Экологические основы природопользования

Краткий курс лекций по дисциплине «Экологические основы природопользования» Лекция 1. Введение     Предмет экологии. Разделы экологии. История развития науки. Значение науки в наше время. 1. Наука о взаимоотношении организмов с окружающей средой по предложению Э. Геккеля (1866 г.) получила название «экология». Экология (от греч. «ойкос» - дом, жилище, и «логос» - учение) - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально она развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками. Экология как самостоятельная наука окончательно сформировалась к концу XIX века. Вместе с тем накопление сведений о зависимости животных и растений от внешних условий началось с древних времен. Сейчас понятие «экология» приобрело универсальный смысл. Оно используется тогда, когда хотят обратить внимание на условия существования и развития различных систем независимо от их природы. Экология распалась на ряд научных дисциплин, часто далеких от первоначального ее понимания. Наблюдается большое разнообразие в толковании термина «экология». В узком смысле этого термина – экология – наука, изучающая взаимоотношения живых организмов и условий среды, в которой они существуют. Предмет науки – живые организмы и их взаимодействие с окружающей средой. 2. Сегодня экология – междисциплинарная наука. В широком смысле – глобальная экология. Задачи глобальной экологии – изучение законов взаимодействия природы и общества и оптимизации этого взаимодействия. Актуальность этой проблемы привела к «экологизации» всех наук и других отраслей человеческой деятельности, то есть к обязательному учету ими законов и требований экологии. По Реймерсу, 1994 – теоретическая и прикладная экология теоретическая общие закономерности организации жизни на основе общих законов, учения о биосфере и положений экологии человека прикладная изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса, разрабатывает принципы рационального природопользования на основе теоретической экологии 16 В XXI веке экология возведена в ранг обобщающей науки, которая включает в себя экологические направления самых различных наук. Так, например, на стыке экологии с другими науками получили развитие такие новые направления, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйственная экология, промышленная экология, космическая экология и т. д. Экологическими проблемами Земли как планеты занимается глобальная экология, объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема (экосфера), а взаимоотношениями в системе «человеческое общество природа» - социальная экология. Одним из новых самостоятельных ответвлений экологии человека становится быстро развивающаяся отрасль - здоровьесберегающие образовательные технологии в школе, рассматривающая вопросы приобретения человеком навыков здорового образа жизни. Экология тесно связана с политикой, экономикой, правом (включая и международное право), психологией, педагогикой и т. п. Экология использует широкий набор методов исследования:  Метод наблюдения и описания (заключается в сборе и описании фактов);  Сравнительный метод (основан на анализе сходства и различий изучаемых объектов);  Метод эксперимента (делает возможным изучать явления природы в заданных условиях);  Исторический метод (изучает ход развития исследуемого объекта);  Метод моделирования (позволяет описывать сложные природные явления относительно простыми моделями); Задачи экологической науки состоят в следующем:  разработка теории и методов оценки устойчивости экологических систем на всех уровнях, включая биосферный;  исследование проблем популяционной экологии, экологии биотических сообществ, сохранения биоразнообразия в природе, регулирующего воздействия биоты на окружающую среду;  изучение и прогнозирование изменений биосферы под влиянием природных и антропогенных факторов и оценка экологических последствий этих изменений;  оценка состояния и динамики природных ресурсов и экологических последствий их потребления;  разработка и совершенствование методов управления качеством окружающей среды;  формирование биосферного мышления и экологического сознания у людей, выработка норм экологической этики и морали;  оптимизация экономических, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития общества и государства. Жизнь на нашей планете не хаотична. Она представляет собой строго упорядоченную систему, состоящую как бы из нескольких уровней: 1. Молекулярный. На этом уровне осуществляются такие процессы жизнедеятельности, как обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации. 2. Клеточный. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого. 3. Тканевый. Ткань - совокупность структурно сходных клеток, а также связанных с ними межклеточных веществ, объединенных выполнением определенных функций. 4. Органный. Орган - часть многоклеточного организма, выполняющая определенную функцию или функции. (В настоящее время часто выделяют единый «онтогенетический» уровень, включающий клеточный, тканевый и органный уровни организации.) 5. 0рганизменный. Организм - реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее признаками. 6. Популяционно-видовой. Популяция - совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему и населяющих пространство с относительно однородными условиями обитания. Вид - совокупность популяций, особи которых способны к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимают определенную область географического пространства (ареал). 7. Биоценотический. Биоценоз - совокупность организмов разных видов различной сложности организации, обитающих на определенной территории. Если при этом учитываются и абиотические факторы среды обитания, то говорят о биогеоценозе. 8. Биосферный. Биосфера - оболочка Земли, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов. Все вышесказанное можно представить в виде схемы (рис. 1). Как видно из рис. 1, предметом изучения экологии являются объекты организменного, популяционно-видового, биоценотического и биосферного уровней организации в их взаимодействии с окружающей средой. Необходимо отметить, что биосферный уровень организации живой материи часто не выделяют, поскольку биосфера представляет собой биокосную систему, включающую не только живое вещество, но и неживое. Таким образом, жизнь одновременно проявляется на разных уровнях ее организации. Организмы обязательно входят в состав видовых популяций, которые не существуют в природе вне биоценозов, а биоценозы являются составной частью и главной действующей силой экосистем, поддерживая в природе круговорот веществ. 17 18 природных богатств и тем самым поддержания на Земле условий для жизни человечества. Используя ее законы, человечество может найти пути не только выживания, но и дальнейшего процветания на планете. Связь экологии с другими науками. (Составление таблицы совместно с учащимися): Таблица 1 Наука Пример Практическое значение Физическая география Климатология Этология Морфология Биогеография Физиология Химия Вселенная Галактика Солнечная система Супермакромир, или космос (очень большой) Земля Биосфера (единое целое, охватывающее всю совокупность населяющих Землю организмов и среду их обитания) Экосистемы (единый природный или природноантропогенный комплекс, функциональное целое) Сообщества (биоценозы) (группировки живых организмов, обитающих в различных биотических единицах – в лесу, на лугу и т.д.) Макромир (обычный) Область экологии Популяции (совокупность особей данного вида, имеющих общий генофонд и населяющих определенную территорию) Организмы (любое живое существо, целостная система) 3. История развития экологии как науки и значение экологического образования в настоящее время Как отдельная наука экология начала оформляться всего около полутора столетий назад и прошла бурный путь развития. Ее обособление представляет собой естественный этап роста знаний о природе. Накопление сведений об образе жизни, зависимости от внешних условий, характере распределения животных и растений началось очень давно. Первые попытки обобщения этих сведений мы встречаем в трудах античных философов. Задание. Для дальнейшей работы необходимо начертить таблицу и по мере рассказа ее заполнять: Ученый Вклад в науку Элементарные частицы Рис. 1. Иерархия природных систем (по А.А. Горелову, 2002) Современная экология - это наука, познающая основы устойчивости жизни на всех уровнях ее организации. Экология является научной основой грамотных взаимоотношений общества и природы, рационального использования Аристотель (384-322 до н. э.) описал свыше 500 видов известных ему животных и рассказал об их поведении: о миграциях, зимней спячке, строительной деятельности, способах самозащиты и т. п. Ученик Аристотеля, «отец ботаники» Теофраст Эрезийский (371-280 до н.э.) привел сведения о зависимости формы и роста растений от разных условий, почвы и климата. В Средние века интерес к изучению природы ослабевает и заменяется господством богословия и схоластики. В эпоху Возрождения великие географические открытия, колонизация новых стран послужили толчком к развитию систематики. Описание растений и животных, их внешнего и внутреннего строения, разнообразия форм - главное содержание биологической науки на ранних этапах ее развития. Первые систематики - А. Цезальпино (Чезальпино) (1519-1603), Д. Рей (1623-1705), Ж. Турнефф (1656-1708) и другие - исследовали зависимость развития растений от условий произрастания или возделывания. Аналогичные 19 20 Органы Ткани Клетки (элементарная живая частица) Микромир (очень маленький) Молекулы Атомы сведения накапливались и о поведении, повадках, образе жизни животных. Постепенно к таким сведениям начали проявлять особый интерес. Описание жизни животных и растений получило название «естественной истории» организмов. В XVIII веке известный французский естествоиспытатель Ж. Бюффон (1707-1788) выпустил 44 тома «Естественной истории», где он впервые утверждал, что влияние условий (пищи, климата, гнета одомашнивания и т. п.) может стать причиной изменения («вырождения») самих видов. Помимо накопления сведений об отдельных видах начали формироваться представления и о глобальных зависимостях в распределении растений и животных по земному шару. Этому послужили материалы, собираемые во время путешествий. В XVIII веке много таких путешествий было организовано и по неизведанным краям России. В трудах С.П. Крашенинникова (1711-1755), И.И. Лепехина (1740-1802), П.С. Палласа (1741-1811) и других российских географов и натуралистов указывалось на связь изменения климата, растительности и животного мира на обширных пространствах страны. Первые попытки выявить общие закономерности влияния климата на растительность земного шара принадлежат немецкому естествоиспытателю А.-Г. Гумбольдту. Его труды (1807) положили начало развитию нового направления в науке - биогеографии. А. Гумбольдт ввел в науку представление о том, что «физиономия» ландшафта определяется внешним обликом растительности. В сходных климатических условиях у растений разных таксономических групп вырабатываются сходные «диагностические» формы, и по распределению и соотношению этих форм можно судить о специфике физико-географической среды. Появились первые специальные работы, посвященные влиянию климатических факторов на распространение и биологию животных, например книга немецкого зоолога К. Глогера об изменениях окраски птиц под влиянием климата (1833). К. Бергман выявил географические закономерности в изменении размеров теплокровных животных (1848). А. Декандоль в «Географии растений» (1855) обобщил все накопленные сведения о влиянии отдельных факторов среды (температуры, влажности, света, типа почвы, экспозиции склона) на растения и обратил внимание на их повышенную пластичность по сравнению с животными. Вся первая половина XIX века характеризовалась нарастанием интереса к взаимодействию организмов с «условиями». Еще в 1809 в «Философии зоологии» французский естествоиспытатель Ж.-Б. Ламарк провозгласил идею эволюции всего живого мира, его постоянного развития от простого к сложному. Одной из причин разнообразия форм на пути этого развития он считал «влияние условий», необходимость для всего живого приспосабливаться к условиям среды. Важную роль условий в выживании и изменении видов подчеркивал и другой французский зоолог Ж. Сент-Илер (1772-1844). Идеи единства организмов с условиями их жизни развивал и горячо защищал профессор Московского университета К.Ф. Рулье (1814-1858). Он пропагандировал необходимость создания особого направления в зоологии, посвященного всестороннему изучению жизни животных, их сложных отношений в судьбе видов. К. Ф. Рулье впервые обратил внимание на сходство внешнего строения у разных видов, ведущих сходный образ жизни в той или иной среде («земляные», «водные», «воздушные» и др.), положив начало изучению жизненных форм в животном мире. Выделяя «явления жизни особи» и «явления жизни общей», он по существу наметил ряд будущих подразделений экологии. К.Ф. Рулье глубоко повлиял на направление и характер работ своих учеников, которые составили в последующем блестящую плеяду русских натуралистовэкологов (Н.А. Северцов, А.Ф. Миддендорф, А.