Биосфера и человек

Лекция 1 БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК Термин экология (от греч. «ойкос» - дом, жилище, «логос» - учение, наука) предложил в 1869 году крупный немецкий биолог Эрнст Геккель (1834-1919). Как самостоятельная научная дисциплина экология выделилась в цикле биологических дисциплин в начале XX в. и всю первую половину столетия она развивалась как биологическая наука. В этот период экология понимается как наука об отношениях организмов или их групп, как между собой, так и со средой их обитания, т.е. как наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Под экологией Э. Геккель понимал область исследований, связанных с изучением всей совокупности взаимоотношений животного мира с окружающей его средой, как органической, так и неорганической. Следовательно, в таком первоначальном понимании экология в первую очередь касалась царства животных, а растения и другие представители живой природы относились к среде обитания, или к окружающей их (животных) среде. По мере накопления экологических знаний предмет экологии расширялся и, став самостоятельной биологической наукой, экология изучает организацию жизни на трех уровнях. На первом уровне исследуется взаимодействие отдельного организма с окружающей его средой (образ жизни, поведение, взаимодействие с отдельными элементами среды обитания и т.п.). Однако в реальных условиях ни один организм не существует в природе обособленно, т.е. вне связи с другими подобными себе особями того же вида. Известно, что организмы существуют в виде особых группировок (популяций и популяционных групп), обладающих качественно особыми реакциями на окружающую среду (например, изменениями численности группировки при смене условий питания и др.) в отличие от отдельных особей того же вида. Изучение этого вида экологических взаимоотношений относится ко второму уровню исследований в экологии. А третий уровень связан с рассмотрением еще более общих взаимоотношений, а именно: взаимоотношений организмов со всеми остальными компонентами окружающей среды, без изучения которых невозможно понять биологические особенности того или иного вида, прогнозировать его поведение в изменяющейся окружающей среде. В процессе развития биологической экологии (биоэкологии) возникла необходимость классификации экологических знаний по отношению к крупным группам организмов и различным средам обитания. Поэтому стали выделять экологию животных, растений и микроорганизмов, а по средам обитания - экологию водоемов, суши и воздушной среды, экологию тропиков, умеренной и полярной зон. Перечисленные выше виды направлений экологической науки объединяют под единым названием общей экологии, предметом изучения которой являются живые (биотические) организмы, популяции, сообщества, взаимоотношения видов, абиотические компоненты окружающей среды. Демографический «взрыв» и быстрый промышленный рост во многих странах после второй мировой войны привели к тому, что стали явно проявляться негативные последствия чрезмерного воздействия человека на окружающую его среду, обусловившие возникновение экологического кризиса, создающего реальную угрозу для существования человечества на планете. Наряду с экологическим кризисом, который постепенно приобретает планетарный (глобальный) характер, в последние десятилетия сформировались и другие глобальные проблемы, под которыми понимают природные, природно-антропогенные или чисто антропогенные явления, затрагивающие мир в целом. Процесс развития этих явлений называют глобализацией. К наиболее важным их них относятся: проблема предотвращения ядерных конфликтов, демографическая, ресурсная, энергетическая и продовольственная проблемы, которые тесно взаимосвязаны и способствуют развитию экологического кризиса. Решение включает разработку процедур и механизмов, обеспечивающих сохранение и развитие человеческой цивилизации, что невозможно без использования междисциплинарных знаний о взаимодействии общества и природы, что и превратило современную экологию в комплексную междисциплинарную дисциплину. Этот второй период становления экологии можно назвать интеграционным периодом, в течение которого сформировались новые направления экологических научных дисциплин, в том числе прикладная экология, экология человека и социальная экология. Прикладная экология - это комплексная междисциплинарная наука, включающая промышленную (инженерную), сельскохозяйственную, медицинскую, социальную и другие экологические дисциплины, взаимосвязанное использование которых направлено на обеспечение экологической безопасности человека и сохранение окружающей его природной среды. В рамках прикладной экологии изучаются междисциплинарные проблемы взаимодействия общества и природы, интенсивно развиваются экологические исследования, связанные с анализом факторов антропогенных воздействий на природную среду и изучением влияния загрязнения окружающей среды, а также комплексные исследования, направленные на выход человечества из сложившегося экологического кризиса. Общие законы биоэкологии в полной мере справедливы и для человека как биологического вида. Поэтому в рамках экологии животных возник раздел экологии человека, который впоследствии превратился в важный раздел современной экологии. Термин «экология че­ловека» был введен в 1921 г. американскими учеными Р. Парком и Э. Бюргессом. В настоящее время экология человека - это комплексная научная дисциплина, связанная с изучением природных, экономических, социальных, личностных закономерностей взаимоотношений человека и окружающей его среды и направленная на разработку стратегии и комплекса мер по обеспечению экологической безопасности человека и его разнообразных потребностей, (культурные, личностные, духовно-нравственные и др.). В связи с этим в экологии человека выделяются экология человеческой личности и экология человеческих популяций, в том числе и экология этносов. Этнос (по Н.Ф. Реймерсу) - это исторически сложившаяся, целостная и устойчивая общность людей, характеризующаяся определенными особенностями физического и психического склада, культурно-исторического развития и отношений с природной средой. Окружающая среда - совокупность объектов окружающего человека мира, оказывающих существенное влияние на обеспечение его жизнедеятельности и удовлетворение его разнообразных (биологических, культурных, экономических, личностных, социальных, коммуникационных и др.) потребностей. Окружающая среда как сложная система состоит (по Н.Ф. Реймерсу) из четырех неразрывно взаимосвязанных компонентов-подсистем: а) собственно природной среды, б) порожденной агротехникой среды, в) искусственной среды и г) социальной среды. Каждая подсистема ок­ружающей среды отвечает за обеспечение определенных потребностей человека и обусловливает качество жизни и безопасность его жизнедеятельности. Собственно природная среда, или окружающая природная среда, - составная часть окружающей человека среды, включающая объекты живой и неживой природы, которые оказывают суще­ственное влияние на жизнедеятельность и удовлетворение ряда важ­ных потребностей человека (биологических, культурных и др.). В экологической литературе встречается термин среда обитания, под которой обычно понимают ту часть природы, которая окружает жи­вой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. На нашей планете организмы освоили четыре основные среды обитания, кардинально отличающиеся по специфике условий. Водная среда была первой, в которой возникла жизнь. Затем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и заселили почву. Четвертой специфической средой стали сами живые организмы, каждый из которых представляет собой целый мир для населяющих его паразитов. Поэтому используемое в биологическом смысле понятие, среды обитания следует рассматривать как синоним окружающей приходной среды, однако в общем смысле это понятие должно включать и объекты других составных частей окружающей среды, в частности, социальной среды. Социальная экология рассматривает взаимоотношения общества и природы и разрабатывает социальные аспекты рационального природопользования. В связи с этим важное значение приобретает упомянутая выше компонент - подсистема «окружающей среды - социальная среда». Развитие социальной экологии позволит реализовать комплексный подход к разработке новой стратегии природопользования - рационального природопользования, основанного на эколого-экономических механизмах управления, так как экономические механизмы управления природопользованием как в рыночных условиях, так и в условиях социалистической системы хозяйствования оказались неспособными устранить принципиальные недостатки современного, нерационального природопользования, которое рассматривается как основной фактор возникновения глобального экологического кризиса. Связь экологии с другими дисциплинами. Будучи по происхождению