосистемы классифи­цируются и по Фауне, т.е. по виду продуцентов: на суше - пус­тыни, луга (прерии, степи, саванны, пампасы и тундра), леса (сухие и влажные тропические леса, хвойные и лиственные леса умеренного климата). В водных экосистемах выделяются речные и озерные, экосистемы затопляемых устьев рек или эстуариев, эко­системы прибрежных вод и океанических глубин.

БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК

 

Состав и границы биосферы.

Создателем учения о би­осфере стал Владимир Иванович Вернадский (1863-1945), один из последних великих ученых-энциклопедистов. Он предсказал овла­дение человеком ядерной энергией, освоение космоса и создал учение о биосфере (1926 г.). В своей последней монографии, опубликованной в 1965 г., им была выдвинута концепция ноосферы.

Основная мысль В.И. Вернадского заключалась в том, что

жизнь является важнейшей движущей силой эволюции Земли. Он от­мечал, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а поэтому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Образование биосферы явилось продуктом длительных прев­ращений вещества и энергии в ходе геологического развития Зем­ли. В.И. Вернадский различал 4 основных компонента биосферы. Первым из них является живое вещество, т.е. совокупность живых организмов. Они обеспечивают непрерывный круговорот неоргани­ческой материи, определяя, в конечном счете, состав и характе­ристики газообразной, жидкой и твердой поверхностной оболочки Земли (соответственно, атмосферы, гидросферы и литосферы). Особенно наглядна роль живого вещества в преобразовании атмос­феры. В табл. 2.1 приведены составы и температуры атмосферы Земли и ближайших планет, свидетельствующие об определяюшей роли жизни в эволюции земной атмосферы.

 

Таблица 2.1. Состав и температура атмосферы Земли и близких по массе планет Солнечной системы

 

Показатели	Наименование планет
Марс	Венера	Земля без жизни	Земля с жизнью
Содержание СО2, %				0,032
Содержание N2, %	2,7	1,9	1,9
Содержание O2, %	0,13	следы	следы
Температура у поверхнос­ти планеты, °С	- 53	+ 470	+ 290	+ 13

 

 

Второй компонент биосферы назван В.И. Вернадским биоген­ным веществом. Оно представлено горючими ископаемыми и осадоч­ными породами, образование которых связано с жизнедеятель­ностью живых организмов (известняк, мел и т.д.). Третьим ком­понентом является косное вещество, т.е. магматические, не биогеннные осадочные и метаморфические породы. Четвертый компонент - биокосное вещество - сочетает в себе свойства живого и