Н. Бекетов и др.). В 1859 г. появилась книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Ч. Дарвин показал, что «борьба за существование» в природе, под которой он подразумевал все формы противоречивых связей видов со средой, приводит к естественному отбору, то есть является движущим фактором эволюции. Стало ясно, что взаимоотношения самих живых существ и связи их с неорганическими компонентами среды - большая самостоятельная область исследований. Поэтому не случайно, что вскоре после выхода в свет книги Ч. Дарвина были сделаны попытки оценить сущность и назвать это новое направление. По Э. Геккелю (1868), экология представляет собой науку о «домашнем быте» живых организмов, она призвана исследовать «все те запутанные взаимоотношения, которые Дарвин условно обозначил как «борьбу за существование». Среди других названий новой науки в XIX веке часто употреблялся термин «экономика природы». Этот термин подчеркивал проблему естественного баланса, «равновесия видов», которая и сейчас является одним из важнейших вопросов экологии. Основным направлением оформившейся науки продолжало оставаться изучение адаптации видов к условиям существования, причем любой организм рассматривался как типичный представитель своего вида. Однако накопление данных привело к пониманию более сложной организации жизни. В 1877 г. немецким гидробиологом К. Мёбиусом (1825-1908) была выдвинута концепция биоценоза. На основе изучения устричных банок Северного моря он обосновал представление о биоценозе как глубоко закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды. Биоценозы, или природные сообщества, по Мёбиусу, обусловлены длительной историей приспособления видов друг к другу и к сходной экологической обстановке. В недрах экологии стало вычленяться особое биоценотическое направление, задачей которого было изучение закономерностей формирования и функционирования сообществ. Изучение сообществ потребовало разработки методов количественного учета, оценки соотношений видов в биоценозах. Впервые это было сделано гидробиологами - при изучении планктона (Гензен, 1887), а затем донной фауны. В начале XX века количественные методы учета стали применять и к наземной фауне. Особое место в биоценотических исследованиях заняло изучение растительного покрова. Ботаники стали более подробно связывать набор видов и их облик с условиями местообитаний. В 90-х годах XIX в. появилась сводка 21 22 датского ботаника Е. Варминга «Ойкологическая география растений», развивающая представления о жизненных формах видов и типах растительного покрова. В это же время оформляется учение о растительных сообществах - фитоценозах, которое вскоре обособилось в отдельную область ботанической экологии. Большую роль в этом сыграли труды российских ученых С.И. Коржинского и И.И. Пачосского, назвавшего новую науку «фитосоциологией». Среди западных ботаников ее развитию способствовали работы А. Кернера, А. Гризебаха и др. Позднее учение о фитоценозах трансформировалось в фитоценологию и геоботанику. На примере сообществ растений были вскрыты многие принципы организации природных сообществ вообще. Американский ботаник Ф. Клементе в 1910-1911 гг. разработал концепцию динамики фитоценозов, ставшую основой дальнейших представлений о законах формирования и развития сообществ. В нашей стране для развития идей общей биоценологии в первой половине XX века большое значение имели фитоценологические исследования Г.Ф. Морозова, В.Н. Сукачева, Б.А. Келлера, Л.Г. Раменского, В.В. Алехина, А.П. Шенникова и др., за рубежом - работы К. Раункиера в Дании, Г. Дю Рие в Швеции, И. Браун-Бланке в Швейцарии. Были созданы разнообразные системы классификации растительности на основе морфологических, эколого-морфологических, динамических и других особенностей сообществ, разработаны представления об экологических индикаторах, изучены структура, продуктивность, динамические связи фитоценозов. В 20-е годы прошлого века начала оформляться новая область экологической науки - популяционная экология. Истоки этого направления - в демографии, описаниях роста народонаселения (от «популюс» - народ). Представления о популяциях стали особенно энергично развиваться в экологии после того, как оформилась популяционная генетика, а в систематике вид стали рассматривать как сложную популяционную систему. Большую роль в развитии популяционной экологии сыграли работы английского ученого Ч. Элтона (1900-1991). В своей книге «Экология животных» (1927) Элтон рассматривает популяцию как единицу, которую следует изучать самостоятельно, так как на этом уровне выделяются свои особенности экологических адаптации и регуляций. Центральными проблемами популяционной экологии стали проблемы внутривидовой организации и динамики численности видов. В дальнейшем в развитие популяционной экологии в нашей стране большой вклад внесли С.А. Северцов, Н.П. Наумов, С.С. Шварц, Г.А. Викторов, работы и школы которых во многом определяют современное состояние науки в этой области. Начало исследованиям популяций у растений было положено трудами Е.Н. Синской (школа Н.И. Вавилова), много сделавшей по выяснению экологического и географического полиморфизма видов. Параллельно развиваются и другие области экологии, тесно связывающие эту науку с традиционными областями биологии. В развитие морфологической и эволюционной экологии животных большой вклад внес М.С. Гиляров, рас- сматривающий почву как особую среду обитания и изучавший ее роль в завоевании членистоногими суши. Проблемы эволюционной экологии позвоночных животных нашли отражение в трудах С.С. Шварца. Возникла палеоэкология, задачи которой - восстановление картины образа жизни вымерших форм и оценка экологических факторов эволюции. С начала 40-х годов в экологии сложился принципиально новый подход к исследованию природы. Основы его были заложены ранее, в трудах целого ряда ученых, среди которых следует особо отметить В.В. Докучаева. В конце XIX века В. В. Докучаев обосновал представление о почве как о сложной природной системе, которая создана и поддерживается комплексом факторов. В ее формировании принимают участие горные породы, вода, атмосфера, климат и многочисленные и разнообразные живые организмы. В 1935 г. английский ботаник А. Тенсли выдвинул понятие экосистемы, а в 1942 г. В.Н. Сукачев обосновал представление о биогеоценозе. В этих понятиях нашла отражение идея единства совокупности организмов с абиотическим окружением, представления о закономерностях, которые лежат в основе связи всего сообщества и окружающей неорганической среды - о круговороте веществ и превращениях энергии. В этом же году американский ученый Р. Линдеман опубликовал статью с изложением основных принципов расчета энергетического баланса экологических систем. С этого периода стали принципиально возможными расчеты и прогнозирование предельной продуктивности биоценозов в конкретных условиях среды. Развитие экосистемного анализа привело к возрождению на новой экологической основе учения о биосфере, принадлежащего крупнейшему естествоиспытателю XX века В.И. Вернадскому (18631945). Биосфера предстала как глобальная экосистема, стабильность и функционирование которой основаны на экологических законах обеспечения баланса веществ и энергии. С 50-х годов XX века и до настоящего времени идет превращение экологии в комплексную науку, вобравшую в себя не только биоэкологию, но и разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры и экономики, а также включившую в себя науки об охране окружающей среды. Одновременно с развитием теоретических основ решались и прикладные вопросы экологии. В конце XIX - начале XX вв. были заложены научные основы охраны природы, которая как основной вид природоохранной деятельности получила законодательное выражение в «Декрете о земле» от 26 октября 1917 года. В 30-40 годах в связи с ростом индустриализации страны в России возникает новый вид природоохранной деятельности - рациональное использование природных ресурсов, а в 50-60-е возникла необходимость создания еще одной формы, регулирующей взаимодействие общества и природы, - охраны среды обитания человека. Усилился технократический напор на природу, невиданных масштабов достигла добывающая и перерабатывающая промышленность, строительство, транспорт и т.д. Одновременно участились крупномасштабные катастрофы, связанные с деградацией земель, сведением лесов, загрязнениями и другими негативными явлениями, в отношении которых стал отчетливо осозна- 23 24 ваться их экологический характер. Стремительный рост населения земного шара выделил проблему сохранения потенциала пищевых ресурсов. В экологии это, прежде всего, проблема биологической продуктивности. В 60-е годы развитие науки и запросы практики вызвали к жизни Международную биологическую программу (МБП). Впервые биологи разных стран объединили усилия для решения общей задачи - оценки продукционной мощности биосферы. Эти исследования позволили подсчитать максимальную биологическую продуктивность всей нашей планеты, то есть тот природный фонд, которым располагает человечество, и максимально возможные нормы изъятия продукции для нужд растущего населения Земли. В 70-80-е годы практически ежегодно принимались правительственные постановления об усилении охраны природы, издавались земельные, водные, лесные и иные кодексы, но губительное антропогенное воздействие на природу продолжалось. В 1986 г. на Чернобыльской АЭС произошла крупнейшая за всю историю человечества техногенная экологическая катастрофа. В 70-х годах за МБП последовала новая международная программа - «Человек и биосфера». Ее результатом явились перечень и характеристика наиболее важных глобальных экологических проблем, представляющих угрозу не только для благоденствия, но и самого выживания человечества на Земле. Международное сотрудничество в области глобальных экологических исследований продолжается. Постоянно действует несколько всемирных научных программ, в том числе «Изменения климата», «Биоразнообразие» и др. Проблема охраны природы, ее разумного и рационального использования на основе экологических законов становится одной из важнейших для человечества. Экология является основной теоретической базой для решения этой проблемы. 4. Сегодня Россия переживает тяжелый экологический кризис. Около 15% ее территории - фактически зоны экологического бедствия, 85 % населения дышит воздухом, загрязненным различными вредными веществами выше допустимых санитарных норм; растет количество «экологически обусловленных» заболеваний, наблюдается деградация и сокращение природных ресурсов и т. п. Выход из этого кризиса на путь устойчивого развития - важнейшая задача нашего общества. Он лежит, в том числе, и через экологическое образование. Человек, прежде всего, отличается от остальных видов тем, что взаимодействует с природой через создаваемую им культуру, то есть человечество в целом, развиваясь, создает на Земле культурную среду благодаря передаче из поколения в поколение своего трудового и духовного опыта. Но, как отмечал К. Маркс, «...культура, если она развивается стихийно, а не направляется сознательно... оставляет после себя пустыню». Остановить стихийное развитие событий могут помочь знания о том, как этими событиями управлять. Экологические знания нужны каждому человеку. Чтобы сбылась мечта многих поколений мыслителей о создании достойной человека среды, нужно обеспечить гармонию человека и природы. Но эта гармония невозможна, если люди враждебно настроены друг к другу. Важнейшее из экологических условий выживания человека и всего живого - это мир на Земле. Именно к этому обязан стремиться 25 экологически образованный человек. Экологически образованный человек не допустит стихийного отношения к окружающей его среде жизни. Он будет бороться против варварского подхода к природе, находя наилучшие, «экологически чистые» варианты взаимоотношения природы и общества. Экологическое мышление становится необходимым для решения самых насущных задач нашей жизни. В связи с этим современная экология далеко вышла за рамки чисто академической учебной дисциплины. В международной сфере работают специальные комиссии ЮНЕСКО, ЮНЕП и другие организации, задачей которых является пропаганда и внедрение экологических подходов в разные сферы практической деятельности человека. Основная цель международных усилий - предотвратить грозящий человечеству экологический кризис и, используя экологические законы, обеспечить дальнейшее развитие и благополучие общества. Контрольные вопросы: 1. Что означает слово «экология»? 2. Кто впервые предложил использовать понятие «экология»? 3. С каких пор стали формироваться знания об образе жизни животных, о связях различных организмов со средой? 4. Какие явления находятся в центре внимания экологии? 5. Что составляет предмет изучения биологической, глобальной, социальной экологии? 6. Что объединяет различные направления экологии? 7. В чем особенность экологической науки в целом? Блок 1. Основы экологии Лекция 2. Факторы среды, их общая характеристика     Определение среды обитания. Виды среды обитания, ее основные факторы. Теория Ч. Дарвина. Основные законы жизни по Б. Коммонеру 1. Окружающий нас живой мир состоит из организмов. Организмы очень разнообразны и образуют целые царства – царства растений и животных. Есть виды, живущие всего несколько дней, а есть, которые живут несколько сотен лет. Все организмы живут в разных условиях, но занимают строго определенное жизненное пространство. Каждый организм требует для своего развития и размножения определенных условий окружающей среды. Что же такое окружающая среда? Среда обитания – это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. 26 Это и температура, освещенность, давление, уровень радиации, подвижность частиц. 2. На нашей планете организмы освоили 4 среды жизни - наземновоздушная, водная, почва, сами живые организмы. Любой организм смертен, а жизнь существует на Земле уже около 4 млрд. лет. Почему же жизнь продолжается? Организмы размножаются. Любые свойства или компоненты внешней среды, оказывающие влияние на существование и географическое распространение живых существ – экологические факторы. Абиотические – температура, свет, радиоактивное излучение, влажность воздуха, соленость воды, ветер, течения, рельеф местности. Биотические – формы воздействия живых существ друг на друга.. межвидовые отношения – хищник-жертва, нейтральные, паразит-хозяин, внутривидовые – иерархические, демографические, социальные и т.