биологической наукой, экология в настоящее время превратилась в комплексную междисциплинарную науку, включающую наряду с биологическими также и социально-экономические, географические, духовно-нравственные, культурно-эстетические знания и призванную сыграть важную роль в формировании нового, экологически ориентированного мировоззрения современного человека. В связи с этим современные экологические знания неразрывно связаны с другими областями научного знания. Ранее неоднократно подчеркивалось, что экология возникла как раздел биологии. Действительно, в основе экологии лежит фактический материал из различных отраслей биологии, так как воздействие окружающей среды на организмы может оцениваться с помощью биологических показателей их состояния. При этом используются, в частности, знания из морфологии (учение о строении организмов), включающей анатомию, эмбриологию, гистологию, цитологию. Взаимодействия организмов с химическими компонентами окружающей среды изучаются в физиологии и биохимии, а внешние реакции являются предметом этологии - науки о поведении. Так как перечисленные здесь знай, относятся ко всем крупным группам организмов - животным (включая человека), растениям и микроорганизмам, то они входят в качестве составных частей в антропологию, зоологию, ботанику, микробиологию и др. Существенные отличия условий существования организмов в раз­личных географических зонах на земной поверхности или в глубинах планеты вызвали необходимость дифференциации экологических зна­ний в зависимости от географического размещения организмов на Земле. Это проявилось, в частности, в формировании различных разделов общей экологии - экологии тропиков, экологии умеренной и полярной зон и др. При организации природопользования необходимо учитывать географические особенности и различия реакций разных природных систем (водных и наземных) на антропогенные воздействия. Поэтому экология тесно связана с географией, в рамках которой возили и самостоятельно развиваются такие области, как ботаническая, зоологическая, медицинская и другие географии. На стыке экологии и географии сформировался и быстро развивается важный раздел экологии - географическая экология, называемый также геоэкологией или ландшафтной экологией. Здесь будет уместно напомнить, что ландшафтом называют природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (воды, почвы, рельеф, климат, растительный и животный мир), взаимодействуя друг с другом, образуют однородную по свойствам целостную систему. Задачи природопользования вызвали в последнее время необходимость самостоятельного развития геоэкологии, которая в современном виде включает себя и конкретные знания геологии, геохимии, гидрологии и др. В основе жизни лежит обмен веществ между организмами и средой, происходящий как в виде химических процессов в отдельных организмах, так и в виде более сложных процессов, протекающих на уровне экологических систем и биосферы в целом, рассматриваемых обычно как процессы круговоротов вещества и именуемых биогеохимическими циклами. Фундаментальные законы физики - законы термодинамики, законы сохранения вещества и энергии и др. - используются при формулировании основных закономерностей биологических и физических процессов переноса и преобразования органического веще­ства в пищевых цепях, процессов взаимодействия организмов с косными (неживыми) компонентами окружающей среды. Как результат активного использования человеком природных ресурсов возник специфический вид круговоротов вещества - антропогенный круговорот, называемый ресурсным циклом, который является составной частью естественных биогеохимических циклов. Поэтому в химической науке к настоящему времени сформировалось новое экологическое научное направление - химия окружающей среды (химия воды, химия атмосферы, химия почв), основанная на законах общей химии, органической и неорганической, физической и коллоидной химии и других разделов химической науки. Общеизвестно, что в результате интенсивной деятельности человека на Земле значительно ухудшилось качество окружающей среды, что означает несоответствие условий среды обитания физиологическим требованиям организма. Организм реагирует на это различными заболеваниями, выявление и лечение которых - уже задача медицины. Медицинская наука и ее отрасли - санитария и гигиена - исследуют последствия химического, биологического и физического (в особенности, радиационного) загрязнения окружающей среды в результате производственной деятельности людей. Одна из основных задач этих исследований - определение норм радиационной безопасности людей в условиях радиационных излучений, что является предметом радиологии. Важная группа задач связана с определением величин предельно допустимых концентраций различных веществ, при которых присутствие этих веществ в воде, почве, воздухе или в продуктах питания может рассматриваться как относительно безвредное для человека и других организмов. Этим занимается токсикология и ее раздел - экотоксикология, ориентированная на разработку нормативов экологической безопасности природной среды в условиях химического загрязнения. Разработка мер борьбы с распространением инфекционных заболева­ний составляет предмет эпидемиологии. Изучение любых взаимодействий между организмами и средой может быть основано только на анализе количественных показателей состояния организмов и среды. Поэтому такие исследования возможны лишь с применением математических методов, в частности, корреляционного, факторного, кластерного и других видов анализа. Получение количественных оценок имеет конечной целью выявление тенденций в изменениях изучаемых процессов (биологических, биохимических и др.), которые в дальнейшем могут быть основой для прогнозирования состояний, изменений различных процессов и их возможных последствий. Результаты таких исследований с помощью математических методов могут быть представлены в формализованном виде (например, аппроксимации эмпирических графических зависимостей, уравнения регрессии и др.), что может составить основу для прогнозирования изучаемых процессов. В настоящее время широкое распространение в экологических исследованиях получили методы математического моделирования - аналитические, имитационные, эмпирико-статистические и др. Эти методы, и особенно имитационное моделирование, находят широкое применение в экологическом прогнозировании с использованием компьютерной техники и информационных технологий. Чтобы в условиях современного индустриального общества обеспечить человеку приемлемое качество окружающей среды, соблюсти нормативы загрязнения в местах проживания и трудовой деятельности, необходимо создание систем мониторинга и контроля качества среды, необходимы комплексы очистных и природоохранных сооружений и экозащитной техники и др. Но такие системы и комплексы и другие мероприятия по защите окружающей среды и реабилитации нарушенной природной среды требуют значительных материальных, людских и финансовых затрат, практически сравнимых с затратами на основное производство. Выбор оптимальных и экологически приемлемых вариантов и стратегий природоохранной деятельности на государственном, региональном или местном уровнях возможен только на основе применения экономических методов. Как показывает международный опыт, качество окружающей среды в любом государстве соответствует его экономическому состоянию. В последнее время стало очевидно, что качество окружающей среды невозможно поддерживать на приемлемом для безопасности жизнедеятельности человека уровне, если кардинально не будет изменена стратегия природопользования. Сделать использование природных ресурсов экономным и не загрязняющим среду призвана новая отрасль экономической науки - экономика природопользования. Конституция РФ провозглашает право граждан на благоприятную окружающую среду. Однако в процессе природопользования между гражданами, между отраслевыми ведомствами различного уровня возникают противоречия, которые в конечном итоге приводят к нарушению прав граждан на чистую среду обитания и к нерациональному, часто хищническому, использованию природных ресурсов. Деятельность одних отраслей народного хозяйства может наносить ущерб другим отраслям и обществу в целом. Для регулирования этих отношений необходимо иметь развитое правовое обеспечение природопользования, основанное на подчинении промышленной, хозяйственной, индивидуальной и общественной деятельности правовым нормам - законам, указам, постановлениям, инструкциям, составляющим сферу экологического права. Философы всех времен, начиная с античности, пытались осмыслить взаимоотношения природы и человека. Организм человека не дает ему возможности на биологическом уровне конкурировать с другими видами. Зато разум позволяет организовать систему самозащиты, оградить себя и близких от опасностей внешней среды. Исторический