Текст книги "Экология: Шпаргалка"

Коллектив авторов
Экология: Шпаргалка

1. МЕСТО ЭКОЛОГИИ В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

В настоящее время термин «экология» стал часто употребляемым на всех уровнях человеческого общества – от рядового гражданина до руководителя предприятия и главы государства. Это связано с наступившим экологическим кризисом, когда загрязнение окружающей среды стало предельно максимальным, угрожающим дальнейшей жизни в планетарном масштабе.

В 1866 г. немецкий биолог Эрнест Геккель дал следующее определение этой отрасли науки: «Экология – это познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно неантагонистические и антагонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения животных и растений в природе, рассматриваемые Чарльзом Дарвиным как условия борьбы за существование». Э. Геккель, относя экологию к биологическим наукам (к науке о природе, которую прежде всего интересуют живые существа), изучал все стороны жизни биологических организмов. Во времена Э. Геккеля экология в своем начальном состоянии была очень близка к тому, что называлось естественной историей.

В последние десятилетия в связи с быстрым ростом исследований в области экологии изменяется взгляд на нее как естественную науку.

Действительно, недостаточно изучать связи между живыми существами и средой, исключая человека.

Все возрастающую роль в изменениях биосферы сейчас начинают играть последствия антропогенных воздействий.

Уже с давних времен экологи делились на два направления: представители одного ведут исследования природы без учета воздействия человека и рассматривают его (подобно Эдгару Фору) в качестве нового царства наряду с минералами, растительным и животным миром; представители другого включают homo sapiens с его деятельностью в сферу исследований экологии.

Наиболее близка к истине вторая точка зрения, потому что человек – млекопитающее, подчиняющееся законам природы, и развитие его популяции идет параллельно с развитием популяций других видов. Таким образом, экология – наука не только естественная. Она должна включать в себя и другие дисциплины, такие, например, как право, экономика, социология и т. д.

2. СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ ЭКОЛОГИИ КАК НАУКИ ОБ ЭКОСИСТЕМАХ И БИОСФЕРЕ

В настоящее время экология распалась на ряд научных дисциплин, часто далеких от первоначального ее понимания. Отмечается разнообразное толкование содержания термина «экология». Но в любом случае в основе всех современных направлений экологии лежат фундаментальные идеи биоэкологии.

В узком смысле экология (биоэкология) – одна из биологических наук, изучающая отношения организмов (особей, популяций, сообществ) между собой и окружающей средой. Предметом изучения биоэкологии (общей биологии) являются объекты организменного, популяционно-видового, биоценотического и биосферного уровней организации в их взаимодействии с окружающей средой. В связи с этим выделяют следующие разделы экологии: экология особей (аутоэкология, факториальная экология), экология популяций (демэкология, популяционная экология), экология сообществ (синэкология). С биоэкологией тесно связано учение о биосфере. Задачи биоэкологии – изучение двусторонних связей в системах «организм – среда», «популяция – среда», «сообщество – среда», а также связей между особями в популяции и популяциями в сообществе. С другой стороны, часто выделяют экологию прокариот, грибов, растений, животных, человека.

В широком смысле экология (глобальная экология) – комплексная междисциплинарная наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаимодействии природы и общества. Задачи глобальной экологии – изучение законов взаимодействия природы и общества и оптимизация этого взаимодействия.

Экология, как и все науки, функционирует неизолированно. Она находится во взаимосвязи с другими естественными науками. Согласно классификации биологических наук по Б.Г. Иоганзену выделяют общие науки, частные и комплексные. К общим наукам относят систематику, морфологию, физиологию, экологию, генетику, биологию, эволюционное учение. В состав частных наук входят: микробиология, ботаника, зоология, антропология; среди комплексных наук выделяют гидробиологию, почвоведение, паразитологию. Частные науки изучают подробно конкретные объекты органического мира, общие биологические науки изучают органический мир в целом, «немного обо всем».

Составные части экологии: экология растений; экология лесных пород; экология насекомых и т. д.

С точки зрения среды, компонентов различаются экология суши, пресных водоемов, морская, Крайнего Севера, высокогорий и т. д.

Экология является теоретическим фундаментом рационального природопользования и охраны природы; экология изучает множество экосистем и биосферу.

Биосфера – оболочка Земли, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов. Необходимо отметить, что биосферный уровень организации живой материи часто не выделяют, поскольку биосфера представляет собой биокосную систему, включающую все живое. Биосфера в целом представляет собой глобальную экосистему.

3. УРОВНИ ИЗУЧЕНИЯ БИОСФЕРЫ

Изучение организмов биосферы происходит на разных уровнях: популяции, сообщества, экосистемы.

Популяция – группа особей одного вида, находящихся во взаимодействии, совместно населяющих общую территорию и воспроизводящих себя в поколениях, т. е. экологическая популяция – население одного вида на определенной территории.

Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально-энергетическими связями. Только благодаря постоянному поступлению в растения углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей возможно существование растений. Поэтому автотрофами называются организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии Солнца, химотрофами – с использованием энергии, освобождающейся при химических реакциях. Существуют еще организмы, называемые гетеротрофами. Они питаются готовыми органическими веществами.

Понятие «биоценоз» (лат. bios – жизнь, koinos – общий) определяется как группировки совместно обитающих и взаимосвязанных организмов. Биогеоценоз (экосистема) – сложный природный комплекс живых существ, взаимодействующих с неорганической средой и находящихся в материально-энергетической зависимости от нее. Биогеоценоз – не просто совокупность живых существ, организмов и их среды обитания; это особая, единая форма существования организмов и окружающей среды, диалектическое единство всех экологических компонентов. Именно биогеоценозы земного шара формируют биогеоценотический покров. Биосферу образует совокупность всех биогеоценозов планеты. В связи с тем что биогеоценозы могут формироваться и на воде, и на суше, выделяют степные, болотные биогеоценозы и т. д. В состав биогеоценоза входят:

• комплекс неживой природы, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты обмена. Этот комплекс называется абиотическим окружением;

• первичные продукты органического вещества, ассимилирующие солнечную энергию (фотосинтезирующие бактерии). Они составляют комплекс автотрофных организмов, обеспечивающих органическими веществами и энергией все остальные организмы;

• весь комплекс гетеротрофных организмов (консументов, живущих за счет питательных веществ, созданных первичными продуцентами). Сюда входят животные и бесхлорофилльные растения;

• комплекс организмов, разлагающих соединения до минерального состояния. Их называют редуцентами, или деструкторами: бактерии, грибы, простейшие и организмы, питающиеся мертвыми органическими веществами.

Все эти группы и звенья находятся в тесном взаимодействии.

4. ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА БИОСФЕРЫ В ПРОЦЕССЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ

Биосфера (от греческого bios – жизнь и sphaira – шар) – оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов. Термин «биосфера» впервые применил в 1875 г. Э. Зюсс, понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Учение о биосфере создано В.И. Вернадским: развил представление о живом веществе как огромной биологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания. Биосфера имеет определенные границы. Она занимает нижнюю часть атмосферы, верхние слои литосферы и всю гидросферу. Границы биосферы в большей степени условны.

Биосфера делится на три подсферы как места современного обитания организмов вместе с самими организмами:

• геобиосфера – верхняя часть литосферы, населенная геобионтами;

• гидробиосфера – гидросфера без подземных вод, населенная гидробионтами;

• аэробиосфера – нижняя часть атмосферы, населенная аэробионтами.

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Формирование биосферы происходило на протяжении миллиардов лет.

В древнейшую архейскую эру, длившуюся около 1 млрд лет, существовали бактерии, одноклеточные синезеленые и многоклеточные водоросли. Свойства этих древнейших организмов, т. е. биоты, определялись условиями внешней среды, в частности составом земной атмосферы. Первичная атмосфера Земли содержала водород, метан, сероводород, аммиак и водяные пары. Первичные микроорганизмы (биота) постепенно сокращали запасы водорода, аммиака, метана, сероводорода, а также углекислого газа (сероводород и углекислый газ выделялись из земных недр во время активной вулканической деятельности). В слоях земной коры архейского возраста находят породы органического происхождения – известняки, мрамор, углекислые вещества, которые образовались в ходе жизнедеятельности древнейших обитателей Земли. Таким образом, в определенных условиях биота (отмершая) превращалась в косное вещество. Пурпурные и зеленые бактерии, а затем синезеленые водоросли, усваивая из атмосферы углекислый газ, обогащали ее выделяемым ими кислородом.

В конце архейской эры начались размножение живых организмов (биоты) и фотосинтез. Новый способ образования потомства был закреплен естественным отбором и стал господствующим в органическом мире. Фотосинтез не только радикально изменил атмосферу Земли, наполнив ее кислородом, но и положил начало разделению единого ствола жизни на две ветви – растения и животные.

5. СОСТАВ ВОЗДУХА, ВОДЫ, ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОЧВЫ, ИХ БИОТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ

С появлением жизни на Земле и ее эволюции в течение миллиардов лет круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физического испарения добавился более сложный процесс биологического испарения (эвапотранспирации), связанный с жизнедеятельностью растений и животных (биоты). К тому же роль человека по мере его развития становится все более значительной в этом круговороте (и особенно в последние столетия, когда были сооружены каналы, водохранилища, оросительные системы).

В стоячих водах, загрязненных азотом, калием, фосфором (их соединениями), при определенной положительной температуре происходит быстрое размножение фитопланктона с поглощением вредных примесей. Вода начинает «цвести».