д. Антропогенные – формы деятельности человеческого общества, приводящие к изменению природы как среды обитания организмов. В характере воздействия любых факторов можно выделить закономерности: Закон оптимума – каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организм. Таким образом, для каждого вида существует свой закон оптимума, и уменьшение или усиление влияния фактора ведет к гибели организма. Закон ограничивающего фактора – наиболее значим тот фактор, который больше всего отклоняется от оптимальных для организмов значений. Если бы факторы, ограничивающие жизнь организмов действовали непрерывно, они также привели бы к гибели живых существ, но организмы выработали защиту – адаптацию. Адаптация – приспособительные реакции организмов к изменчивым факторам среды обитания. 3. Путь приспособительных изменений обобщил Ч. Дарвин – эволюционная теория. 4 основных положения: 1. все организмы изменчивы. 2. различия передаются по наследству. 3. борьба за существование и естественный отбор. 4. распространенность и численность вида зависит от количества оставляемого потомства. 4. Законы жизни Барри Коммонера: 1. все связано со всем 2. все надо куда-то девать 3. за все надо платить 4. природа знает лучше. Среда обитания – одно из ключевых понятий экологии. В ходе эволюции и при воздействии меняющихся факторов среды живая природа достигла большого разнообразия. Но процесс не прекратился: меняются при- родные условия, организмы приспосабливаются к изменившимся условиям окружающей среды. Эта способность организмов адаптироваться к изменению среды является важнейшим экологическим свойством, обеспечивающим соответствие между существами и средой их обитания. 27 28 Лекция 3. Среды обитания. Атмосфера - наземно-воздушная среда обитания живых организмов     Атмосфера как среда обитания живых организмов. Свет как условие жизни организмов. Температурный режим. Загрязнения наземно-воздушной среды. 1. Наземно-воздушная среда – самая сложная по экологическим условиям жизни. Жизнь на суше потребовала таких морфологических, биохимических приспособлений, которые оказались возможными только при очень высоком уровне организации как растений, так и животных. К наземно-воздушной среде можно отнести как верхний слой литосферы, так и нижнюю часть атмосферы. Поскольку основная масса живых существ обитает в тропосфере, именно этот слой атмосферы входит в понятие наземновоздушной среды обитания. Тропосфера – самый нижний слой атмосферы. Высота варьирует от 7 до 18 км. В ней содержится основная масса водяных паров, которые конденсируясь, образуют облака. В тропосфере происходит мощное перемещение воздуха и температура падает в среднем на 0,6 оС с поднятием на каждые 100м. Атмосфера земли состоит из смеси газов, не взаимодействующих друг с другом. В ней происходят все метеорологические процессы, совокупность которых называется климатом. Верхняя граница примерно на 2000 км. Основная масса воздуха сосредоточена на высоте 70 км. Сухой воздух содержит, %: азота – 78,08; кислорода – 20,95; аргона – 0,93; углекислого газа – 0,03. Остальные – водород, неон, гелий, криптон, радон, ксенон – инертные газы. Воздух атмосферы является одним из основных жизненно важных элементов окружающей среды. Он надежно защищает землю от вредного космического излучения. Под воздействием атмосферы свершаются важнейшие геологические процессы, которые в конечном итоге формируют ландшафт. Атмосферный воздух относится к категории неисчерпаемых природных ресурсов, но сегодня существует целый ряд факторов, который усиливает вредное влияние на атмосферу:  интенсивное развитие промышленности,  рост городов,  расширение исследований космоса. 2. Свет как условие жизни растений. Свет необходим растениям. Он улавливается зелеными растениями в процессе фотосинтеза: 6 СО2 + 6Н2О свет С6Н12О6 + 6О2 В связи с разной потребностью растений в свете, существуют разные морфологические и физиологические адаптации к световому режиму обитания. Адаптация – системы регулирования обменных процессов и физиологических особенностей, обеспечивающих максимальную приспособленность организмов к условиям окружающей среды. Экологические группы в соответствии с адаптациями: Светолюбивые – сильноветвящиеся побеги с укороченными междоузлиями, розеточные; листья мелкие или с сильной рассеченной листовой пластинкой, нередко с восковым налетом или опушенные, часто повернутые ребром к свету. Тенелюбивые – листья темно-зеленого цвета, располагаются горизонтально, это растения нижних ярусов лесов, глубоководные; стебли длинные, цветки яркие или с сильным запахом. Теневыносливые – могут переносить затенение, но и хорошо растут на свету (дуб, бук, граб, ель, кустарники и лесные травы.). Листья деревьев часто составляют листовую мозаику для полноценного принятия света. Фотопериодизм – реакция организма на смену режима освещения – в течение суток, сезонов. Изменяются процессы обмена веществ, роста и развития. С ним связано явление фототропизма – движения отдельных органов растений к свету. (подсолнух, одуванчик, …). Растения короткого дня – субтропики. Рис, соя, хризантема. Растения длинного дня – укроп, рудбекия, хлебные злаки, крестоцветные. 3. Свет как условие жизни животных. Для ориентации в пространстве. У примитивных это светочувствительные клетки или даже место в клетке (светочувствительный глазок). Образное видение. Паук -1-2 см, позвоночные – форма, размеры и расстояние до предметов. Органы зрения развиты в зависимости от среды обитания, образа жизни. С помощью зрения птицы способны к перелетам. Так же развито это у пчел. 4. Температурный режим. Температурные адаптации. От 0 до -50. Криофилы – -8-10. виды, предпочитающие холод. Бактерии, грибы, лишайники, мхи, членистоногие. Термофилы – высокие температуры. Черви, насекомые, клещи, бактерии – до +70. Латентные – длительно покоящиеся. До +180, -195,8 – Бактрии, одноклеточные водоросли, длительное хранение при -70. Анабиоз – временная приостановка всех жизненных процессов. У растений – транспирация – система испарения воды через устьичный аппарат, которая спасает их от перегрева. Пирофиты – переживают пожары в саваннах. У животных – пойкилотермные – меняют температуру тела со средой – насекомые, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся. Гомойотермные - поддерживают постоянную температуру тела- млекопитающие и птицы. Температурные адаптации. Химические терморегуляции – увеличение теплопродукции. Физическая – способность удерживать тепло благодаря испарению, перьям, пуху, жиру Поведенческая – перелеты, движения, бег, спрятаться в гнезда, норы, спячка. 5. Загрязнения наземно-воздушной среды. В последнее время все более значительным внешним фактором, изменяющим наземно-воздушную среду обитания, становится антропогенный фактор. Атмосфера, как и биосфера, имеет свойство самоочищения, но объем и скорость современных загрязнений превосходят природные возможности их обезвреживания. Существует классификация загрязнений природной среды: Природные – различная пыль: минеральная (продукт выветривания и разрушения горных пород), органическая (аэропланктон – бактерии, вирусы, пыльца растений), космическая (частицы, попадающие из космоса). Антропогенные – промышленные, транспортные, бытовые выбросы в атмосферу (пыль цементных заводов, сажа, разные газы, пестицыды, аэрозоли и т.д.) По последним подсчетам за последние 100 лет в атмосферу было выброшено: Мышьяка 1,5 млн. т Никеля 1 млн. т. Кремния 1,35 млн. т. Кобальта 900 тыс. т. Цинка, меди и др. 600 тыс. т. 29 30 В результате выбросов в городах, где снижено ультрафиолетовое излучение и наблюдается большое скопление людей, происходит деградация воздушного бассейна, одним из проявлений которого является смог. Бывает классический (смесь токсичных туманов, возникающих при незначительной облачности) и фотохимический (едкие газы и аэрозоли, которая образуется без тумана в результате фотохимических реакций). Наземно-воздушная среда является самой сложной для жизни организмов. Физические факторы, ее составляющие, очень разнообразны: свет, температура. Но организмы приспособились в ходе эволюции к этим меняющимся факторам и выработали системы адаптации для обеспечения чрезвычайной приспособленности к условиям обитания. Несмотря на неисчерпаемость воздуха как ресурса окружающей среды, качество его стреми- тельно ухудшается. Загрязнение воздуха – самая опасная форма загрязнения окружающей среды. Контрольные вопросы: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Почему принято говорить о единстве организма и среды? Что такое абиотические факторы среды? Что такое лимитирующий фактор? Что общего в приспособлениях к среде у таких разных животных, как белый медведь и верблюд? Какие потоки энергии получает живой организм? Почему живые существа не испытывают губительного воздействия ультрафиолетовых лучей? Какие прогрессивные изменения строения тела (ароморфозы) обеспечивают постоянную температуру тела у птиц и млекопитающих? Укажите формы приспособления растений к условиям освещения. Почему в глубоководных зонах океана и в глубине тропического леса поток излучения может на протяжении суток оставаться практически постоянным, а в пустоте и высокогорной тундре дневной поток энергии во много раз больше ночного? Лекция 4. Вода в природе. Водная среда обитания  Распределение воды в гидросфере: виды, формы, запасы воды,  Вода как компонент внутренней среды организмов и свойства воды как среды обитания;  Круговорот воды и использование её человеком;  Загрязнение водоемов и пути охраны водных ресурсов Доступная пресная вода, необходимая для растительного и животного мира, физиологических потребностей и хозяйственной деятельности людей, составляет лишь 2% гидросферы, при этом распределена она по континентам крайне неравномерно - ее много в ледниках и мало в засушливых районах Африки и Азии. Вода - это специфическая среда обитания для большой группы живых организмов. Жизнь возникла в воде, вода входит в состав живых тел и является той средой, где в любом организме протекают все биохимические реакции. Вода составляет основную часть цитоплазмы клеток, растительных соков, жидких тканей животных (табл. 2). Концентрация солей в воде определяет осмотическое давление тканей, через водную среду происходят контроль и регуляция содержания макро- и микроэлементов в цитоплазме. Укажем физиологическое значение некоторых микроэлементов, ионы которых растворены в воде: Са, Si - образуют основу скелетных структур; S - составная часть аминокислот; Со - входит в состав витаминов (В12); Сu, Fе, Мg - входят в состав дыхательных ферментов и хлорофилла; J, Zn и др. - необходимы для работы некоторых гормонов. Недостаток или избыток микроэлементов в воде может вызывать различные эндемические заболевания. Содержание воды и растворенных в ней минеральных элементов непостоянно. Организм все время расходует воду и получает ее вновь из окружающей среды. Таблица 2 Содержание воды в тканях различных организмов Организмы, органы, ткани Водоросли Листья салата, плоды томатов и огурцов Корни моркови Листья трав Клубни картофеля Стволы деревьев Медузы Речной рак Насекомые Головастики лягушек Млекопитающие Плазма крови Кости Вода, % к весу тела 96-98 94-95 87-91 83-86 74-80 40-55 До 95 77 46-92 До 93 63-68 98 20 Виды, формы, запасы воды. Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле. Ее мировые запасы составляют жидкая (соленая и пресная), твердая (пресная) и газообразная (пресная) вода. Все воды Земли образуют гидросферу, площадь которой занимает 70% всей поверхности Земли. В состав гидросферы входят: Мировой океан, подземные воды, ледники, озера, почвенная влага, пары атмосферы, речные воды. Наибольшие запасы соленой воды сосредоточены в Мировом океане, пресной - в ледниках. Вода непрерывно перемещается по Земле. Пути ее перемещения - общая циркуляция в атмосфере, морские течения и речной сток. Скорость водообмена колеблется в различных частях гидросферы. Медленнее всего возобновляются подземные воды (около 5000 лет), а обмен речных происходит 32 раза в течение года. Поэтому очень важна проблема загрязнения подземных вод (например, в результате подземных ядерных взрывов). Загрязнив один раз, мы не сможем их обновить раньше чем через 5000 лет. Кроме всего прочего, вода - единственный источник кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза: он образуется при фотохимическом разложении воды, в котором используется энергия солнечного света. 