опыт взаимоотношений человека и природы отражается в культуре (от лат. - возделывание, воспитание, образование, развитие), под которой понимается специфический способ организации и развития человеческой жизнедеятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда, в системе социальных норм и учреждений, в духовных ценностях, в отношении людей к природе, между собой и к самим себе. В понятии культуры фиксируются как общее отличие человеческой деятельности от биологических форм жизни, так и качественное своеобразие форм человеческой деятельности на различных этапах общественного развития, в рамках определенных общественно-экономических формаций, этнических и национальных общностей (например, русская культура), а также особенности поведения и деятельности людей в конкретных сферах общественной жизни (например, культура природопользования или экологическая культура). Глобальный экологический кризис стимулировал в последние годы работу философской мысли в направлении поиска путей гармонизации отношений общества и природы, Актуальным философским учением в наши дни становится экологическая этика, связанная с экологически корректным обращением человека с природой, нравственным осознанием того, что все живые организмы имеют равное с человеком право жить на планете, что безнравственно лишать жизни другое существо, по крайней мере, если это не вызвано жизненной необходимостью. Эти принципы еще много веков назад были заложены в религии некото­рых народов (например, индейские племена или некоторые северные народности), что позволило многим из них сохранить в почти нетронутом состоянии окружающую их природную среду. В основе формирующейся в современном мире этики природопользования должен лежать принцип уважения к природе. Изложенное показывает, что современная экология, превратившаяся в комплексную научную дисциплину, имеющую закономерные связи с многими научными отраслями. Необходимость решения глобальных проблем человечества, все из которых пронизываются экологической составляющей, требует разработки комплексных процедур и механизмов сохранения и развития человеческой цивилизации путем оптимизации взаимодействия общества и природы. Решение этих проблем невозможно без применения междисциплинарных подходов к использованию знаний из различных научных областей. В связи с этим в последнее время складывается особая научная отрасль, называемая глобалистикой, занимающаяся изучением глобальных проблем, в том числе и проблемы преодоления глобального экологического кризиса. Взаимоотношения общества и природы. На самых ранних стадиях становления общества социальные качества нового биологического вида - человека только начинают оформляться. В течение самого длинного (первобытного) этапа человеческой истории главной целью людей являлось приспособление к природе. Человек внимательно, чутко улавливал биологические ритмы, подстраивался к ним, стремился соответствовать требованиям, которые предъявляла окружающая среда. Постепенно, обеспечив свою защищенность от непосредственных негативных воздействий, общество от обороны переходит к наступлению на природу: собирательство вытесняется охотой, добычей, а затем производством продуктов питания - животноводством и растениеводством. Бурно развиваются человеческие потребности, а также и способности. Возникают ремёсла, растут города, усложняется политическая жизнь, накапливаются знания. Однако зачастую общество вовремя не замечает и не предотвращает разрушительное воздействие, которое оно оказывает на природу. В средние века человек отразил в культуре сознательное стремление жить правильно, не нарушая не только юри­дические, но и нравственные нормы, которые в целом обеспечивали устойчивое, природосообразное развитие общества. Развитие присущего только людям способа включения культуры во взаимоотношения с природой приносит человеку как огромные возможности, так и небывалые трудности, связанные с обособлением культуры от природы. Уже в эпоху Возрождения меняется иерархия социальных целей и ценностей. Культура переключается с проблемы соответствия человека миру (природной и социальной среде) на проблему соответствия мира человеку. Человек сам становится мерой совершенства, гуманизм и человечность - основной целью, а окружающая его природно-социальная среда - средством достижения цели. В Новое время (с XVI века) отношения общества и природы выходят на новый виток своего развития, еще более динамичный и драматичный. Чело­век рассматривает природу лишь как средство удовлетворения собствен­ных растущих день ото дня потребностей. Общество культивирует по отношению к природе потребительскую, явно агрессивную линию поведения. С средины XX века в мире разворачивается научно-техническая революция, с использованием достижений науки создаётся новое по­коление техники, обеспечивающей интенсификацию, усиление не только физической, но и умственной деятельности людей (компьютеризация, информатизация). В результате возможности общества воздействовать на природу и изменять природные комплексы необычайно возросли. Рост экономической и технической мощи человечества приводит к тому, что конфликт между обществом и природой достигает небывалой преж­де остроты, что обусловило возникновение экологического кризиса, грозящего экологической катастрофой, т.е. ситуацией, когда природная среда на нашей планете будет непригодной для обитания на ней жи­вых существ. Однако общество продолжает наращивать темпы потреб­ления, навязывая всем своим членам ориентацию на максимальную «потребительскую корзину», в которой и съестные деликатесы, и самая новая бытовая техника, автомашина (и обязательно самой последней марки), изощрённый, огромный набор одежды, престижное жильё, спут­никовое телевидение. Экологический кризис - напряженное состояние взаимоотноше­ний между обществом и природой, характеризующееся несоответстви­ем (чрезмерностью) антропогенной нагрузки на природную среду эко­логическим возможностям биосферы. Экологический кризис характе­ризуется не только усилением воздействия человека на природу, но и резким увеличением влияния измененной людьми природы на здоро­вье населения и на общественное развитие. В течение исторического времени выделяют несколько экологи­ческих кризисов. Первым считается кризис собирательства и прими­тивного промысла. Следующим был кризис консументов, проявивший­ся в оскудении охотничьих ресурсов, когда стали исчезать крупные по­звоночные в результате хищнической деятельности человека. Третий кризис связан с появлением земледелия и скотоводства, проявился в засолении почв и деградации поливных земель. Четвертый кризис, на­зываемый кризисом продуцентов, связывают с массовым уничтожени­ем лесов как для освобождения земель под сельскохозяйственные поля и пастбища, так и с целью использования дерева в качестве строитель­ного материала и топлива. Этот процесс начал интенсивно развивать­ся 3-4 тыс. лет назад в Китае, на Ближнем Востоке и в Индии, позднее охватил Европу, а после Великих географических открытий принял пла­нетарный характер. Однако вплоть до XX века его последствия прояв­лялись на локальном и региональном уровнях и еще не носили гло­бального характера, так как биосфера справлялась с антропогенными нагрузками и вызванные ими изменения не оказывали существенного влияния на состояние биосферы. Но в XX веке, и особенно во второй его половине, резко усилилось воздействие человека на природу, что привело к возникновению глобальных экологических проблем и угро­зы перерастания экологического кризиса в глобальную экологическую катастрофу. В наше время уже есть примеры локальных экологических катастроф, например Аральское море. Современный экологический кризис можно охарактеризовать следующими количественными показателями. Нарастающие темпы индустриализации вызваны беспримерным численным ростом народонаселения Земли. Известно, что за последнее столетие численность населения увеличилась вчетверо и достигла 6 млрд. человек, а ежегодный прирост составляет около 80 млн. человек. Но по сравнению с ростом населения потребление человечеством природных ресурсов растет еще более стремительными темпами. Об этом свидетельствует то, что потребление материалов в 2000 г. по сравнению с 1900 г. возросло в 9 раз, а энергии - в 12 раз. Такие высокие темпы использования природных ресурсов приве­ли к тому, что в настоящее время человек эксплуатирует более 55% суши и около 13% речных вод, а скорость сведения лесов достигла 18 млн. га в год. Известно, что в результате застройки территорий, прове­дения горных работ, из-за опустынивания и засоления ландшафтов человечество ежегодно теряет более 50 тыс. кв. км земель, пригодных для сельскохозяйственного использования, что усугубляет проблемы обеспечения продовольствием ежегодно увеличивающегося народо­населения планеты. Примеры негативного воздействия человеческой