Экологические основы безопасности в окружающей среде

Человек является частью природной системы биосферы, с которой тесно связана его жизнедеятельность.

Биосфера — это часть оболочек земного шара, населенная живыми организмами. Представление о широком влиянии жизни на природные процессы было сформулировано В.В. Докучаевым, который показал зависимость процессов почвообразования не только от климата, но и от совокупного влияния растительных и животных организмов. В.И. Вернадский разработал учение о биосфере, как о глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических процессов определяется живым веществом. Учитывая системный уровень организации биосферы, а также то, что в основе ее функционирования лежат круговороты веществ и энергии, современной наукой сформулированы биохимическая, термодинамическая, биогеоценотическая, кибернетическая концепции биосферы.

В.И. Вернадский определил биосферу, как тер­модинамическую оболочку с температурой от +50°С до — 50°С и давлением около 1 атм. Эти условия составляют границы жизни для большинства организмов, Все живые организмы образуют биомассу планеты и составляют около 0,01% массы земной коры, но, несмотря на незначительную общую биомассу живых организмов, их деятельностью обусловлен химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, формирование почвенного слоя и горных пород в литосфере.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов и осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Химические вещества циркулируют между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами и деструкторами) разрушаются с тем, чтобы продукты этого разрушения были использованы для новых органических синтезов.

Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере, литосфере.

Литосфера — земная кора, внешняя твердая обо­лочка земного шара, образованная осадочными и базальтовыми породами. Основная масса организ­мов, обитающих в литосфере, сосредоточена в по­чвенном слое, глубина которого не превышает не­скольких метров.

Гидросфера — водная оболочка Земли, состав­ленная мировым океаном, который занимает при­мерно 70,8% поверхности земного шара. В гидро­сферу биосфера проникает практически на всю глу­бину мирового океана.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, со­стоящая из смеси газов, в которой преобладают кислород и азот. Наибольшее значение для био­логических процессов имеют кислород атмосфе­ры, используемый для дыхания организмов и ми­нерализации омертвевшего живого вещества, уг­лекислый газ, используемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. В ат­мосфере различают: тропосферу — примыкающий к поверхности Земли нижний слой атмосферы вы­сотой около 15 км, в который входят взвешенные в воздухе водяные пары; стратосферу — слой над тропосферой, высотой около 100 км; в стратосфе­ре под действием жесткого УФ-излучения Солнца из молекулярного кислорода образуется атомарный кислород, который затем превращается в озон и образует озоновый слой, задерживающий косми­ческие и УФ-лучи, губительно действующие на живые организмы.

В настоящее время все большую актуальность приобретают вопросы космической биологии — комплекса наук, изучающих особенности жизнедеятель­ности биологических объектов в условиях косми­ческого пространства и при полетах в космических аппаратах (космическая физиология, экобиология). Составной частью космической биологии является экзобиология, изучающая наличие, распростране­ние, особенности и эволюцию живой материи во Вселенной. Исследования в этой области осуществ­ляются в двух основных направлениях: моделиро­вание условий космической среды или планет и ис­следования, осуществляемые с помощью автомати­ческих космических аппаратов. Установлено, что некоторые земные микроорганизмы могут сохра­нять жизнедеятельность и развиваться в условиях космической среды. Однако исследования, проведен­ные с помощью космических аппаратов, направлен­ные на обнаружение внеземных форм жизни (на­пример, на Венере, Марсе) пока еще не дали поло­жительных результатов. Проблемы экзобиологии тесно связаны с проблемой химической и биологи­ческой эволюции материи во Вселенной, с пробле­мой происхождения жизни на Земле.

Важными практическими вопросами являются изучения влияния факторов космического пространства на биологические процессы, протекающие в биосфере Земли. Таким образом, возникает необходимость анализа и пересмотра общебиологического значения традиционных земных условий жизни в связи с возникновением представлений о космосфере, как еще одной области биосферы.

Живое вещество в биосфере осуществляет газо­вую, концентрационную, окислительную и восстановительную функции. Кислород и азот атмосфе­ры, весь углекислый газ, по мнению Вернадского, имеют органогенное происхождение. Ежегодная про­дукция живого вещества в биосфере составляет при­мерно 200 млрд. тонн сухого органического веще­ства; за это же время в процессе фотосинтеза на планете образуется 46 млрд. тонн органического уг­лерода, 123 млрд. тонн кислорода. «Вихрь жизни» как говорил Вернадский, захватывает освобожден­ные при гниении микроорганизмами элементы, по­ступающие в литосферу, гидросферу и атмосферу и снова включает их в круговорот веществ.