31 32 Серьезные нарушения в организме может вызвать обезвоживание. Некоторые растения и животные теряют воду только в периоды покоя. Для большинства же растений и животных потеря значительного количества влаги губительна. Так, у многих млекопитающих, в том числе и у человека, при снижении содержания воды в организме на 10% возникают тяжелые болезненные явления, а потеря 20-30% влаги обычно заканчивается смертью. Многие животные и растения постоянно живут в воде, и в этом случае для их существования огромное значение имеют физические свойства водной среды. Свойства водной среды обитания. Рассмотрим факторы водной среды, действующие на водных обитателей. Прежде всего, это плотность водного слоя. Это фактор, определяющий условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах. Дистиллированная вода имеет плотность 1 г/см3 при +4°С. Плотность природных вод, содержащих соли, может быть больше - до 1,35 г/см3 и более. Плотность воды обеспечивает организмам возможность опираться на нее, что особенно важно для бесскелетных форм. Взвешенные, парящие в воде организмы объединяются в особую экологическую группу гидробионтов - планктон. Обитатели дна образуют особую группу - бентос. Следующие важные показатели для существующих в воде организмов - это подвижность, светопроницаемость (или мутность), давление, а также кислотность (значение водородного показателя — рН). В глубине температура практически постоянна (+4 °С). Все эти свойства водной среды во многом определяют форму тела и строение скелета, соответствующее водной среде строение органов чувств и другие особенности анатомии и физиологии водных обитателей. Еще один фактор, важнейший для водной среды, - кислородный режим. Важное условие существования жизни в воде - растворенный в воде кислород, необходимый для дыхания водных растений и животных. Содержание кислорода в воде в 21 раз ниже, чем в атмосфере. Кислород поступает в основном за счет фотосинтетической деятельности водорослей. Верхние слои водной толщи богаче кислородом, чем нижние. Некоторые водные обитатели способны переносить значительные колебания содержания кислорода в воде (карась, сазан); другие виды (радужная форель, кумжа, гольян) могут существовать только в водоемах, насыщенных кислородом. Нехватка кислорода иногда приводит к катастрофическим явлениям - заморам - с гибелью гидробионтов. Кроме недостатка кислорода в водоеме, заморы могут быть вызваны повышением концентрации токсичных газов - метана, сероводорода, углекислого газа и других, образующихся в результате разложения органических остатков на дне водоема. Таким образом, вода - это и внутренняя среда большинства организмов, и внешняя среда для многих из них. Круговорот воды. Для обеспечения устойчивости экосистем чрезвычайно важны циклические превращения элементов, а также участие веществ в биологических и биогеохимических круговоротах. В биосфере в такой круговорот вовлечена и вода. Происходит это следующим образом. Вода выпадает на поверхность земли в виде осадков, образующихся в результате испарения Мирового океана (рис. 2). При испарении в атмосфере накапливается водяной пар, который, конденсируясь, образует облака и, наконец, дождь или снег, выпадающие на землю; затем часть осадков снова испаряется с поверхности земли; часть проникает в почву, поглощается растениями и испаряется ими в процессе транспирации; часть просачивается в глубокие слои почвы и пополняет подземные воды, а часть осадков стекает в водоемы (реки, озера) и оттуда также испаряется в атмосферу. Растительность на поверхности земли играет роль грандиозного испарителя, имеет водорегулирующее значение, способствует удержанию влаги и препятствует иссушению и эрозии почв. 33 34 Рис. 2. Круговорот воды в природе Вода как среда обитания растений. Вода накладывает отпечаток на внешний облик и внутреннюю структуру растений. Среди растений различают гигрофиты и гидрофиты. Гигрофиты - растения, живущие в условиях повышенной влажности, произрастающие на болотах или в мангровых лесах и требующие для нормальной жизнедеятельности большого количества воды (осока, камыш, рогоз, сфагнум, растения влажных джунглей и т.д.). Гидрофиты - водные растения, живущие либо полностью погруженными в воду (водоросли), либо на ее поверхности находятся листовые пластинки, а остальная часть находится в воде (кувшинки, элодея, Виктория регия, ряска, водоросли, сальвиния водяной папоротник и т.д.). Растения, обитающие в толще воды, используют в процессе фотосинтеза наиболее глубоко проникающие в воду голубые, синие и сине-фиолетовые лучи. Соответственно и цвет водорослей меняется с глубиной от зеленого к бурому и красному. Вода как среда обитания животных. Животные, постоянно обитающие в воде, адаптируются к преодолению высокой плотности воды. Для них характерна продолговатая форма тела, хорошо развитая мускулатура, наличие слизи и чешуи для уменьшения трения. Для ориентации в условиях недостатка света организмы используют звук. В воде он распространяется намного быстрее, чем в воздухе. Для обнаружения различных препятствий и пищи многие организмы используют отраженный звук по типу эхолокации. К водным животным относят рыб, водных млекопитающих (киты, дельфины), водных членистоногих (крабы, омары), моллюсков (кальмары, осьминоги, жемчужницы) и т. д. Использование воды человеком. Человечество потребляет огромное количество пресной воды. Наиболее водоемкие отрасли промышленности: горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлознобумажная и пищевая. На них уходит 70% всей воды, используемой в промышленности. Но все же главный потребитель пресной воды - сельское хозяйство, забирающее 60—80% пресной воды, используемой человеком. Вода - необходимый компонент жизнедеятельности человека. Как человек использует воду? Вода — универсальный растворитель, все биохимические и обменные реакции в живом организме протекают с ее участием, 1. В сутки человек должен выпивать от 0,5 до 2 л воды. 2. Вода необходима для поддержания гигиены тела, жилища, улицы. 3. В теплоцентралях городов и поселков циркулирует вода. 4. Минеральные воды употребляют внутрь и для ванн, используя их целебные свойства. 5. Горячая вода термальных источников идет для обогрева жилья, парников, теплиц, выработки электроэнергии. Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий все более усложняют проблему обеспечения водой. Потребности в воде огромны, и расходы ее с каждым годом возрастают. Так, если на бытовые нужды в домах без канализации человек потребляет в сутки около 50 л воды, то в современных зданиях расход воды на 1 человека в день составляет 200-500 л. Большая часть воды после ее использования в хозяйственных нуждах возвращается в реки в виде сточных вод. Дефицит пресной воды уже сейчас становится проблемой, недостаток воды уже ощущают такие страны, как ФРГ, Франция, Англия, Бельгия и другие (всего более 50 стран). Некоторые африканские страны импортируют пресную воду в виде айсбергов. Источники пополнения питьевой воды. Открытые водоемы - реки, озера, родники. Для получения питьевой воды из этих источников требуется дополнительная очистка. Атмосферные осадки - почти дистиллированная вода, в которой нет необходимых микроэлементов. Кроме того, при прохождении над населенными пунктами осадки загрязняются пылью, грязью, газами, различными микроорганизмами. В результате для питья такая вода не годится. Артезианские воды, образующиеся из подземных вод, - как правило, это чистая вода, но отличающаяся повышенной жесткостью. Даже артезианская вода может быть загрязнена через трещины в земных породах, заброшенные шахты и т. д. Человека волнует проблема качества воды, которую он употребляет, так как это одна из составляющих экологического здоровья населения. Основные «средовые» болезни идут от загрязнения атмосферы и воды. Через воду могут передаваться возбудители инфекционных заболеваний (брюшного тифа, холеры, дизентерии, туляремии). Вода также может быть источником заражения гельминтами и малярией. Если в какой-то местности в воде не хватает йода, то жители местности страдают эндемическим зобом. Избыток фтора в воде вызывает эндемический флуороз, т.е. зубы и кости человека становятся хрупкими, поражается костно-связочный аппарат, а недостаток фтора увеличивает поражаемость зубов кариесом, в основном у детей. Загрязнение морских вод. Качество используемой человеком воды резко снизилось из-за сбросов химических предприятий, бытовых отбросов и других загрязнителей в пресные и морские, воды. В результате поступления в воды морей и Мирового океана значительного количества ядовитых и антропогенных отходов уменьшаются самоочистительные свойства морских вод, снижается их биологическая продуктивность. Различают три вида загрязнения морских вод: химическое, загрязнение бытовыми отбросами, радиоактивное. Химические загрязнители — это в основном нефть и нефтепродукты, попавшие в море в результате бурения скважин или аварий танкеров. Загрязнение бытовыми отбросами приводит к возникновению инфекционных заболеваний у купальщиков, изменению водной флоры и фауны. Радиоактивное загрязнение — это такое загрязнение, при котором концентрация радионуклидов, накапливаемая планктонными организмами, в несколько раз превышает радиоактивность воды; источники загрязнений: отходы атомных подводных лодок, заводы для очистки урановой руды, атомные электростанции, Загрязнение внутренних водоемов. Вследствие бурного развития промышленности исчезают полноводные реки, озера, резко меняется их солевой состав. Так, воду Рейна нельзя использовать для питья, этой водой опасно даже чистить зубы, так как концерны Германии и Франции сбрасывают туда неочищенные отходы. В сточную канаву превращена река Везер, насыщены отравляющими веществами воды Эльбы. В Англии загрязнены почти все реки. Ни одна из рек Москвы не соответствует санитарным нормам. Вредными загрязнителями внутренних вод являются фенол и его производные, а также поверхностно-активные вещества, содержащиеся в современных моющих средствах. Вызывает серьезное беспокойство загрязнение водоемов пестицидами и минеральными удобрениями, поступающими с полей с дождевыми и талыми водами. Пути охраны водных ресурсов - внедрение новых технологических процессов, переход на замкнутые (бессточные) циклы водоснабжения, где сточные воды не сбрасываются, а используются многократно. В настоящее время очистка сточных вод проводится механическими, химическими и биологическими методами. 35 36 При механическом методе используют систему отстойников и разного рода ловушек (сита, решетки, песколовки, жироловки и т. д.). При химическом методе в сточные воды добавляют реагенты, образующие с загрязнителями нерастворимый осадок. При биологическом методе для минерализации органических загрязнителей используют аэробные (т. е. протекающие в кислородной среде) биологические процессы, осуществляемые микроорганизмами. Так, на сахарных заводах сточные воды очищают с помощью одноклеточной зеленой водоросли хлореллы. Создаются специально подготовленные участки - поля орошения, биологические фильтры. Этот метод дает наилучший результат. На земледельческих полях орошения загрязненная вода фильтруется через почву, при этом накапливается значительное количество ценных органических удобрений. Таким образом, вода - главная составная часть гидросферы, основной средообразующий компонент, неотъемлемая часть живого вещества. Несмотря на большие запасы пресных вод на Земле, дефицит их для человека и многих экосистем реален. Истощая и загрязняя воды, человек не только лишает себя данного ресурса, но и разрушает среды жизни многих организмов, нарушает свойственные им связи. Контрольные вопросы: 1. Какую важную роль играет вода в биосфере? 2. Как происходит круговорот воды в природе? Какую роль в круговороте воды в природе играет транспирация? 3. На какие виды хозяйственной деятельности человеку необходимо вода? 4. Каковы основные источники загрязнения воды? 5. У некоторых водных позвоночных, например у акул, скелет состоит не из костей, а из эластичного хряща. Наземных позвоночных с хрящевым скелетом нет, у них скелеты только костные. Как это объяснить с экологической точки зрения? 6. Влияет ли погода на обитателей водоемов? Лекция 5. Почва как среда обитания. Организм как среда обитания       Почва как среда обитания. Строение и составные компоненты почвы. Загрязнение почвы. Гигиеническое значение почв. Организм как среда обитания. Явление паразитизма. 37 Почва как среда обитания. Почва обеспечивает биогеохимическую среду для человека, животных и растений. В ней идет накопление атмосферных осадков, концентрируются элементы питания растений, она является фильтром и обеспечивает чистоту подземных вод. В.В. Докучаев, родоначальник научного почвоведения, внес значительный вклад в изучение почв и процессов почвообразования, создал классификацию русских почв и дал описание русского чернозема. Представленная В.В. Докучаевым во Франции первая почвенная коллекция имела огромный успех. Он, являясь также автором картографии русских почв, дал окончательное определение понятию «почва» и назвал ее образующие факторы. В.В. Докучаев писал, что почва - это верхний слой земной коры, обладающий плодородием и образовавшийся под действием физических, химических и биологических факторов. Толщина почвы колеблется от нескольких сантиметров до 2,5 м. Несмотря на незначительную толщину, эта оболочка Земли играет важнейшую роль в распространении различных форм жизни. Почва состоит из твердых частиц, окруженных смесью газов и водными растворами. Химический состав минеральной части почвы определяется ее происхождением. В песчаных почвах преобладают соединения кремния (SiO2) в известковых - соединения кальция (СаО), в глинистых - соединения алюминия (А12О3 ). В почве сглажены температурные колебания. Осадки задерживаются почвой, благодаря чему поддерживается особый режим влажности. В почве сконцентрированы запасы органических и минеральных веществ, поставляемые отмирающими растениями и животными. Обитатели почвы. Здесь создаются условия, благоприятные для жизни макро- и микроорганизмов. Во-первых, здесь сосредоточены корневые системы наземных растений. Во-вторых, в 1м3 почвенного слоя находится 100 млрд. клеток простейших, коловраток, миллионы нематод, сотни тысяч клещей, тысячи членистоногих, десятки дождевых червей, моллюсков и прочих беспозвоночных; 1см3 почвы содержит десятки и сотни миллионов бактерий, микроскопических грибов, актиномицетов и других микроорганизмов. В освещенных слоях почвы обитают сотни тысяч фотосинтезирующих клеток зеленых, желто-зеленых, диатомовых и сине-зеленых водорослей. Таким образом, почва чрезвычайно насыщена жизнью. Распределена она неодинаково в вертикальном направлении, поскольку имеет выраженное слоистое строение. Различают несколько почвенных слоев, или горизонтов, из которых можно выделить три основных: - гумусовый горизонт, - горизонт вымывания - материнская порода В пределах каждого горизонта выделяются более дробные слои, сильно различающиеся в зависимости от климатических зон и состава растительности. 