деятельности на природу можно продолжать долго. Однако сами по себе достижения научно-технической революции не являются вредными или опасными. Такими они становятся в руках людей с экологически неразвитым сознанием, которые не в состоянии предвидеть последствия своих действий. Человечество не ощущает себя неразрывно связанным со всеми остальными частями биосферы и не рассматривает себя как часть биосферы, способную оказывать существенное влияние на нее. Следовательно, основу современного экологического кризиса составляет кризис духовной жизни общества. Из вышеизложенного ясно, что преодоление экологического кри­зиса связывается прежде всего с духовным оздоровлением общества, с переходом к новым принципам взаимоотношений общества и приро­ды, к новой системе человеческих ценностей и разумному ограниче­нию разнообразных потребностей человека до необходимого уровня. Ясно также, что использование человеком природы и преобразование природной среды в интересах общества неизбежны и закономерны, так как они осуществляются в силу действия как законов природы, так и социальных законов развития общества. Поэтому научно-технический прогресс человечества не является чем-то чуждым природе, противоречащим ей, а наоборот, он - один из последовательных и закономерных процессов эволюции. Поэтому закономерными являются и воз­никающие экологические, ресурсные и другие глобальные проблемы человечества. Так как общество не в силах остановить научно-технический прогресс, человеку ничего не остается, как научиться жить в согласии с законами природы и не переступать допустимые пределы воздействий на природную среду. Эта важнейшая для будущего нашей цивилизации задача может быть решена только на основе перехода общества на концепцию устойчивого развития с использованием новых экологических технологий, с учетом корректировки стратегии природопользования, воспитания у людей разумного ограничения человеческих потребностей. Следовательно, разработкой стратегии рационального природопользования, решением инженерно-технических и медико-биологических проблем охраны природы, разработкой и реализацией программ экологического воспитания и образования, разработкой юридических и социально-экономических механизмов управления природопользованием и т. д. должны заниматься экологически ответственные профессионалы на своих рабочих местах. Поэтому общество заинтересовано в формировании у всех своих членов экологического мировоззрения, основанного на осознании необходимости сохранения оптимальной для жизни среды обитания человечества, т.е. биосферы. Экологическое мировоззрение выражается в оптимизации взаимоотношений в системе «Общество - природа» пу­тем снижения или полного устранения влияния вредных воздействий на человека и среду его обитания, замене многоотходных, ресурсоразрушающих технологий на малоотходные, прирородосохраняющие, со­здании социальных, правовых и экономических механизмов существо­вания отдельных стран и всего человечества в оптимальных для жизни условиях. Для реализации экологического подхода к развитию взаимоотно­шений общества и природы требуется подготовка специально обучен­ных и экологически воспитанных профессионалов в различных облас­тях человеческой деятельности, что достигается созданием целостной системы экологического образования, направленной на организацию процесса приобретения знаний, умений и навыков в области экологии. осуществляемого под руководством опытных профессионально подго­товленных специалистов. Такие системы экологического образования созданы и создаются во многих странах, особенно после Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992), при­нявшей соответствующие рекомендации к правительствам всех стран мира. К сожалению, в России в настоящее время существуют проблем в экологическом образовании, вызванные рядом причин: 1) слабая материально-техническая база экологического образования; 2) в обществе не возник необходимый уровень экологического мировоззрения, требующий выделять значительную долю национального продукта на решение экологических проблем, в том числе проблем экологического образования; 3) в силу экономических трудностей приоритеты государственной политики пока не направлены в сторону экологии, как это требует в более угрожающее состояние окружающей среды во многих региона России. Цели и задачи изучения дисциплины. Быстрое усиление антропогенной нагрузки на природную среду привело к глобальному экологическому кризису, выход из которого возможен только в случае, если человек научится правильно определять допустимые пределы антропогенных воздействий на природу и оценивать вызванные ими количественные и качественные изменения природной среды. На основе этих знаний человечество может выработать комплекс мер, которые позволили бы ему не превышать эти допустимые пределы. Изучение этих вопросов и определило основные цели данной дисциплины. Достижение сформулированной выше цели изучения экологии в рамках данной дисциплины предполагает решение ряда основных за­дач данного курса, связанных с рассмотрением биолого-географичес­ких закономерностей формирования и эволюции биосферы Земли и экосистемных закономерностей ее функционирования, с рассмотрени­ем актуальных проблем взаимодействия человека и биосферы и фор­мированием факторов техногенного воздействия на природную среду (в первую очередь, химического и радиационного загрязнения) и их влияния на здоровье человека с учетом социально-экономических и государственно-политических аспектов. Перечень этих задач опреде­ляет основное содержание первой части курса. Вторая часть курса рассматривает основные при­чины глобализации экологических проблем (отходы, загрязнение ок­ружающей среды, истощение озонового слоя, потепление климата в результате «парникового эффекта и др.) и связанные с ними ресурс­ная, энергетическая, продовольственная и другие проблемы челове­чества, их современные проявления и возможные социально-эконо­мические последствия, а также изучает принципы и проблемы управле­ния и устойчивого развития с учетом социально-экономических, государственно-политических, культурно-нравственных и других аспектов, эколого-экономические принципы рационального природопользования и подходы к охране окружающей природной среды с учетом особенно­стей российского и зарубежного экологического права и технологичес­кого и информационного обеспечения, рассматривает демографичес­кие перспективы на XXI век и возможности международного сотрудни­чества в решении проблем окружающей среды. 1.1. Основные понятия и определения Вернадский и биосфера. Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744 - 1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в XVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ламарка ввел в науку термин «биосфера», рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп. Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению. Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский ученый - геолог В.И. Вернадский (1863 – 1945), создавший в 20-х годах XX века современное учение о биосфере. Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому. Изучая историю минералов и миграцию химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский выявляет огромную роль живого веще­ства в геохимических процессах на нашей планете. Для изучения роли живого вещества в эволюции биосферы ему потребовались знания биологии, геологии, химии, на основе которых сформировалась новая наука - биогеохимия. Об исключительной роли живого вещества в био­сфере В.И. Вернадский пишет в «Очерках геохимии", опубликованных в 1924 г. в Париже и в 1927 г. в Ленинграде. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», в которой представление биосферы как «тонкой пленки жизни», «живой оболочки» Земли оказалось очень своевременным, хотя и несколько опередившим время, учению В.И. Вернадский о биосфере сначала не было оказано должного внимания. Однако изучение по­следствий радиоактивного и химического загрязнения атмосферы, гид­росферы и почв после второй мировой войны заставило ученых и по­литиков обратиться к учению Вернадского о биосфере, которое получи­ло широкое распространение в западных странах, а затем и во всем мире. В последние годы жизни Владимир Иванович Вернадский писал в дневнике: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологи­ческой силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится воп­рос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего чело­вечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к кото­рому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера». Понятие ноосферы (от греч. ноос - разум) также имеет свою исто­рию. Считается, что оно было введено в XIX в. французским ученым Ле Руа и развито далее Тейяр де Шарденом (1881 - 1955). Они понимали под этим термином особую оболочку Земли, рассматриваемую в каче­стве некоего «мыслящего слоя» над биосферой, в который включается индустриальное общество с атрибутами цивилизации (языком, религи­ей и пр.). Однако Вернадский рассматривал ноосферу как новое гео­логическое явление на Земле и человек в ней впервые становится мощной геологической силой. Как и все живое на Земле, он может мыс­лить и действовать только в области распространения жизни, т.