Особое место в биосфере занимает человек, ра­зумная деятельность которого в масштабах биосфе­ры способствует превращению последней в ноосфе­ру. На этом этапе эволюция биосферы происходит под определяющим воздействием человеческого со­знания в процессе производственной деятельности людей. Ноосфера — это не что-то внешнее по отно­шению к биосфере, а новый этап в ее развитии, зак­лючающийся в разумном регулировании отноше­ний человека и природы. Важная роль в этом регу­лировании отводится экологии.

Экология — это наука, изучающая закономер­ности взаимодействия организмов и среды их оби­тания, законы развития и существования биогеоценозов, как комплексов взаимодействующих живых и неживых компонентов в различных участках био­сферы.

Экологические закономерности проявляются на уровне особи, популяции особей, биоценоза, биогео­ценоза. Предметом экологии, таким образом, явля­ются физиология и поведение отдельных организмов в естественных условиях обитания (аутоэкология), рождаемость, смертность, миграции, внутривидо­вые отношения, межвидовые отношения, потоки энергии и круговороты веществ (синэкология).

Одним из важнейших понятий экологии являет­ся среда обитания. Среда — это совокупность фак­торов и элементов, воздействующих на организм в месте его обитания.

Экологический фактор — это элемент среды, оказывающий прямое влияние на живой организм, хотя бы на одной из стадий индивидуального раз­вития. Все экологические факторы условно делят­ся на биотические, абиотические и антропогенные. Биотические факторы — это все возможные влия­ния, которые испытывает живой организм со сто­роны окружающих его живых существ. Абиоти­ческие — это все влияющие на организм элементы неживой природы (температура, свет, влажность, состав воздуха, воды, почвы и т. д.). Антропоген­ные — это факторы, связанные с воздействием че­ловека на природную среду.

Согласно другой классификации различают пер­вичные и вторичные периодические и непериоди­ческие факторы. К первичным относят температу­ру, изменения положения Земли по отношению к Солнцу, благодаря которым в эволюции возникла суточная, сезонная, годичная периодичность многих биологических процессов. Вторичные периодические факторы являются производными первичных, например, уровень влажности зависит от температуры, поэтому в холодных областях планеты воздух содержит меньше водяных паров; неперио­дические факторы действуют на организм или по­пуляцию внезапно, эпизодически. К ним относят стихийные силы природы — извержение вулканов, ураган, удар молнии, наводнение и др.

Любая особь, популяция, сообщество испытыва­ют на себе действие многих факторов, но лишь не­которые из них являются жизненно важными. Та­кие факторы называются лимитирующими или ог­раничивающими. Отсутствие этих факторов или их концентрация выше или ниже критических уров­ней делает невозможным освоение среды особями определенного вида. В соответствии, с этим, для каждого биологического вида существует оптимум фактора (величина, наиболее благоприятная для развития и существования) и пределы выносливос­ти. Виды, переживающие значительные отклонения факторов от оптимальной величины, называются широкоприспособленными или эвритопными. Виды, способные пережить лишь незначительные откло­нения экологических факторов "от оптимальной ве­личины, называются узкоприспособленными или стенотопными. Способность видов осваивать разные среды обитания характеризуется величиной эколо­гической валентности. Для большинства видов экологический оптимум ограничен. Сохранение дол­жного уровня биологической активности, несмотря на колебания интенсивности экологических факто­ров, обеспечивается гомеостатическими механизма­ми на уровне особи или популяции.

Как уже указывалось, экологические закономер­ности просматриваются на уровне особи, популя­ции особей, биоценоза (сообщества), биогеоценоза.

Биогеоценоз — это исторически сложившееся динамическое, устойчивое сообщество растений, жи­вотных, микроорганизмов, находящееся в постоян­ном взаимодействии и непосредственном контакте с компонентами атмосферы, гидросферы и литос­феры. Биогеоценоз состоит из биотической (биоце­ноз) части и абиотической (экотоп), которые связа­ны непрерывным обменом веществ и представляют собой открытую систему.