38 Влажность - важный и часто меняющийся показатель почвы. Он очень важен для земледелия. Вода в почве бывает парообразная и жидкая. Последняя делится на связанную и свободную (капиллярная, гравитационная). В почве содержится много воздуха. Состав почвенного воздуха изменчив. С глубиной в нем сильно падает содержание кислорода и возрастает концентрация СО2. В связи с присутствием органических остатков в почвенном воздухе может быть высокая концентрация таких токсичных газов, как аммиак, сероводород, метан и др. Для сельского хозяйства, кроме влажности и наличия в почве воздуха, необходимо знать и другие показатели почвы: кислотность, количество и видовой состав микроорганизмов (почвенная биота), структурный состав, а в последнее время и такой показатель, как токсичность (генотоксичность, фитотоксичность) почв. Итак, в почве взаимодействуют следующие компоненты: 1) минеральные частицы (песок, глина), вода, воздух; 2) детрит - отмершее органическое вещество, остатки жизнедеятельности растений и животных; 3) множество живых организмов. Гумус - питательный компонент почвы, образуется при разложении растительных и животных организмов. Растения поглощают из почвы необходимые минеральные вещества, но после смерти растительных организмов все эти элементы вновь возвращаются в почву. Там почвенные организмы постепенно перерабатывают все органические остатки до минеральных компонентов, превращая их в доступную для всасывания корнями растений форму. Таким образом, происходит постоянный круговорот веществ в почве. В нормальных естественных условиях все процессы, происходящие в почве, находятся в равновесии. Загрязнение почвы и эрозия. Но человек все больше нарушает это равновесие, происходят эрозия и загрязнение почв. Эрозия - это разрушение и смыв плодородного ветром и водой из-за уничтожения лесов, многократной распашки без соблюдения правил агротехники и т.д. В результате производственной деятельности человека происходит загрязнение почв излишними удобрениями и ядохимикатами, тяжелыми металлами (свинцом, ртутью) особенно вдоль автострад. Поэтому нельзя собирать ягоды, грибы, растущие вблизи дорог, а также лекарственные травы. Вблизи крупных центров черной и цветной металлургии почвы загрязнены железом, медью, цинком, марганцем, никелем и другими металлами, их концентрации во много раз превышают предельно допустимые. Много радиоактивных элементов в почвах районов АЭС, а также вблизи научно-исследовательских учреждений, где изучают и используют атомную энергию. Очень велики загрязнения фосфорорганическими и хлорорганическими токсичными веществами. Одним из глобальных загрязнителей почвы являются кислотные дожди. В атмосфере, загрязненной диоксидами серы (SO2) и азота, при взаимодействии с кислородом и влагой образуются аномально высокие концентрации серной и азотной кислот. Кислые осадки, выпадающие на почву, имеют рН 3-4, тогда как нормальный дождь имеет рН 6-7. Кислотные дожди вредны для растений. Они закисляют почву и нарушают тем самым происходящие в ней реакции, в том числе реакции самоочищения. Гигиеническое значение почвы. Почву издавна используют для обеззараживания и утилизации отбросов, образуемых человеком в процессе жизнедеятельности. Но загрязненная почва может стать источником инфекционных, инвазионных и других заболеваний. Для развития большинства патогенных бактерий почвенная среда неблагоприятна, там они сравнительно быстро погибают. Возбудители брюшного тифа, чумы, дизентерии, туберкулеза, вирус полиомиелита живут в почве от нескольких часов до нескольких месяцев, а такие спорообразующие болезнетворные микробы, как бациллы столбняка, сибирской язвы, газовой гангрены, могут жить в почве несколько лет. Поступление воздуха в почву имеет огромное гигиеническое значение, так как все окислительные процессы с участием аэробных бактерий, живущих в почве, требуют достаточного количества кислорода. Процессы распада могут происходить и в анаэробных (без участия кислорода) условиях. Разложение органических остатков и самоочищение почвы происходит в два этапа - через минерализацию и нитрификацию. Минерализация осуществляется под действием ферментов, выделяемых микробами и грибами. В анаэробных условиях процессы гниения и брожения идут с выделением зловонных газов: аммиака, сероводорода, метана. В процессе минерализации гибнут возбудители инфекционных заболеваний, а яйца глистов становятся нежизнеспособными. Нитрификация осуществляется аэробными нитрифицирующими бактериями. Конечные продукты минерализации и нитрификации переходят в химические соединения, которые используют для питания растения. В заключение нужно сказать, что по ряду экологических особенностей почва является промежуточной между водной и воздушной средой. Общим с водной средой является температурный режим, пониженное содержание кислорода в почвенном воздухе, а с воздушной - наличие почвенного воздуха. Промежуточные экологические свойства почвы как среды обитания животных позволяют предполагать, что она играла особую роль в эволюции животного мира и послужила той средой, через которую многие водные животные перешли к наземному образу жизни. Организм как среда обитания. Организм тоже может быть средой обитания для других живых организмов, как симбионтов, так и паразитов. Паразиты живут в условиях ограниченного запаса пищи. Организм хозяина служит также и комфортным жилищем, так как им не грозит высыхание, нет резких перепадов температур. Наиболее слабое звено в жизни паразитов - это перенос от одного хозяина к другому в случае гибели последнего. Высокая плодовитость паразитов и использование промежуточных хозяев компенсируют это. Человек использует личные методы для прямого уничтожения паразитов, а также для ограничения их численности. Симбионты, в отличие от паразитов, не только 39 40 получают полезные вещества от хозяина, но и отдают ему витамины, некоторые питательные компоненты. На планете организмы освоили четыре среды обитания, которые сильно отличаются по специфике условий. Водная среда была первой средой, в которой зародилась жизнь. В последующем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, затем создали и заселили почву. Четвертой средой жизни стали сами живые организмы, каждый из которых представляет целый мир для населяющих его паразитов и симбионтов. Среды обитания могут быть разнообразными, и соответственно у обитателей в ходе эволюции вырабатываются различные приспособления - адаптации. Контрольные вопросы: 1. 2. 3. 4. Что такое почва? От чего зависит плодородие почвы? Почему почву сравнивают с живым организмом? Чем различаются круговороты веществ в почвах естественных биоценозов и искусственных? 5. Какие виды загрязнения почв вам известны? 6. Что такое эрозия почвы? Каковы её последствия? 7. Что такое паразитизм? Расскажите о разных формах паразитизма. 8. Многие паразиты имеют упрощенное строение тела по сравнению со свободноживущими родственными видами. Например, у свиного и бычьего цепней отсутствует кишечник, очень слабо развиты нервная система и органы чувств. Как вы думаете, почему? 9. Какой вред наносят паразиты сельскому хозяйству? 10.Как человек использует паразитов в своей практической деятельности? 11.Назовите известных вам паразитов растений? Как с ними бороться? 12.Какую роль играют домашние животные в распространении паразитов человека? Приведите примеры. 13.В чем сходство и различие паразитизма и хищничества? Приведите примеры. 14.В некоторых особо засушливых районах Австралии и Африки годовые ритмы размножения у местных видов птиц не проявляются. Они откладывают яйца через разные периоды времени сразу же после редких дождей. Объясните, в чем причины такого исключения? Лекция 6. Экосистема, биогеоценоз и их характеристики      Понятие об экосистемах и биоценозах и их границах. Правила функционирования экосистем. Компоненты и состав экосистем. Цепи питания и типы экосистем. Смена биоценозов (экологическая сукцессия) 41 Понятие об экосистемах и их границах; правила функционирования экосистем; компоненты и состав экосистем; цепи питания и типы экосистем; смена биоценозов (экологическая сукцессия) В природе все виды растений и животных распределяются не случайно, а всегда образуют определенные, сравнительно постоянные комплексы - природные сообщества. Такие комплексы взаимосвязанных видов, обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования, образуют биоценоз. Биоценоз неразрывно связан с факторами неживой природы (почва, влажность, температура, климат в целом), образуя вместе с ними устойчивую систему, между компонентами которой протекает круговорот веществ. Такой устойчивой саморегулирующейся системе академик В.Н. Сукачев в 1940 году дал название биогеоценоз. Свойства биогеоценозов: 1. Целостность - это взаимосвязь живых организмов друг с другом и со средой обитания за счет потоков энергии и вещества. 2. Устойчивость - это свойство биогеоценозов поддерживать равновесие при любых изменениях окружающей среды (т.е. переносить неблагоприятные условия и сохранять способность размножаться). 3. Самовоспроизведение - способность организмов к размножению, наличие в среде пищи и энергии, воссоздание среды обитания живыми организмами. 4. Саморегуляция - свойство различных популяций регулировать свою численность в зависимости от условий жизни и от численности других популяций. В последнее время такие системы называют экосистемами. Экосистема - основное понятие экологии. Термин был предложен в 1935 году английским экологом А. Тенсли. Экосистемы - это любая совокупность взаимодействующих организмов и условий среды. Между экосистемами, как и между биогеоценозами, нет четких границ, одна экосистема постепенно переходит в другую. Рассмотрим пример саморегулирующейся системы, которая является частью другой, более крупной экосистемы. Муравейник в лесу - это организованный коллектив, где распределены обязанности и все функции четко увязаны со средой: одни (строители) - добывают стройматериалы из лесного опада, другие «доят» тлей, добывая нектар для малышей (пример взаимопомощи и взаимозависимости), третьи следят за личинками, не выходя за пределы муравейника. Информация о любых изменениях в окружающей среде сразу же становится известна всей семье, и немедленно принимаются меры для сохранения устойчивости этой системы. Саморегуляция любой экосистемы проявляется в том, что численность особей каждого вида поддерживается на определенном, относительно постоянном уровне. Экосистема муравейника входит в состав лесного биогеоценоза (экосистемы лиственного или хвойного леса). Экосистема леса, если он расположен 42 на берегу озера или вблизи реки, входит в состав водосборного бассейна, который представляет собой часть географического ландшафта. Географический ландшафт - это часть биосферы. Таким образом, все экосистемы земного шара связаны между собой через атмосферу и Мировой океан, поскольку через них происходит постоянный круговорот энергии, продуктов жизнедеятельности, и составляют единое целое - биосферу. Масштабы биогеоценотических группировок (экосистем) различны - от сообществ подушек лишайников на стволах деревьев или разлагающегося пня (это микросообщества), до населения целых ландшафтов: лесов, степей, пустынь и т. п. Но для всех форм сообществ, больших и малых, характерны общие законы функционирования и развития. 1. Сообщества всегда состоят из готовых частей (представителей отдельных видов или комплексов взаимозависимых видов). Например: а) луг: птицы растения насекомые насекомоядные животные б) водоем: Птицы (чайки) Мелкая Хищные рыбы (щука, жеводоросли ракообразные рыба рех) (плотва, Водоплавающие животные уклейка) (бобры, выдры, ондатры) 2. Части сообщества могут быть заменяемы. Один вид (или комплекс видов) может вытеснить другой со сходными требованиями к условиям обитания и занять его место. Например, одни виды злаков на лугу или в степи легко могут быть заменены другими: ковыль заменяется типчаком и т.п. 3. Интересы многих видов в биоценозе прямо противоположны. Тем не менее виды-антагонисты существуют в рамках единого сообщества, например, хищник - жертва. 4. Сообщества основаны на количественной регуляции численности одних видов другими. Например, численность травоядных зависит, с одной стороны, от количества растительной пищи, а с другой - от количества хищников. 