е. в био­сфере, с которой он неразрывно связан и из которой уйти не может. Вернадский считал, что на данном этапе эволюции биосферы человек будет вынужден не только исправить возникшие в результате его дея­тельности нарушения в состоянии природы, но и предотвращать подоб­ные нарушения в будущем. В настоящее время весьма ощутимые последствия научно-технического прогресса, поставившие под угрозу существование человечества на Земле, привели к необходимости предвидения последствий человеческой деятельности во всех странах с целью сохранения биосферы, т.е. жизни на Земле. Поэтому охрана биосферы должна быть заботой всего человечества, живущего на Земле, и как руководителей государств, так и отдельных людей. Для этого каждому надо знать строение биосферы, взаимосвязи происходящих в ней процессов и влияние деятельности человеческого общества на возникающие в биосфере изменения. Выдающийся ученый и мыслитель В.И. Вернадский был уверен, что знание процессов, происходящих в биосфере, и разумная организация жизни и всей деятельности человечества приведут к созданию ноосферы на нашей планете. Однако необходимо отметить, что, кроме представлений о неизбежности перехода биосферы в ноосферу, изложенных в учении В.И. Вернадского о биосфере, в научном мире существуют и другие взгляды на перспективы развития биосферы. Общая характеристика биосферы. Биосфера (по В.И. Вернадскому) - оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках - геосферах Земли (литосфера, гидросфера и атмосфера). К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством. Еще со времени Ламарка было известно, что процессы, происходящие в геосферах Земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы. Но и само живое вещество, как показал В.И. Вернадский, производит существенное преобразование геосфер. Причем с появлением человечества на Земле это преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня. Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли. По современным оценкам сухая масса живого вещества биосферы, составляющая всего 2-3 трлн. т, в тысячу раз меньше массы тропосферы, в десять миллионов раз - массы земной коры и в миллиард раз - массы Земли. Именно ее «ничтожные» размеры длительное время мешали геологам понять исключительную роль жизни на Земле в геологических процессах, на что и обратил внимание В.И. Вернадский. Распределение массы живого вещества (биомассы) в биосфере крайне неравномерно. На океан приходится лишь 3% суммарной биомассы Земли. Однако вследствие значительно более высокой интенсивности жизненных процессов в океане по сравнению с сушей океан ежегодно производит живое вещество, масса которого составляет более четверти от суммарной продукции биосферы Земли, оцениваемой величиной 230 млрд. т. Несмотря на удивительно малую величину ежегодно производимой на Земле биомассы, накопленное за миллионы лет в осадочных толщах земной коры захороненное органическое вещество и привело к образованию таких полезных ископаемых, как каменные угли, нефть, газ, фосфориты и др. Фотосинтез и круговорот веществ - основные факторы существования биосферы. Фотосинтез является единственным на Земле процессом, в котором зелеными растениями из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды, минеральных солей) с помощью солнечной энергии в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения. Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, - основа жизни всех других организмов биосферы. Все виды живых существ, обитающие на Земле, используют в конечном счете одну и ту же форму энергии химических связей. Любое проявление жизни на нашей планете связано с образованием и потреблением этой биохимической энергии. Источник энергии для фотосинтеза (солнечная радиация) и главный инструмент фотосинтеза (живой организм) преобразуют углекислый газ, воду и минеральные соли в биохимическую энергию. Фотосинтезирующие организмы, использующие солнечную энергию для образования органических веществ из неорганических соединений и углекислого газа и называемые автотрофами (самопитающиеся), преобразуют энергию солнечного света в биохимическую энергию, запасая ее в виде энергии химических связей в сложных органических молекулах. Другие организмы биосферы (большинство бактерий, грибы, животные), нуждающиеся для своего роста и развития в готовых органических соединениях, - гетеротрофы, т.е. питающиеся другими организмами. Кроме фотосинтеза, другим важнейшим для существования жизни процессом в биосфере является круговорот веществ, осуществляемый благодаря наличию в биосфере автотрофов, создающих органически! вещества из неорганических, и гетеротрофов, которые используют эти органические вещества и снова превращают их в неорганические соединения, пополняя запас последних в биосфере. Следовательно, фотосинтез и круговорот веществ - это два основных фактора существования биосферы Земли. 1.2. Этапы эволюции биосферы Геохронологическая шкала. Большинство авторов гипотез о происхождении жизни на Земле допускали, что в течение огромного промежутка времени наша планета была безжизненной и на ее поверхности, в атмосфере и океане происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который привел к образованию первых примитивных организмов. Установилось почти традиционное представление о том, что на Земле происходила длительная химическая эволюция, предшествовавшая биологической и охватившая интервал времени не менее 1 млрд. лет. Фоссилизированные (окаменевшие) остатки организмов встречаются в отложениях последних этапов геологической истории, охватывающих 570 млн. лет. По инициативе американского геолога Ч. Шухерта этот период назван фанерозойским эоном, или фанерозоем (от греч. фанерос - очевидный, четкий, зое - жизнь), к фанерозою относятся три последние эры в истории земной коры: палеозойская, мезозойская и кайнозойская. Более древняя и самая продолжительная часть геологической истории названа криптозоем (от греч, криптос- скрытый), охватывающий огромный промежуток времени - 570-4500 млн. лет тому назад и обозначаемый как докембрий. Этот первоначальный этап геологической истории биосферы принято подразделять на два последовательных периода: 1) архейская эра, продолжительностью около 1900 млн. лет, 2) протерозойская эра, продолжительностью около 2000 млн. лет. Геохронологическая шкала представляет интерес с точки зрения рассмотрения последовательности этапов развития биосферы, так как позволяет датировать историю возникновения видов организмов. Так, архей - это время примитивных одноклеточных бактерий, протерозой - время разнообразных бактерий и водорослей. С началом палеозоя связывают первое появление многочисленных беспозвоночных, име­ющих раковину, окаменевшие останки которых находят в горных поро­дах повсеместно. В палеозое появились первые позвоночные около 450 млн. лет назад (ордовикский период), первые насекомые - 350 млн. лет назад (девон), первые рептилии - 300 млн. лет назад (каменноу­гольный период), первые хвойные - 220 млн. лет назад (пермский пе­риод), С мезозоем связано появление первых динозавров и первых млекопитающих (200 млн. лет назад в триасе) и первых птиц и сосно­вых деревьев (160 млн. лет назад в юрском периоде). Кислород в атмосфере. В развитии биосферы важнейшую роль сыграл постепенный рост концентрации кислорода в атмосфере, что создало условия для формирования озонового слоя в атмосфере, перехода на сушу зародившейся в океане жизни и появления в дальнейшем высших животных. Первичная атмосфера была почти без кислорода (0,1% от современного уровня). Изменение состава атмосферы началось приблизительно 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы. Этот процесс развивался появления 1,5 млрд. лет назад современных хлорофилловых клеток которые стали выделять большое количество кислорода и поглощал углекислый газ. Их предшественники - прокариоты (клетка без ядра) были первыми фотосинтезирующими организмами (вероятно, это были сине-зеленые водоросли, обнаруженные в докембрийских отложения в Онтарио). Приблизительно 1 млрд. лет назад количество кислород; составляло 1% от современного уровня. В эту эпоху важной была роль фотосинтезирующей активности фитопланктона, появился озоновый слой, задерживающий губительные для организмов ультрафиолетовые лучи, что способствовало дальнейшему развитию органической жизни в поверхностном слое воды. Около 600 млн. лет назад начался важный биосферный процесс: заселение материков живыми существами - появились низшие автотрофные растения, затем более сложные виды растений, что сопровождалось резким увеличением содержания кислорода в атмосфере (от 3% от современного уровня 700 млн. лет назад до 50% к началу мелового периода 140 млн. лет назад). Основные этапы развития биосферы. Можно условно выделить следующие последовательные этапы эволюции биосферы: синтез простых органических соединений, биогенез, антропогенез, техногенез и ноогенез. 