При транспирации происходит выделение чистой воды, так как многие вредные примеси (особенно во время кислотных дождей) остаются в почве или корнях растений. Таким образом происходит улучшение состава воды. Определение чистой воды дать довольно трудно, так как вода представляет собой очень сложное вещество, в котором водород и кислород часто являются изотопами в непостоянных пропорциях. Под чистой водой обычно подразумевается вода, не загрязненная примесями.

Растительность, или биота, очищает и воздух от вредных примесей. Установлено, что тополь, клен, ясень, ива, сирень, липа очищают воздух, поглощая свинец, хлор, соединения серы, испарения фенола и другие химические органические соединения. Поэтому эти деревья и кустарники высаживают вдоль автострад. Лесные массивы выполняют важную экологическую функцию, особенно в сочетании с реками, озерами, прудами, водохранилищами.

Почва – это «продукт выветривания, реорганизации верхних слоев земной коры под влиянием жизни, атмосферы и обменных процессов» (Обер и Булен, 1967). Почва – та среда, где взаимодействовала на протяжении миллионов лет и взаимодействует большая часть элементов биосферы: вода и воздух, климатические и физико-химические факторы, живые организмы, участвующие в формировании почвы.

Эволюция почв. Молодые почвы являются результатом постепенного выветривания материнской породы. Процесс эволюции почв заканчивается, когда возникает равновесное состояние почвы с растительностью и климатом. Стоит только одному фактору, влияющему на равновесие, измениться, как возобновляется эволюция почвы. Нередко в нарушении равновесного состояния почвы повинен человек, когда он изменяет, например, растительный покров. В тропиках вырубка леса часто ведет к катастрофическим последствиям для почвы, которая очень быстро минерализуется и превращается в настоящий панцирь из латерита. В районах с умеренным климатом почвы изменяются менее резко, так как гумус (активная, основная часть органического вещества почвы) разрушается медленнее.

Таким образом происходит биотическая регуляция почвы как составной части биосферы. Аналогичная биотическая регуляция происходила на протяжении сотен миллионов лет и происходит поныне в отношении воды и воздуха, их составов.

6. ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С АНТРОПОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА БИОСФЕРУ

Около миллиона лет назад появился особый вид млекопитающего, который в процессе своего развития должен был стать homo sapiens. Человек во многих отношениях похож на представителей животного мира. На протяжении тысячелетий он занимал в биосфере нишу, подобную той, которую занимает любое другое млекопитающее. Однако развитие мозга и интеллекта позволило человеку овладеть огнем, создать орудия труда, начать заниматься сельским хозяйством, различными ремеслами. Постепенно человек стал нарушать континентальные экосистемы, изменять ландшафты, становиться хозяином на Земле. Колоссальные успехи в науке и технике привели к увеличению антропогенного воздействия на биосферу.

Человек использует биосферу, во-первых, чтобы дышать и питаться, во-вторых, чтобы выбрасывать в нее многотонные отходы промышленности.

Антропогенное воздействие происходит на все составляющие оболочки биосферы:

• литосферу (почвы и недра);

• гидросферу (воды подземные и особенно поверхностные);

• атмосферу (воздух, начиная с приземного слоя и кончая верхней границей атмосферы).

Особенно усилилось это воздействие при демографическом взрыве во второй половине XX в., когда увеличилось потребление ресурсов биосферы, сопровождавшееся значительным загрязнением почв всех видов, вод (также всех видов) и воздуха. Причем эта «порча» биосферы продолжается и в настоящее время.

Загрязняя почвы, воды и воздух, человечество создало себе множество проблем.

Первая проблема – постоянное загрязнение атмосферы промышленными выбросами. Приводит к выпадению кислотных дождей, в результате чего снижается урожайность сельскохозяйственных культур и гибнет растительность.

Вторая проблема – интенсивное загрязнение атмосферного воздуха промышленными выбросами и выхлопными газами всех транспортных средств (автомобили, самолеты, ракеты, морские и речные суда с дизельными двигателями, железнодорожные локомотивы). Приводит к резкому увеличению онкологических, сердечно-сосудистых и бронхолегочных заболеваний.

Третья проблема – быстрое накопление углекислого газа в атмосфере, причем в огромных объемах. Привело к парниковому эффекту с последующим потеплением климата, в результате во многих районах Земли активно идет процесс опустынивания земель, приводящий к сокращению площадей сельскохозяйственных угодий.

Четвертая проблема – повреждение озонового слоя, защищающего все живое на Земле от губительной солнечной радиации, с образованием «озоновых дыр». Это происходит по разным причинам. Главная причина – применение в производстве и быту в качестве хладагентов фреонов (хлорфторуглеродов) в холодильниках, кондиционерах, рефрижераторах, а также пенообразователей и распылителей (аэрозольные упаковки). Фреоны, поднимаясь в верхние слои атмосферы, подвергаются фотохимическому разложению с образованием окиси хлора, интенсивно разрушающей озон.

7. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС

Совокупность всех экологических проблем на Земле привела к выводу, что наступил глобальный экологический кризис, который поставил человечество перед выбором дальнейшего пути развития: быть ли ему по-прежнему ориентированным на безграничный рост производства или этот рост должен быть согласован с реальными возможностями природной среды и человеческого организма, соразмерен не только с ближайшими, но и с отдаленными целями развития. Эти вопросы были рассмотрены на крупнейшем мероприятии по экологическим вопросам – Конференции ООН по окружающей среде и развитию (ЮНСЕД), состоявшейся в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро.

Основные документы, принятые на конференции:

1) Повестка дня XXI в.;

2) Программа действия ООН;

3) Декларация по окружающей среде и развитию;

4) Заявление о принципах в отношении лесов;

5) Рамочная конвенция об изменении климата под влиянием газов, вызывающих парниковый эффект;

6) Конвенция о сохранении биологического разнообразия.

В центре внимания этой конференции оказалась концепция «устойчивого развития» – такая модель развития, которая бы отвечала потребностям ныне живущих людей, не лишая в то же время будущие поколения возможности удовлетворять свои потребности. Перечисленные документы охватывают различные аспекты устойчивого развития всех стран мира в целом. Принятый на Конференции документ, получивший название «Повестка дня XXI в.», является по сути всемирной программой действий по решению задач экономического развития с учетом экологических факторов на следующее столетие. Форум в Рио-де-Жанейро учредил для проведения текущей работы по «Повестке дня XXI в.» Комиссию ООН по устойчивому развитию (ЮНКУР).

С учетом указанных проблем необходима переориентация структур производства и потребления во всех странах мира так, чтобы они соответствовали новым глобальным требованиям – устойчивости и экологической безопасности. Этого можно достичь усилиями всего человечества, но начинать движение к данной цели каждая страна должна самостоятельно с учетом нарушений природы, которые произошли на ее территории, экономических возможностей, социальных и демографических условий.

Особенно важна эта проблема для России, так как именно здесь пока сохранилась огромная территория, способная стать местом возобновления естественных экосистем, обеспечивающих устойчивость окружающей среды. Несомненно, что экологические проблемы России носят глобальный характер и затрагивают интересы всего мира. Например, в последние годы (1999–2004) в результате массовых вырубок и пожаров на больших площадях под угрозой оказались сибирские и дальневосточные леса, играющие важную роль в поддержании стабильности глобального климата и других составляющих биосферы. Поддержание экологической безопасности является одной из важнейших проблем современной России. 4 февраля 1994 г. был издан Указ Президента РФ «О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития».

8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМА И СРЕДЫ

На Земле существуют 500 млн различных организмов, из них изучено и систематизировано около 3 млн. Каждый вид живого организма занимает в биосфере Земли определенное место – экологическую нишу.

В земных условиях живые организмы освоили четыре основные среды обитания, сильно различающиеся по специфике условий. Первой по времени была водная среда, в которой возникла и распространилась жизнь. На последующем этапе развития и эволюции живые организмы овладели наземно-воздушной средой, на дальнейших этапах эволюции жизни на Земле они создали и заселили почву. Четвертой специфической средой жизни стали сами организмы, тела которых использовались паразитирующими организмами, или симбионтами (в условиях симбиоза).

Живой организм, испытывая потребность в притоке вещества, энергии и информации, полностью зависит от среды. Российским ученым К.Ф. Рулье открыт закон: «Результаты развития (изменений) любого объекта (живого организма) определяются соотношением его внутренних особенностей и особенностей той среды, в которой он находится». Живой организм является начальной, основной единицей обмена веществ. Именно с организма и начинается цепочка взаимоотношений живой материи, ее нельзя прервать ни на одном уровне. Совершенно очевидно, что существует глубокая связь между организмом и окружающей средой.

Среда – это комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. В широком смысле это материальные тела, явления и энергия, воздействующие на организм. Радикальное неблагоприятное изменение среды обитания приводит к гибели и исчезновению живых организмов. Примером может служить сброс плохо очищенных сточных вод (промышленных и бытовых) в реки и водоемы, в результате чего гибнет рыба, а также те организмы, которыми она питалась.

Организмы и сами способны существенно воздействовать на среду. Так, их жизнедеятельность сильно влияет на газовый состав атмосферы. Это связано, в частности, с тем, что в результате фотосинтеза зеленых растений в атмосферу поступает кислород. Диоксид углерода, напротив, извлекается из атмосферного воздуха растениями и вновь поступает туда в процессе разложения остатков погибших организмов.

Таким образом, организмы испытывают воздействие постоянно меняющихся условий среды, но и сами способны изменять эти условия.