5. Предельные размеры системы ограничиваются не внутренней наследственной программой, а внешними причинами. Так, биоценоз сосняка может занимать небольшой участок среди болот или простираться на огромной территории, если внешние условия однородны. Биоценозы могут быть бедны или богаты видами. Видовая структура биоценоза - это разнообразие видов в нем и соотношение их численности или массы. Так, в полярных арктических пустынях и северных тундрах при крайнем дефиците тепла, в безводных жарких пустынях, в загрязненных сточными водами водоемах сообщества сильно обеднены видами, так как один или несколь- ко факторов среды сильно отклоняются от оптимального уровня. Здесь выживают виды с широкими пределами выносливости. И, наоборот, везде, где условия абиотической среды приближаются к оптимальным, возникают сообщества, чрезвычайно богатые видами. Примеры таких сообществ - тропические леса, коралловые рифы с их многообразным населением, долины рек в жарких районах и т. д. При совместном произрастании растения, разные по высоте, занимают четко определенный ярус. Ярусность позволяет множеству растений существовать на одной территории и максимально использовать световые ресурсы среды. Какие же компоненты входят в каждую экосистему? Во-первых, живые организмы (их называют еще биотой). Во-вторых, неживые (абиотические) факторы: атмосфера, вода, питательные элементы, свет и др. В-третьих, мертвое органическое вещество, содержащееся в почве, детрит. Все живые организмы экосистемы взаимодействуют между собой, обмениваясь веществом и энергией. Без постоянного поступления свободной энергии извне ни одна живая система не может существовать в течение скольконибудь продолжительного времени. По способу питания и запасания энергии все организмы делятся на автотрофов (от греческих аутос — сам, трофа — питание), гетеротрофов (гетерос — другой) и миксотрофов (микс — смесь). Автотрофы - это организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических за счет различных источников энергии. Автотрофными организмами создается вся первичная биомасса, или биологическая продукция, на Земле. В зависимости от источников энергии различают фото автотрофов и хемоавтотрофов. Практически единственным источником свободной энергии для Земли является солнечный свет. Фотоавтотрофы используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза, синтезируя из углекислого газа и воды органические вещества. К ним относятся все зеленые растения, синезеленые водоросли, некоторые бактерии, содержащие бактериохлорофилл. Хемоавтотрофы получают энергию вследствие окисления соединений серы и железа. Эта группа организмов немногочисленна, к ним относятся серобактерии и железобактерии. Очень важна их роль в экосистемах подземных вод. Гетеротрофы - это организмы, которые не способны использовать непосредственно энергию Солнца и живут за счет энергии, запасенной автотрофами. Они используют органические вещества в процессе питания, разлагая их в конечном счете вновь до углекислого газа и воды, а высвобожденная энергия расходуется на различные процессы жизнедеятельности организмов. Наиболее просто устроенные гетеротрофы разделяются на сапротрофов, питающихся мертвой органикой, и паразитов - питающихся живой. У более сложно организованных организмов, например насекомых, разделение идет по типу пищи: копрофаги питаются фекалиями, детритофаги - 43 44 растительными остатками, фитофаги - растениями, энтомофаги - другими насекомыми, хищники - животными более высоких систематических групп. Млекопитающие делятся на растительноядных, падалеедов, хищников. Миксотрофы - это одноклеточные организмы смешанного типа питания. Они могут использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических (как фототрофы) и одновременно - органические вещества среды выращивания (как гетеротрофы). Таким образом, они одновременно являются и фототрофами, и гетеротрофами. К ним относятся одноклеточные водоросли эвглена и хлорелла. Внутри живого компонента любой экосистемы можно выделить по типу питания три группы организмов: Состав экосистемы Продуценты Консументы Редуценты Продуценты — это автотрофы, которые из неорганических соединений за счет энергии света синтезируют (продуцируют) органические вещества, являющиеся пищей для всех других организмов. К продуцентам относятся все растительные организмы (водоросли, мхи, папоротники, голосеменные и покрытосеменные), а также хемоавтотрофы. Продуценты потребляют около 1% падающей на Землю солнечной энергии и превращают ее в энергию органических соединений. Консументы (от греческого консуме - потребляю) - это животные гетеротрофы, потребляющие готовые органические вещества, которые синтезировали продуценты. Консументы I порядка могут использовать органические вещества растений, т.е. продуцентами питаются травоядные животные (грызуны, зайцы, овцы и т.д.), а также паразиты на растениях - грибы и другие растения. Их, в свою очередь, поедают консументы II порядка, которыми могут питаться консументы III порядка (плотоядные животные - лисы, волки, медведи, коршуны и т. д.). Все они используют энергию химических связей, запасенную в органических веществах продуцентами. Редуценты - гетеротрофные организмы (бактерии, грибы, дождевые черви, насекомые и т. д.), разрушающие и минерализующие мертвые органические остатки. Главная их экологическая роль состоит в превращении органических веществ в неорганические. В любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, если бы они не возобновлялись в процессе жизнедеятельности организмов. В результате дыхания всех организмов, разложения трупов животных и растительных остатков (которое осуществляется редуцентами) органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые снова возвращаются в атмосферу и почву и снова могут быть использованы автотрофами. Но для переработки трупов редуцентам нужно время, поэтому в экосистеме всегда есть детрит - запас мертвого органического вещества. Детрит - это опад листьев на поверхности лесной почвы (сохраняется 2-3 года), ствол упав45 шего дерева (5-10 лет), гумус почвы (сохраняется сотни лет), отложения органического вещества на дне озера (сапропель) и торф на болоте (сохраняется тысячи лет). Наиболее долго сохраняющимися детритами являются каменный уголь и нефть. Соотношения между продуцентами, консументами и редуцентами, а также соотношения консументов разных порядков образуют экологическую структуру сообщества. Благодаря взаимодействию между этими организмами возникает главное свойство экосистемы - способность к саморегулированию. Все три компонента тесно связаны в экологических системах. Организмы разных трофических групп (т. е. с разными способами питания) участвуют в процессе передачи пищи и энергии (рис. 3), т. е. образуют пищевые цепи. Рис. 3. Общая схема пищевой цепи Продуценты составляют начало всех пищевых цепей. Консументы, поедая продуцентов, передают органические вещества от одного звена пищевой цепи к другому и соответственно делятся на несколько групп по порядку нахождения в цепи. Редуценты как бы заканчивают круговорот веществ, завершают пищевые цепи, образуя неорганические вещества для вступления в новый цикл. Однако в реальных условиях в экосистемах различные цепи питания перекрещиваются между собой, образуя разветвленные сети. В биоценозах различают два типа пищевых цепей: пастбищную (выедания) - рис. 4 и детритную (разложения) - рис. 5. Например: листьями деревьев питаются гусеницы, ими - птицы, последними - более крупные птицы-хищники. Это будет цепь выедания. Но наряду с цепями передачи энергии через живое органическое вещество (продуцент консумент) существуют детритные пищевые цепи, где используется мертвое органическое вещество. Так, при разрушении листового опада работает целый 46 конвейер, в котором участвуют животные, грибы, микроорганизмы, дождевые черви, почвенные микроорганизмы. Детритом — мертвым органическим веществом - питаются жук-мертвоед, перловица, мотыль, дафния (в водоеме). На суше цепь питания обычно состоит из 3-4 звеньев. В водной среде цепь длиннее. При каждом переносе энергии от одного звена к другому большая ее часть (80-90%) рассеивается в виде тепла, поэтому число звеньев в цепи не превышает 4-5. Почти все животные (за исключением редких, специализиро-ванных видов) используют разнообраз-ные источники пищи. Поэтому при выпадении одного звена в цепи не происходит нарушения в системе. Соединение многих трофических цепей образует пищевую сеть экосистемы (рис. 6), а значительные изменения в любом из ее звеньев неизбежно отразятся на состоянии экосистемы в целом. Чем больше видовое разнообразие и богаче пищевые сети, тем устойчивее биоценоз. Рис. 4. Пастбищная цепь выедания Более крупные консументы (сойка) Детрит Ястреб-перепелятник Первичные детритофаги Вторичные детритофаги (земляные черви, грибы, бактерии) (многоножки, простейшие, личинки насекомых) Рис. 5. Детритная цепь разложения 47 Рис. 6. Пищевая сеть Расположение звеньев пищевой цепи в определенной последовательности носит название экологической пирамиды. Например, на одном гектаре луга обитает несколько миллионов растений, около миллиона растительноядных насекомых, несколько сотен тысяч хищных насекомых, пауков и не более десятка птиц. Таким образом, образуется пирамида (табл. 3), основание которой в миллион раз шире, чем вершина. Таблица 3 Упрощенная схема экологической пирамиды (1) и пирамиды чисел (2) 1 птица Консументы III 3 змеи Консументы II 4 лягушки Консументы I 5 кузнечиков Продуценты 12 травинок 1 2 48 3. Типы экосистем. Различают автотрофные и гетеротрофные экосистемы. В автотрофных преобладают растения, они запасают энергию. Гетеротрофные используют готовую энергию. Кроме того, существуют естественные (природные) и искусственные (антропогенные) экосистемы. Влияние человека на естественную экосистему незначительно, а искусственную он создает сам. Естественные автотрофные экосистемы - лес, луг, водоем. Искусственные автотрофные системы - это сельскохозяйственные поля, т. е. агроэкосистемы, или хемоавтотрофные - это системы в некоторых биологических очистных сооружениях. Естественные гетеротрофные - это экосистемы океанических глубин (животные и микроорганизмы существуют в них за счет «питательного дождя»), а также высокогорные. Искусственные гетеротрофные экосистемы очень разнообразны: 1) города и промышленные предприятия (энергия поступает по линиям электропередач, нефте- и газопроводам; в цистернах автомашин и железнодорожных вагонах сырье и продукты питания поступают в город); 2) биологические очистные сооружения (получение биогаза); 3) фабрики по разведению дождевых червей; 4) плантации шампиньонов; 5) рыборазводные пруды (остатки пищи горожан превращаются в биомассу); 6) фермы по производству устриц, морских гребешков, рыб; по выращиванию жемчужных раковин, морской капусты - водоросли ламинарии; 7) в США - «Биосфера-2» площадью 1 га; 8) экосистемы космических аппаратов. Живые организмы в процессе жизнедеятельности изменяют среду обитания, одни виды постепенно вытесняют другие, т. е. экосистемы эволюционируют во времени. Последовательная смена во времени одних экосистем другими на определенном участке земной поверхности называется сукцессией. Она бывает обусловлена внутренними и внешними факторами. Сукцессии, происходящие под влиянием внутренних факторов. 1. Зарастание скал: поверхность горной породы разрушается, сначала поселяются лишайники, бактерии, грибы, затем травы, кустарники и деревья, животные. Характерный пример: деревья (березки) поселяются на старых каменных зданиях, водонапорных башнях, разрушенных замках и т. д. 2. Зарастание озера: происходит отмирание остатков растений и животных, которые оседают на дне, озеро мелеет, растения с берегов распространяются к центру, и озеро превращается в низинное болото. 3. Зарастание обочин дорог, железнодорожного полотна, восстановление леса после вырубки, пожара; зарастание земель вокруг строительных площадок и отвалов пустой породы около горных карьеров (Урал, Кузбасс). Пионерное сообщество формируется в местах, ранее по каким-либо причинам лишенных жизни. Оно характеризуется бедностью видового состава, простыми пищевыми взаимоотношениями. Пионерное сообщество представлено пионерными видами, некоторые из них (растения) способны фиксировать азот атмосферы, таким образом накапливая первичную биомассу. Вначале селятся однолетние травы, затем многолетние, кустарники и деревья. Иногда таким землям помогает человек, он проводит рекультивацию, т. е. завозит дерн или семена луговых трав и сено. Сукцессии, происходящие под влиянием внешних факторов. Факторы, вызывающие сукцессию, связаны чаще всего с деятельностью человека: а) выпас скота - луговые травы меняют видовой состав, рыхлокустовые заменяются плотнокустовыми. б) в лесах, где люди отдыхают, вытаптываются высокие травы, остаются только устойчивые: мятлик, подорожник, птичья гречиха; ухудшаются условия для всходов, повреждается корневая система, из-за уплотнения почвы засыхает лес; в) в озерах, если туда попадают минеральные удобрения, исчезают водные растения, растущие в чистой воде, водоем заполняет ряска, начинают размножаться сине-зеленые водоросли, вода зацветает, исчезает большинство видов рыб, остаются ротаны. Таким образом, экосистема - совокупность организмов и условий среды, в которой они обитают. Экосистемы, различающиеся по типам, всегда состоят из одних и тех же трех обязательных компонентов: продуцентов, консументов, редуцентов. Для биогеценозов характерны определенные свойства: целостность, устойчивость, самовоспроизведение и саморегуляция. Под влиянием внутренних или внешних факторов может происходить смена биоценозов - экологическая сукцессия. 49 50 Контрольные вопросы: 1. По каким показателям сравнивают между собой разные экосистемы? 2. Существует мнение, что в жизни любого вида преобладает жесткая конкуренция и борьба особей друг с другом. Опровергните или подтвердите его. 3. Что такое биогеоценозы, каковы его показатели? 4. Можно ли считать сообществом все популяции птиц, населяющих лесной массив? 5. Приведите примеры цепей питания, начинающихся с мертвых растительных остатков, с наземных растений и заканчивающихся человеком. 6. Что такое «экологическая сукцессия»? 7. Могут ли в настоящее время сохраниться биоценозы, не подверженные никаким антропогенным воздействиям? 8. Можно ли полностью отказаться от химических мер борьбы с вредителями и перейти на биометод? 9. Каковы основные действия человека, направленные на повышение продуктивности природных и искусственных экосистем? 