1) Синтез простых органических соединений (химическая эволюция) в геосферах Земли совершался под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды. Начало этапа - 3,5-4,5 млрд. лет. 2) Биогенез - преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа - 2,5-3,5 млрд. лет назад (появление живого вещества биосферы). 3) Антропогенез - появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе производственной трудовой деятельности. Начало этапа - 1,5-3млн. лет назад (появление человека). 4) Техногенез - преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно-технических комплексов, т.е. техносферы как составной части биосферы. Начало этапа - 10-15 тыс. лет назад (появление городских поселений). 5) Ноогенез - процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально-природной системы (ноосферы). Ее можно характеризовать как состояние биосферы, при котором осуществляются: а) рациональное использование природы, т.е. рациональное природопользование; б) устойчивое развитие мирового человеческого сообщества. Заметим, что важное воздействие на эволюцию биосферы оказал дрейф континентов, в результате которого эволюция разных групп организмов пошла различными путями. Согласно теории дрейфа континентов, выдвинутой Альфредом Вегенером в двадцатых годах XX века, современные континенты возникли из единого массива суши, получившего название Пангея и существовавшего на нашей планете еще в палеозое, как остров в Мировом океане. Примерно 200-250 млн. лет назад в конце палеозоя - начале мезозоя Пангея «раскололась» на два крупных массива суши, которые стали расходиться, дав возможность сформироваться новым океанам. Индия и континенты, находящиеся сейчас в Южном полушарии (Южная Америка, Африка, Антарктида, Австралия), составляли вместе единый материк Гондвана. Нынешняя Северная Америка, Европа и Азия образовали материк Лавразия. В юрский период Гондвана и Лавразия отделились друг от друга. К тому времени эволюция динозавров достигла довольно высокой степени, хвойные леса существовали уже на протяжении миллионов лет, появились первые птицы и млекопитающие. Еще до того как началось разделение Гондваны на ныне существующие южные континенты и Индию, динозавры и хвойные леса заняли господствующее положение среди живых организмов. После разделения Гондваны эволюция видов на разных континентах пошла различными путями. Так, сумчатые млекопитающие достигли большого разнообразия в Австралии и Южной Америке, тогда как плацентарные млекопитающие заняли доминирующее положение на других континентах. Приблизительно в это же время происходило разделение Лавразии, где уже существовали хищные, копытные грызуны, приматы и многие другие млекопитающие. Поэтому неудивительно, что североамериканские, азиатские и европейские виды млекопитающих связаны между собой более близким родством, чем с млекопитающими Австралии и Южной Америки. Нынешние континенты сформировались в основном в конце мезозоя, около 110 млн. лет назад, хотя Индия, перемещаясь к северу, соединилась с Азией только 20 - 30 млн. лет назад. 1.3. Строение биосферы Современная биосфера наряду с живым веществом включает в себя полностью гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. Гидросфера. Эта геосфера представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледников. Она образует прерывистую водную оболочку Земли, занимающую более 70% ее поверхности. Масса гидросферы распределена крайне неравномерно: 98,3% ее составляет Мировой океан, 1,6% связана в материковых льдах и лишь 0,1% приходится на воды материков. Мировой океан, являющийся основной частью гидросферы, служит средой обитания огромного количества самых разнообразных представителей растительного и животного мира и мира микроорганизмов. Все морские организмы делят натри большие группы: планктон, нектон и бентос. Планктон (от греч. путешествующий) - самая большая по числу видов группа организмов, включающая в себя растения и животных, не способных самостоятельно передвигаться, «парящих» в толще воды и перемещаемых течениями. Планктон подразделяют на фито- и зоопланктон. Основная масса фитопланктона сосредоточена в поверхностном (50-80-метровом) слое воды океанов, где достаточно для фотосинтеза солнечного света. К нектону (от греч. плавающий) относятся животные, способные самостоятельно передвигаться в воде (рыбы, водные млекопитающие, кальмары и др.). Организмы, прикрепленные ко дну водоемов, ползающие по нему и зарывающиеся в него, относят к бентосу (от греч. глубинный), который подразделяется на фитобентос (разнообразные многоклеточные водоросли) и зообентос (губки, черви, моллюски и другие беспозвоночные). Масса живого вещества в гидросфере распределена крайне неравномерно. Наибольшую биомассу имеет фитопланктон, области, концентрации которого занимают около 10% площади Мирового океана и в основном расположены на шельфах. Так как для большинства представителей нектона и зообентоса фитопланктон является основным или единственным источником пищи, распределение областей их концентрации приурочено к ареалам фитопланктона. Литосфера. В современном понимании литосфера (от греч. литос - камень) - верхняя твердая оболочка Земли, толщина которого колеблется в пределах 50-200 км, Верхняя часть литосферы образует земную кору, а нижняя - верхнюю часть мантии Земли. Земная кора представляющая собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку планеты, состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Осадочный слой в основном сложен осадочными породами (глинами, песчаниками, известняками, доломитами, гипсами и др.), образовавшимися на поверхности Земли в основном в результате отложения продуктов выветривания и разрушения более древних пород, химического и механического выпадения осадка из воды, а также продуктов жизнедеятельности организмов. Мощность осадочного слоя крайне изменчива; в одних местах он отсутствует, в других - достигает толщины 20-25 км. Общий объем этого слоя составляет около 10% от объема всей земной коры, причем основная часть слагающих его пород приходится на материки и шельфы океанов. Нижняя граница биосферы проходит в самой верхней части земной коры. Отчетливое распространение жизни отмечается здесь лишь до глубины в несколько десятков метров, однако с подземными водами микроорганизмы распространяются до глубин 2-3 км, хотя известны случаи обнаружения микроорганизмов в нефтяных водах и нефти, добытых при бурении скважин с глубин более 4 км. С точки зрения концентрации живого вещества биосферы особый интерес представляет почвенный слой, толщина которого в различных ландшафтных и климатических зонах изменяется в широких пределах (от нескольких сантиметров до 1-1,5 м). Практически вся растительность суши, а следовательно, и весь ее животный мир связаны с почвой как необходимым источником пищи. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечить необходимые условия для жизни растений. Большое значение в плодородии почв играет гумус, состоящий преимущественно из продуктов биохимического разложения отмерших остатков организмов. Почва является1 местом обитания огромного количества микроорганизмов, водорослей, простейших, насекомых, червей и других беспозвоночных животных и большого количества позвоночных животных. Атмосфера. Третья геосфера Земли, с которой связана биосфера - это атмосфера, представляющая собой газовую оболочку Земли, состоящую из азота (78,08% объема), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). На долю остальных газов приходится около 0,01% общего объема атмосферы. С удалением от поверхности Земли плотность атмосферы постепенно уменьшается до высоты около 3 тыс. км, где ее плотность становится равной плотности межпланетного пространства. Обычно атмосферу представляют в виде совокупности слоев - тропосферы, стратосферы и ионосферы. Тропосфера, заключающая в себе около 80% массы всей атмосферы и практически весь водяной пар, простирается до высоты приблизительно 9 км (на полюсах) - 17 км (на экваторе). В нижней части стратосферы, простирающейся от верхней границы тропосферы до высоты около 50 км, располагается озоновый слой, для которого характерно повышенное содержание озона. Концентрация озона на высотах расположения озонового слоя 15-26 км более чем в 100 раз превышает его концентрацию у поверхности Земли. В качестве верхней границы биосферы принимается нижняя граница озонового слоя, почти полностью поглощающего губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи, Вот почему часто озоновый слой называют "озоновым щитом", защищающим жизнь на Земле. Здесь будет нелишним заметить, что включение в биосферу нижней атмосферы является несколько условным, так как нахождение организмов в ней на значительных высотах над земной поверхностью в большинстве случаев может быть временным, а истинной средой обитания их служит гидросфера, верхняя часть земной коры и тонкий слой приземной атмосферы. 