Основной функцией биогеоценоза является обес­печение круговорота веществ и потоков энергии.

Биотическая часть биогеоценоза представлена биоценозом. Любой биоценоз представляет собой самоподдерживающуюся саморегулирующуюся со­вокупность живых организмов, состоящую из оп­ределенного комплекса видов, в которой осуществ­ляется круговорот веществ и энергии. Организмы в биоценозе образуют сообщества, которые отлича­ются тесной зависимостью друг от друга, чаще все­го на основе пищевых связей, как средства получе­ния энергии для жизни.

В основе пищевых (трофических) связей лежит наличие двух основных типов питания. Аутотрофы извлекают необходимые для жизни химичес­кие вещества из окружающей среды и при помощи солнечной энергии превращают их в органическое вещество. Гетеротрофы излагают органическое ве­щество до углекислого газа, воды, минеральных солей и возвращают их в окружающую среду. Этим обеспечивается круговорот веществ, который воз­ник в процессе эволюции как необходимое условие
существования жизни. При этом световая энергия Солнца трансформируется в другие формы энергии — химическую, механическую, теп­ловую. Определенная часть энергии Солнца рассеи­вается в виде тепла. Деятельность и взаимоотноше­ния всех живых существ в природе основываются на односторонне направленном потоке энергии и круговороте веществ.

Сообщество живых существ (биоценоз) вместе с его физической средой обитания, состоящей из на­бора неорганических веществ (биотоп) составляют экосистему. Биогеоценоз является элементарной природной экосистемой. Совокупность всех экосис­тем Земли называется биосферой.

В структуре любого биогеоценоза различают сле­дующие обязательные компоненты: 1) абиотичес­кие вещества среды; 2) аутотрофные организмы — продуценты биотических органических веществ; 3) гетеротрофные организмы — консументы (по­требители) готовых органических веществ перво­го и следующих порядков (растительноядные и пло­тоядные животные); 4) детритоядные организмы — деструкторы, разрушающие органическое веще­ство до простых минеральных соединений (микро­организмы).

Важная роль в экономике биогеоценоза принад­лежит цепям питания, которые составляют тро­фическую структуру и по которым осуществляет­ся перенос энергии и круговорот веществ. Первич­ным источником энергии в цепи питания является солнечное излучение, энергия которого составляет 4,6 • 10²⁶Дж/с. Поверхности Земли достигает 1/2000000 часть этого количества энергии, из ко­торых около 1—2% ассимилируется растениями. 30—70% поглощенной энергии используется расте­ния для обеспечения собственной жизнедеятельнос­ти и синтеза органических веществ. Энергия, на­копленная в растительной биомассе, составляет чи­стую первичную продукцию биогеоценоза. Фитобиомасса используется в качестве источника энер­гии и материала для создания биомассы потребите­лей первого порядка и далее по пищевой цепи. Обыч­но продуктивность последующего трофического уровня составляет не более 5—20% предыдущего. В целом, если суммарная биомасса всех организмов, обитающих на суше составляет примерно 3 • 10¹² т, то на зообиомассу приходится лишь 1—3% этого количества, а масса живого вещества, приходяще­гося на людей, составляет около 0,0002% от сум­марной массы живого вещества планеты. Это свя­зано с тем, что объем энергии, необходимый для обеспечения жизнедеятельности увеличивается с по­вышением уровня морфофункциональной органи­зации. Прогрессивное снижение ассимилированной энергии в цепях питания отражается в структуре экологических пирамид.

Так как даже в наиболее продуктивных сообще­ствах в реакциях фотосинтеза используется всего 1—2% солнечней энергии, то они не дают достаточ­но продукции, чтобы прокормить растущее челове­чество. Обратные соотношения - относительно малая биомасса и высокая первичная продуктивность — свойственны агробиоценозам, которые являют­ся экономически выгодными. Однако, без постоян­ного ухода и зашиты со стороны человека они быс­тро сменяются малопродуктивными природными биогеоценозами.

Первичной ареной развития живого вещества на Земле была протобиосфера, охватывающая повер­хностные слои гидросферы, часть литосферы. В ходе эволюции поверхность Земли приобрела главные черты своего современного биогеохимическою об­лика, древняя протобиосфера постепенно сменилась современной биосферой.