1. Общий курс биологии (ботаника, зоология) дает некоторое представление о большом разнообразии организмов, населяющих нашу планету. Благодаря ученым-систематикам во всем многообразии растительного и животного мира установлен определенный порядок: растения и животные, имеющие общие признаки, объединены в родственные группы, называемые видами, родами, семействами, классами, типами и, наконец, царствами - это царства растений, животных, бактерий, простейших и грибов. Число представителей одних видов (например, насекомых, бактерий) во много раз, даже на порядки величин отличается от численности других видов (например, хищных млекопитающих или растений), среди которых встречаются виды, насчитывающие единичные особи, так называемые реликтовые виды). Но в основном живые организмы существуют не в единственном числе, а группами, занимая определенную территорию. Каждый вид занимает какое-то пространство, которое называется ареалом распространения вида. Разные части ареала отличаются друг от друга по условиям существования. Например, лисица обыкновенная обитает на огромных пространствах Евразии и Северной Америки. Условия обитания лисицы в зоне тундры и пустынях или полупустынях будут различными. Кроме того, группировки особей, обитающих в тундре и полупустынях, оказываются полностью изолированными и никогда не скрещиваются между собой. Такие группы особей одного вида с общим генофондом, общей морфологией и единым жизненным циклом называют популяцией. Белки могут заселять леса различного типа: елово-пихтовые насаждения, дубравы и сосновые боры. В этом случае можно говорить о трех экологических популяциях белки: елово-пихтовой, дубравной, сосновой. Все особи карася, обитающего в одном озере, все березы или все ели в смешанном лесу образуют популяцию. В первобытном обществе все особи человека (Homo sapiens) образовывали племя. Понятие «племя» встречается и в более поздних социальных общностях человека. Например, племена индейцев, несмотря на большое внешнее сходство, имели разные поведенческие установки. В некоторых из них существовал запрет на браки между членами разных племен. Жившие в Древней Руси племена русичей, вятичей, смолян, древлян различались между собой не только тем, что проживали на разных территориях, но и всем укладом жизни. Такие обособленные группы человека можно назвать популяцией. Академик С.С. Шварц и его последователи считают, что в природе границы популяции и ее размеры определяются не столько свойствами территории, заселенной данным видом растений или животных, сколько свойствами самой популяции. 2. Основными характеристиками популяции являются, во-первых, генетическое единство популяции, а во-вторых, фенотипическая общность особей. Кроме того, для каждой популяции характерны своя пространственная, половая и возрастная структуры, динамика численности и другие демографические показатели, на которых следует остановиться более подробно. Пространственная структура популяций. Рациональное использование ресурсов среды популяций достигается упорядоченным размещением особей на занимаемом участке. Большинство популяций имеет постоянную территорию и временные поселения. Постоянную территорию называют ядром популяции, а временные поселения занимают микропопуляции, которые образуются при возрастании численности популяции в годы, наиболее благоприятные для размножения. Например, хлопковая моль на полях хлопчатника - это ядро популяции, а на соседних посевах кенафа, канатника, диких мальвовых растениях - временные поселения моли. В понятие пространственной структуры входит и так называемая социальная организация. Для нее свойствен определенный стереотип поведения, она регламентирует использование пространства и пищи. Различают два типа социальной организации популяций: одиночную (семейную) и групповую. При одиночной (семейной) организации территория принадлежит одной семье (самец, самка и их потомство). Члены семейства могут метить и строго охранять границы этой территории. Такой образ жизни характерен для сидячих водных форм (некоторые иглокожие, а также раки-отшельники, крабынорники, осьминоги), некоторых бабочек, хищных рыб, одиноких роющих ос, многих грызунов и млекопитающих. У многих животных индивидуальные участки сохраняются в течение всех сезонов и на протяжении всей жизни (сидячие формы, дятлы, ночные пернатые хищники). Для других животных и растений характерно групповое использование пространства. Такие животные образуют стада, стаи или колонии. Часто таким образом обеспечиваются более благоприятные условия микроклимата: повышенная температура сохраняется в муравейниках и поселениях пчел, пингвины образуют «черепаху» во время буранов и т.д. Все особи в группе сообща выступают в борьбе с врагом и вырабатывают специальную систему сигналов 51 52 Лекция 7. Популяция и ее основные характеристики. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере  Популяция и ее структура.  Важнейшие демографические характеристики: общая численность, рождаемость, смертность, продолжительность жизни, характер роста  Общие сведения о биосфере.  В.И. Вернадский о биосфере.  Глобальные проблемы биосферы (свист сусликов, постукивание лап зайцеобразных, тревожные крики птиц), которыми оповещают об опасности всех членов поселения (колонии). Колониями являются и гнездовья птиц с тесно расположенными гнездами (например, пеликаны, бакланы, чайки, пингвины). В таких поселениях обеспечивается не только защита от врагов и микроклимат, но часто и выкармливание потомства (как у морских котиков). У некоторых колониальных организмов в процессе эволюции сформировалась специализация отдельных особей, которую можно наблюдать у пчел (рабочие, самки, трутни), муравьев (рабочие, сторожа, няньки) и т. д. Стаями живут многие насекомые (саранча), рыбы (сельдеобразные, тресковые образуют косяки), млекопитающие (копытные, ластоногие). На период размножения стада или стаи могут распадаться на более мелкие группы - кланы и прайды. Половая и возрастная структура популяций. Популяции большинства видов состоят из особей мужского и женского пола, если это не однодомные растения или партеногенетические животные. Особям мужского и женского пола свойственны отличия в протекании биохимических и физиологических процессов, и поэтому они по-разному осваивают среду и ее ресурсы, на них в разной степени влияют одни и те же факторы среды. Различна роль самцов и самок в обеспечении выживаемости молодняка. На примере млекопитающих можно утверждать, что половая структура популяции изменяется в результате следующих процессов: 1) неравномерного отмирания самцов и самок, разной продолжительности их жизни; 2) неравномерного распределения полов уже при рождении (так, у человека, по статистике, на 100 девочек рождается 107 мальчиков, это соотношение выравнивается как 1:1 к двадцатилетнему возрасту). Возрастная структура популяции зависит от интенсивности размножения, которая различна у разных видов. Так, слоны достигают половой зрелости в 1516 лет, у них рождается один детеныш в 2-3 года, но каждая слониха размножается на протяжении нескольких десятков лет. Для сравнения: принадлежащая к этому же подклассу мышь-полевка становится половозрелой через два месяца после рождения и в течение года дает несколько пометов, период ее размножения - максимум два года. Представитель костистых рыб трехиглая колюшка откладывает лишь несколько десятков икринок, а принадлежащая к этому же надотряду луна-рыба до 300 миллионов икринок. Виды лососевых рыб размножаются также неодинаково: горбуша - один раз в жизни, а форель - много раз. Легко представить, насколько разной будет структура перечисленных популяций, т. е. число молодых, зрелых и старых особей у этих видов. Таким образом, у каждого вида организмов, образующих популяцию, свой темп полового размножения, число семян или детенышей в потомстве, своя скорость отмирания популяции и средняя продолжительность жизни. Эти характеристики называются демографическими показателями популяции. К ним относятся также общая численность, плотность расселения и скорость роста популяций. Для ученых-экологов и рачительных хозяйственников важно практическое значение этих характеристик. Во-первых, при заготовке древесины (уничтожении одной из популяций экосистемы) необходимо знать скорость восстановления леса, чтобы планировать, где, сколько и что можно вырубать. Во-вторых, в охотоведческих хозяйствах необходимо иметь все сведения о популяциях пушных зверей: численность, скорость роста, интенсивность размножения, т. е. скорость возобновления популяции, для того чтобы спланировать отстрел. Так, установлено, что в популяции кабанов можно отстреливать 30% особей, тогда как в популяции лосей - только 15%, поскольку скорость восстановления популяции кабанов выше. Эти показатели необходимо учитывать и при добыче некоторых морских животных - котиков, тюленей и т. д. В-третьих, для медиков очень важно изучение популяций животных, являющихся возбудителями или переносчиками опасных заболеваний, для того чтобы предотвратить эпидемии, эпизоотии. Популяция растет, стареет, поддерживает сама себя, ей присущ и определенный жизненный цикл. Каждая популяция имеет особые характеристики, присущие только ей и не применимые к отдельным организмам. Рассмотрим некоторые из них. Наилучшим образом популяцию как группу организмов характеризует обилие - определенное число особей на данной площади. Мерой обилия особей какой-либо популяции может быть общая численность популяции или ее общая биомасса, что более применимо к растительным организмам. Однако измерить общую численность некоторых популяций на практике бывает довольно трудно: например, численность зайцев на какой-то территории или рыб в водоеме. Применяют метод кольцевания птиц или мечения животных, чтобы проследить за миграциями этих организмов. Для того чтобы иметь приблизительное представление о количестве животных или растений данной группы, ввели такое понятие, как плотность популяции. Плотность популяции - это число особей (или биомасса), приходящееся на единицу площади или объема жизненного пространства. Так, например, можно подсчитать число деревьев, растущих на 1 га леса. В водоеме довольно точно можно подсчитать количество клеток одноклеточных водорослей в единице объема (под микроскопом, в камере Горяева) и сделать пересчет их количества на любой объем, в том числе на весь водоем. Зная плотность популяции в тот или иной момент времени, можно судить о росте, размножении, старении популяции. Рождаемость и смертность. Рождаемость — это способность популяции к увеличению численности за счет размножения особей. Показатель рождаемости — число новых особей (яиц, семян), родившихся в популяции за определенный промежуток времени. 53 54 Кривые выживания, характерные для муфлона или чибиса напоминают кривую II. Известно, что масса птенцов чибиса гибнет, еще находясь в гнезде. У чибиса это связано с тем, что он гнездится на лугах и полях, где гнезда разоряют вороны, и птенцы гибнут во время сельскохозяйственных работ. Взрослые птицы погибают значительно реже, а в старом возрасте вероятность смерти вновь возрастает. Сходные предположения можно сделать и в отношении муфлона. На самом деле этот тип кривой выживания — самый распространенный в природе. Даже у слона и человека эти кривые в действительности имеют небольшой, быстро убывающий участок в левой части графика, который соответствует повышенной смертности особей самых ранних возрастов. Динамика популяций. В процессе жизни внутри каждой популяции происходят изменения, связанные с рождением новых, старением взрослых, отмиранием старых особей, т. е. в ходе эволюции популяции живых организмов обретают новые свойства. Некоторые приобретают способность существовать в суровых, но стабильных условиях: в пустынях (популяции саксаула, тамариска), в полупустынях, в зоне тундры (некоторые виды мхов, карликовые деревья). Такие популяции не приспособлены к резко меняющимся условиям и факторам среды, особенно антропогенного характера, они очень чувствительны к возрастающим воздействиям человека, легкоуязвимы и трудно поддаются восстановлению. Случайные разливы нефти или накопление других токсических веществ в прибрежной тундровой зоне северных морей могут нанести таким популяциям непоправимый вред и привести к их уничтожению. Другие организмы, в основном жители умеренных зон, особенно популяции животных (большинство насекомых) и однолетних растений (некоторые травы), способны выдерживать значительные нарушения условий жизни. Их численность может колебаться в очень широких пределах. Максимальная численность в благоприятные годы и минимальная в неблагоприятные может различаться в десятки, сотни и даже тысячи раз. Рост популяций. Характер увеличения численности популяции может быть различным. Выделяют два типа роста популяций. Их различия видны на рис. 7, отображающем возрастание популяции во временном интервале. Кривые имеют J- и S-образный вид. 55 56 Число особей Нужно различать максимальную (или абсолютную, физиологическую) и экологическую рождаемость. Максимальная рождаемость — теоретическое число особей, которое может появиться на свет, если отсутствуют внешние факторы, сдерживающие процесс размножения. Выражаясь экологическим языком, можно сказать, что отсутствуют ограничивающие факторы по размножению. Максимальная рождаемость — это плодовитость самок. Экологическая рождаемость в естественных условиях — это скорость возрастания численности популяции при сложившихся условиях жизни. Для тех видов, которые мало или вообще не заботятся о потомстве, а функция родителей сводится только к произведению на свет новых особей, характерна высокая максимальная и низкая экологическая рождаемость. Так, например, взрослая самка трески выметывает миллион икринок (максимальная рождаемость), из которых до взрослого состояния в среднем доживают лишь две особи (экологическая рождаемость). Смертность — это показатель состояния популяции, противоположный рождаемости. Понятно, что в группе особей, образующих популяцию, происходит не только рождение, но и отмирание старых особей. Для того чтобы популяция не исчезла совсем и не возрастала неограниченно, необходимо определенное равновесие процессов рождаемости и смертности. Организмы умирают, даже когда условия жизни вполне благоприятны, а влияние внешних факторов не изменяется в худшую сторону. В этих случаях смертность минимальная. Таким образом, возрастание смертности — это сигнальный показатель на неблагоприятное изменение внешних воздействий (ухудшение условий среды). Каждый организм характеризуется своей индивидуальной продолжительностью жизни (табл. 4). Таблица 4 Средняя продолжительность жизни некоторых видов растений и животных Виды Продолжительность Виды Продолжительность организмов жизни организмов жизни Мхи 10 лет Комары взрослые 3—4 недели Барбарис, жас- 50 лет Личинки стрекоз около 1 года мин Мухи взрослые 19-112 дней Розы 50—400 лет Омары до 50 лет Клен обыкно- 500 