1.4. Биогеоценоз Структура биогеоценоза. Биогеоценоз (от греч. био - жизнь, гео - земля, ценоз - сообщество) - наименьшая структурная единица биосферы, представляющая собой внутренне однородную пространственно ограниченную (обособленную) природную систему взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической (неживой, косной) среды. Этот термин был введен в 1942 г. известным русским (советским) ученым - биологом В.Н. Сукачевым (1880 - 1967). Биогеоценоз состоит из двух сложных компонентов разной природы: биоценоза и биотопа. Схематично это можно представить в следующем виде: БИОГЕОЦЕНОЗ = БИОЦЕНОЗ + БИОТОП. Термин биоценоз был введен немецким биологом К. Мебиусом (1877) и означает совокупность живых организмов (животных, расте­ний, микроорганизмов), существующих на относительно однородном по условиям жизни участке среды обитания. Биоценоз представляет сложную совокупность, состоящую из ряда компонентов живой природы, взаимообусловливающих существование друг друга: 1) фитоценоза - сообщества растительных организмов; 2) зооценоза - биокомплекса животных организмов (беспозвоночных и позвоночных), обитающих в почве и надпочвенной среде; 3) микробиоценоза (или микробоценоза) - сообщества микроорганизмов (бактерий, грибковых и др), живущих в почве, в воздушной и водной средах. Биотопом (или экотопом) называется относительно однородное по своим геоморфологическим, климатическим, геохимическим и другим абиотическим свойствам пространство, занятое биоценозом. Биотоп представляет собой совокупность двух взаимодействующих между собой компонентов неживой природы: 1) атмосферы, содержащей атмосферную влагу и биогенные газы (кислород и углекислый газ) и характеризуемой такими свойствами, как температура, влажность, давление, солнечная радиация, осадки и др.; 2) почвенного покрова с подпочвенными слоями материковой породы и почвенно-грунтовыми водами. Общая характеристика биогеоценоза. Все перечисленные компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством и однородностью территории, круговоротом биогенных химических элементов, сезонными изменениями климатических условий, численностью и взаимной приспособленностью многообразных видовых популяций автотрофных и гетеротрофных организмов. Следовательно, биогеоценоз - это совокупность разных видов живых организмов (биоценоз), сосуществующих в пределах пространственно ограниченного и однородного по своим абиотическим свойствам участка территории (биотопа) и взаимодействующих как друг с другом, так и с биотопом. Можно говорить о биогеоценозе березовой рощи, луга и т.п., но нельзя называть биогеоценозом сообщество бактерий в капле росы на травинке. Каждый природный биогеоценоз представляет собой сложную саморегулирующуюся систему, сформировавшуюся в результате многих тысяч и миллионов лет эволюции и обладающую способностью трансформировать вещество и энергию в соответствии со своей структурой и динамикой. Путем самоорганизации такая система способна противостоять как изменениям окружающей среды, так и резким изменениям в численности тех или иных организмов, входящих в состав биоценоза. Основу биогеоценоза составляют зеленые растения, которые, как известно, являются производителями органического вещества. Так как в биогеоценозе обязательно присутствуют растительноядные организмы (животные, микроорганизмы), потребляющие органическое вещество, го нетрудно догадаться, почему растения являются главным звеном в биогеоценозе: ясно, что если растения - главный источник органического вещества исчезнут, то жизнь в биогеоценозе практически прекратится. Круговорот веществ в биогеоценозе. Круговорот веществ - одно из необходимых условий существования жизни. Он возник в процессе становления жизни на Земле и усложнялся в ходе эволюции живой природы. Без круговорота веществ в любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, так как они перестали бы возобновляться в процессе жизнедеятельности организмов. Чтобы был возможен круговорот веществ в биогеоценозе, необходимо наличие в нем двух типов организмов: 1) создающих органические вещества из неорганических, 2) использующих для обеспечения своей жизнедеятельности эти органические вещества и снова превращающих их в неорганические соединения. В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться растениями в процессе фотосинтеза. Следовательно, кардинальную роль в круговороте веществ в биогеоценозе играют растения, использующие и запасающие преобразованную солнечную энергию. Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется лоток атомов из неживой при­роды в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Источником энергии, необходимой для создания круговорота веществ в биогеоценозе, яв­ляется Солнце. Движение вещества, вызванное деятельностью организмов, происходит циклически, оно может быть использовано многократно, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонап­равленный характер. Поэтому неправомерно отождествлять круговорот вещества в биогеоценозе с круговоротом энергии. 1.5. Популяция Основные понятия и определения. Все виды живых организмов в биосфере могут существовать только в форме популяций, Популяция - это совокупность особей одного вида, занимающих в одно и то же время определенное место в пространстве. Иногда популяцию представляют и как совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство и обладающих сходной наследственностью, т.е. внутри которой осуществляется обмен генетической информацией. Известный современный общественный деятель и ученый-эколог А.В. Яблоков определяет популяцию как минимальную самовоспроизводящую группу особей одного вида, которая на протяжении эволюционно длительного времени населяет определенное пространство и образует самостоятельную генетическую систему. Известно, что наследственная информация хранится в хромосомах в виде нуклеиновых кислот, молекулы которых или их отдельные части, называемые генами, определяют наследственные признаки. Совокупность всех генов образует генотип, а совокупность всех особей, хранящих и передающих по наследству генетическую информацию, формирует генетический фонд, или генофонд популяции. Подобно различиям, существующим между отдельными особями, имеются различия и между популяциями, так как каждая популяция приспособлена к условиям той местности, в которой она обитает. Благодаря свойству приспособления (адаптации) к условиям окружающей среды популяция может обосноваться в определенной области при наличии подходящего климата, питательных веществ и источника энергии. Поэтому каждая популяция обладает рядом признаков, отсутствующих у отдельных ее членов. Такими отличительными признаками являются численность и плотность популяции, подходящее местообитание, которое по своим температуре, влажности, характеру почвы и растительности, пищевым ресурсам и прочим параметрам соответствовало бы ее потребностям. Популяция и биогеоценоз. Подобно тому, как отдельные особи не могут существовать в природе вне популяции, так и популяции не могут существовать в определенном месте обособленно от популяций других видов, т.е. вне биогеоценоза. Поэтому можно утверждать, что биогеоценоз - это комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих попу­ляций разных видов, обитающих на определенной территории с отно­сительно однородными условиями существования. С точки зрения по­нятия биогеоценоза эта территория с относительно однородными усло­виями существования ранее была определена как биотоп. Однако в пределах одного биотопа каждый вид занимает разные участки терри­тории, обеспечивающие этому виду биотические и абиотические усло­вия, необходимые для существования популяции. Таким образом, каждый вид в пределах биотопа имеет присущее только ему место обитания. Такие места обитания вида (или местооби­тания) называются стациями (от лат. стацио - местообитание). Напри­мер, биотопом популяций лесных видов растений и животных является лес, который естественным образом разделяется на участки - стации, занятые различными древесными породами (сосна, береза, листвен­ница), для каждой из которых характерны определенные условия про­израстания, отличающиеся разными почвами, влажностью и др. Более того, различные виды насекомых, питающиеся древесными растениями (листьями, корой, древесиной), наилучшим образом развиваются на какой-либо одной древесной породе. Поэтому биотоп леса будет раз­деляться на стации, связанные с существованием популяций отдель­ных видов насекомых, входящих в состав лесного биоценоза. Следо­вательно, биотоп является совокупностью большого числа стаций. Численность и плотность популяций. Численностью популяции одно­го вида называют количество особей этого вида. Численность популя­ций в биосфере сильно меняется как во времени, так и в пространстве, зависит от условий местообитания и подвержено воздействию челове­ка. Численность популяций разных видов колеблется от нескольких десятков до десятков тысяч особей (у микроорганизмов - до миллиар­дов особей). Численность популяции - одна из ее важнейших характе­ристик, позволяющая экологам судить о степени благоприятности усло­вий обитания как для самой популяции, так и для биогеоценоза в це­лом. Плотность популяции - это ее численность, отнесенная к единице занимаемого ею пространства, или среднее число особей на едини1 площади (объема). Численность популяции может возрастать по двум причин результате миграции из соседних популяций или за счет размножения особей. Одним из показателей размножения является плодовитость, измеряемая числом потомков одной женской особи. Говоря о популяциях млекопитающих, используют термин рождаемость, определяемую как число потомков, производимых одной самкой за год. Уменьшение численности популяции может происходить также по двум причинам: в результате смертности или миграции особей в другие соседние популяции. Смертность означает вероятность смерти и определяется как доля (в процентах) умерших особей к общему их числу в популяции. Для человеческой популяции смертность выражается средним числом смертей в год на 1000 человек, а рождаемость обычно определяют числом рождений (живых детей) на 1000 человек за год. Изучением статистики рождаемости и смертности людей, анализа их временных и географических закономерностей для целей прогноза занимается демография. В таблицах 1.1 и 1.2 приведена статистика рождаемости и смертности в некоторых странах и регионах по данным 1981 г. Таблица 1.1 Статистика рождаемости и смертности в некоторых странах Страны Рождаемость Смертность Кения 53 19 Индия 36 15 Мексика 33 8 США 16 9 ФРГ 10 12 Таблица 1.2 Статистика рождаемости и смертности в некоторых регионах Страны Рождаемость Смертность Африка 46 17 Азия 29 И Латинская Америка 32 9 Северная Америка 16 9 Европа 14 10 Из таблиц 1.1 и 1.2 видны значительные отличия показателя рождаемости в разных странах и регионах (в 3-5 раз), а различия в показателях смертности несколько ниже, что позволяет сделать ряд выводов. Например, в развитых странах (США, ФРГ) смертность в среднем ниже, чем в развивающихся странах (Кения, Индия, Мексика). Известно, что в ряде развивающихся стран (например, в Индии после второй мировой войны) были введены программы медицинской помощи населению и реализованы продовольственные программы, что при сравнительно высокой рождаемости привело к снижению смертности. Разница в показателях рождаемости и смертности в развитых странах значительно меньше, чем в развивающихся странах, что объясняет высокие годовые приросты численности населения в развивающихся странах по сравнению с развитыми странами. А в ФРГ - одной из самых развитых стран мира - по данным 1981 г. смертность превысила рождаемость. В последнее десятилетие аналогичная ситуация наблюдается в России, что привело к значительному снижению численности населения (на несколько миллионов человек). По оценкам демографов в первые два - три десятилетия XXI века общая численность людей на планете увеличится приблизительно вдвое, причем население развитых стран увеличится незначительно, а основной прирост народонаселения придется на развивающиеся страны. Структура популяции. Каждая популяция имеет определенную структуру: возрастную (соотношение особей разного возраста), половую (соотношение полов) и пространственную (колонии, семьи). Возрастная структура отражает особенности распределения численности популяции по возрастам и может быть выражена в виде зависимостей относительного числа особей (по отношению к численности популяции), возраст которых находится в определенных временных интервалах. В демографических исследования возрастная структура населения отдельных стран, регионов или мира в целом определяется соотношением долей (в процентах) групп людей, чей возраст находится в равных (годовых, пятилетних и др.) интервалах времени. Графическое представление этих соотношений называют пирамидами возрастов, которые также являются показателями возрастной структуры популяции. По виду возрастной структуры можно судить о том, является пи популяция развивающейся (с растущей численностью) либо сокращающейся популяцией. Для развивающейся популяции характерно значительное превышение численности возрастной группы особей с дорепродукционным возрастом по сравнению с группой, имеющей пострепродукционный возраст. Репродукционным называют возраст особей, которые могут давать потомство. Сокращающаяся популяция имеет обратное соотношение возрастных групп до ре продукционного и пострепродукционного возрастов. Занимаемая популяцией территория является одним из ее важ­нейших характеристик. Однако эта территория разделяется на крайне неоднородные по численности и плотности популяции изолированные области, связанные с ее размещением. Характер размещения популя­ции по земной поверхности определяет ее пространственную структуру, которая для большинства популяций имеет сложную иерархию. Ниже рассмотрим одно из наиболее общих представлений сложной иерар­хической пространственной структуры популяции. Но прежде введем ряд дополнительных понятий: географическая, экологическая и элементар­ная популяции. Элементарной популяцией, или микропопуляцией, называется груп­па совместно обитающих видов, для которой характерна пространстаенная компактность расселения особей, т.е. нерасчлененность их место­обитания в пространстве. Географической популяцией называют группу особей одного вида, населяющую территорию с однородными (по сте­пени благоприятствования для этого вида) условиями существования. Экологическая популяция - это группа разнополых, половозрелых и об­ладающих равноценными условиями для полового отбора особей (в том смысле, что любые две разнополые особи данной группы могут с равной вероятностью скреститься друг с другом). Заметим, что в отли­чие от микропопуляций территории размещения географических и эко­логических популяций являются пространственно расчлененными и на географических картах будут представляться совокупностью отдельных зон. Известно, что популяция каждого вида имеет свой ареал, под кото­рым понимается область географического распространения (террито­рия или акватория) особей данного вида независимо от степени посто­янства их обитания в рассматриваемых местностях (кроме мест их слу­чайного попадания). Ареал вида занимает верхний уровень иерархи­ческой структуры популяции. На территории, связанной с ареалом вида, выделяются относительно крупные территориальные образования вто­рого иерархического уровня, занятые географическими популяциями. Внутри этих крупных территориальных образований выделяются более мелкие территории (третий уровень иерархии), занятые экологически­ми популяциями. Последний, четвертый, уровень иерархии простран­ственной структуры популяции занимают элементарные популяции, ме­стообитания которых размещаются внутри территорий, занимаемых эко­логическими популяциями. Природно-антропогенные популяции. До сих пор мы рассматривали в настоящем разделе природные популяции, находящиеся в естественных местообитаниях. Хозяйственная деятельность человека привела к возникновению природно-антропогенных популяций. Такие популяции могут быть связаны с выращиванием сельскохозяйственных культур, когда многие животные, например мыши, приспосабливаясь к системе хозяйства, изменяют характеристики своей популяции, в частности численность популяции. Используя в своих целях растительный и животный мир Земли, человек всегда имеет дело с конкретными природными популяциями, изменяя их численность, структуру и другие количественные характеристики, что во многих случаях уже приводило и приводит к исчезновению разных популяций в различных регионах. Так, резкое снижение численности многих диких животных в результате чрезмерного промысла (охота, промысловый лов рыбы и др.) может доходить до такого уровня, что нарушает условия случайного скрещивания особей и приводит к вымиранию популяции. Многие дикие копытные в Африке были не только вытеснены в процессе животноводства, но и специально уничтожены как носители опасных заболеваний, переходящих на домашних животных. Природно-антропогенные популяции формируются на всех территориях интенсивной хозяйственной деятельности, необязательно сельскохозяйственной направленности.