лет Жабы до 50 лет венный Ели и сосны 1000—1200 лет Крокодилы более 40 лет Ливанский кедр, 2500—6000 лет Ласточки 60 лет тис, кипарисы Поденки 2—3 дня Гуси 9 лет Майские жуки: Вороны 60-80 лет взрослые 1 месяц Гориллы 70—120 лет личинки 3—5 лет Слоны 50-100 лет Время Рис. 7. Типы роста популяций Параболообразной (J-образной) кривой А (первый тип) описывается темп роста популяции, когда ее плотность увеличивается с возрастающей скоростью до тех пор, пока не начнет действовать фактор, ограничивающий рост (например, будут полностью использованы ресурсы питания или воздуха в замкнутом водоеме и т. п.). Кривая В (S-образная) описывает события, когда рост популяции вначале увеличивается медленно, затем стремительно растет, но под влиянием сопротивления среды постепенно замедляется, и наступает равновесие, или стационарное состояние, когда число особей не увеличивается. Второй тип кривой (кривая В) типичен для роста бактерий и водорослей. Первый участок S-образной кривой называется фазой замедленного роста (лагфазой), которая заменяется фазой активного роста — (логарифмической фазой), и, наконец, число бактерий в единице объема культуральной жидкости больше не увеличивается — кривая выходит на «плато». Ход и растянутость этой кривой по времени для каждого вида бактерий свои, и они служат важнейшей характеристикой чистой культуры бактерий и водорослей любого вида. Колебания численности популяций. Популяция завершила свой рост, и теперь ее численность слабо отклоняется от некоторой более или менее постоянной величины. Эти небольшие колебания численности связаны с сезонными или годовыми изменениями температуры, влажности, количества пищи. Примеры сезонных колебаний численности популяций: летние полчища комаров (осенью их нет), цветы-первоцветы зацветают раньше всех весной и в начале лета, к осени они отмирают. По изменению численности некоторых видов растений или животных можно судить об экологической ситуации в данном регионе. Такие организмы называют биоиндикаторами, а процесс наблюдения за ними - биологическим мониторингом. Примером циклических колебаний численности могут служить циклы трех- и четырехлетней периодичности северных мышевидных грызунов (мышей, полевок, леммингов) и хищников (полярной совы, песцов). Известны случаи взрывного возрастания численности леммингов в Европе, когда плотность их достигала такой величины, что они вынуждены были мигрировать; их полчища двигались в сторону моря, достигнув которого многие из них гибли. Это пример J-образного возрастания численности популяции, а море в данном случае ограничивающий фактор. Еще одним примером колебания численности могут служить сведения о нашествиях саранчи на посевы. В норме саранча живет в привычных для нее местах обитания. Но бывают годы, когда плотность популяций саранчи достигает чудовищных размеров. Из-за большой скученности идет возрастание численности особей, у которых развились более длинные крылья, позволяющие перелетать в соседние земледельческие районы и там тоже уничтожать все посевы. Здесь мы имеем пример возрастания численности также по J-образному (параболическому) типу, и каждый такой случай сопровождается миграцией, т.е. переселением в другие места обитания (саранча, например, перелетает на 1200 км и более из Африки в Англию). Пики численности насекомых - бабочек сосновой пяденицы и лиственничной листовертки, которые повторяются через 4-10 лет, сопровождаются колебаниями численности птиц, питающихся этими насекомыми, и соответствующей динамикой биомассы деревьев. Деревья с наибольшей биомассой, более чувствительные к насекомым, подвергаются их нашествию и в значительной степени уничтожаются. Отмершие остатки древесины разлагаются и обогащают почву питательными веществами, поэтому начинают развиваться молодые деревья, которые менее чувствительны к насекомым. Кроме того, росту молодых деревьев способствует увеличение освещенности из-за гибели больших деревьев с пушистой кроной. В это же время численность насекомых уменьшается за счет уничтожения их птицами, подрастают молодые деревья (на самом деле процесс длится несколько лет), крона их максимальна, - и все начинается сначала. Таким образом, насекомые-листовертки как бы омолаживают экосистему хвойного леса. Но в ряде случаев причины, вызывающие колебания численности популяций, заключаются в них самих. Так, в условиях перенаселения у некоторых млекопитающих происходят резкие изменения физиологического состояния, которые затрагивают нейроэндокринную систему. Это отражается на поведении животных, изменяется их устойчивость к стрессам, заболеваниям разного рода, возрастает смертность. Например, зайцы-беляки часто погибают от «шоковой болезни» в периоды пиков численности. Такие механизмы, как внутренние регуляторы численности, настроены на некоторые пороговые значения. Но нужно помнить, что регуляторные механизмы — это не только экстренные стабилизаторы численности популяций. Сезонные колебания численности иногда обеспечиваются действием этих же механизмов. Таким образом, видовые популяции — основные функциональные единицы живой природы. Процессы изменения популяций во времени, называемые популяционной динамикой, — результат действия множества факторов окружающей среды, а также внутренних механизмов популяционной регуляции. 3. Самой большой экосистемой является биосфера Земли - оболочка планеты, заселенная живыми организмами. Сведения о толщине биосферы различны. Но одно сравнение верно, что биосфера по сравнению с диаметром Земли подобна кожице на большом яблоке. Над поверхностью моря (или суши) живые организмы распространены примерно на высоте до 6 км, в толщу суши они опускаются на 15 км и на 11 км в глубь океана; следовательно, общая толщина биосферы составляет около 20 км (рис. 8). Биосфера включает литосферу, в том числе почву, гидросферу (реки, озера, моря, океаны) и тропосферу (нижняя часть атмосферы). Но жизнь в этих слоях биосферы распределена неравномерно; основная масса живого вещества 57 58 сосредоточена в поверхностном слое суши (50-100 м) - это высота лесного полога, а в океане - поверхностные слои воды (10-20 м). В этих слоях сконцентрировано больше 90% биомассы растений и животных. Вся совокупность живых организмов планеты составляет биомассу Земли. Она равна 2423х109 т сухой массы, из которой 97% составляют растения, а 3% - животные и микроорганизмы. Плотность жизни неодинакова в различных средах и на поверхности Земли. Хотя 71% всей поверхности земного шара покрыт водой, основная биомасса сосредоточена на суше - 99,8%. Рис. 8. Границы биосферы Биосфера - многокомпонентная система, состоящая из отдельных структур. Эта система считается открытой, так как получает энергию Солнца извне. Структурным звеном биосферы являются биогеоценозы. 4. Учение о биосфере как особой оболочке Земли создал русский ученый В.И. Вернадский. В.И. Вернадский еще в молодости заинтересовался вопросом о влиянии организмов живой природы на ее мертвую, или, как он называл позднее, «косную» материю. Свою статью по почвоведению, написанную им в 1884 году в бытность студентом и участником почвенных экспедиций В.В. До- кучаева, он посвятил описанию влияния сурков, сусликов и других землероющих животных на мощность, строение и состав почвенного покрова. До середины 30-х годов В.И. Вернадский считал все компоненты биосферы, в частности количество живого вещества в ней, постоянными на протяжении всей геологической истории Земли. Деятельность человека он рассматривал как чуждую биосфере, наложенную на нее извне. Однако с середины 30-х годов В.И. Вернадский пересмотрел эту точку зрения, признал качественную и количественную эволюцию биосферы и стал намечать основные этапы такой эволюции. С этого времени он и вмешательство человека в дела природы стал рассматривать как исторически обусловленный, качественно новый этап развития биосферы. При этом он был уверен, что расхищение природных ресурсов, характерное для ранних стадий развития капиталистического общества, явление временное, связанное с недостатком знаний и низким культурным уровнем населения. В.И. Вернадский считал, что при разумном отношении к антропогенному преобразованию природной среды суммарные ресурсы биосферы могут возрастать быстрее, чем возрастает численность человечества, и что такая разумно преобразованная биосфера сможет удовлетворить материальные и духовные потребности человечества. Термин «ноосфера» не принадлежит В.И. Вернадскому (его предложил французский математик и философ Э. Леруа в 1927 году, после того как им был прослушан курс лекций В.И. Вернадского по геохимии в Сорбонне). Ноос древнегреческое название человеческого разума. Следовательно, ноосфера - это сфера человеческого разума. В дальнейшем употребление термина «ноосфера» связано с именем В.И. Вернадского. Все вещество В.И. Вернадский поделил на группы: живое вещество - все живые организмы, населяющие нашу планету; косное вещество - неживые тела, образованные без участия живых организмов; биогенное вещество - тела, образованные при участии живых организмов; биокосное вещество - особое природное тело - почва. Функции живого вещества: 1. Газовая - поглощает и выделяет газы в процессе дыхания и фотосинтеза. 2. Окислительно-восстановительная - выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В процессе синтеза органических веществ преобладают восстановительные реакции и происходят затраты энергии. В процессе расщепления преобладают окислительные реакции и выделяется энергия. 3. Концентрационная - это биогенная миграция атомов, которые сначала концентрируются в живых организмах, а затем, после их отмирания, переходят вновь в неживую природу. Следствием является накопление полезных ископаемых в определенных местах земной коры (известняк, торф, каменный уголь, нефть). 4. Геохимическая - создает и поддерживает компоненты биосферы. 59 60 В.И. Вернадский доказал, что за 4 млрд. лет существования на планете Земля живые организмы вызвали огромные преобразования, полностью изменив облик нашей планеты: сделали ее зеленой, создали огромные запасы топлива — нефти, каменного угля, торфа; в морях образовали коралловые рифы и целые острова; создали голубую пелену нашей планеты, т.е. слой воздуха, в котором велика доля кислорода. Под влиянием и при участии жизнедеятельности организмов в биосфере происходит круговорот воды, кислорода, углерода, азота и других веществ. Такой обмен элементами различных слоев биосферы обеспечивает возможность жизни в ней живых существ. Живые организмы способны накапливать многие элементы и сложные вещества, повышая их концентрацию в тысячи раз. Если вмешательство человека в биосферу незначительно, то сохраняется природное равновесие экосистем. Однако усиливающееся влияние человека на природу (вырубка лесов, которые выделяют кислород и испаряют много воды, сжигание большого количества топлива, содержащего углерод, уменьшение испарения с поверхности океана из-за пленки нефти, которая покрывает все большие площади океана, и т. д.) приводит к нарушению равновесия и глобальному ухудшению состояния биосферы. 5. Глобальные проблемы биосферы. Первая проблема - угроза парникового эффекта, о котором мы уже говорили. Вторая проблема - разрушение озонового слоя, расположенного на высоте 15-50 км от земной поверхности и защищающего живые организмы от губительного действия коротковолновых ультрафиолетовых лучей (УФЛ). Уменьшение озонового слоя на 1% влечет за собой увеличение ультрафиолетового излучения (УФИ) на 1,5%. Полное исчезновение озонового слоя означало бы гибель живых организмов на Земле. Даже его утончение приводит к росту раковых заболеваний, гибели многих организмов, к изменению генетического кода и, как следствие, к увеличению числа мутаций. Кроме этого, утончение озонового слоя приведет к увеличению нагрева Земли, усилению ветров, наступлению пустынь. Озоновый слой разрушается в результате попадания в него летучих хлор- и фторорганических соединений, которые распадаются под действием солнечного света. Каждый атом хлора или фтора, попавший в озоновый слой, может разрушить до 100 000 молекул озона. Источники таких хлор- и фторорганических соединений - различные растворители, фреон холодильников и аэрозольных баллонов. Накопление различных аэрозолей в атмосфере очень вредит озоновому экрану. Поэтому во всем мире идет поиск заменителей этих опасных веществ. Запуски ракет также представляют опасность для целостности озонового слоя. Третья важнейшая проблема биосферы - это аридизация (или опустынивание) суши. Опустынивание - это процесс крайней деградации земель, ведущий к тому, что они становятся похожими на пустыню. Происходит это в результате снижения уровня грунтовых вод и эрозии (разрушения) почвы. Вообще опустынивание - это взаимодействие засухи и хозяйственной деятельности человека. Многие государства Древнего мира — Малой Азии, Месопотамии, а также Рим, Греция потеряли свое могущество, а иные (Хорезм, страны Сирии, Северной Африки) и совсем исчезли в результате хищнического отношения к почве. Истощение почв превращает страну в пустыню. Так, земли в районе Оклахомы превратились в «пыльную чашу». Другой пример - описание вида, открывающегося с Великой китайской стены: «Вся долина, бывшая некогда прекрасными фермерскими угодьями, превратилась в пустыню из песка и гравия, то влажную, то сухую, но всегда бесплодную. Ее единственный урожай сейчас - это пыль, подхватываемая сильными зимними ветрами». Рассмотрим причины опустынивания. Перевыпас - увеличение поголовья скота, бесконтрольный выпас которого приводит к вытаптыванию пастбищ. Упрощение экосистем - выжигание кустарников для лучшего роста травы, уничтожение травы животными, не оставляющими ее перегнивать в почве. Сельское хозяйство - интенсивное земледелие, не оставляющее поля под пар, вынос химических элементов с урожаем. Заготовка древесины - непланомерная вырубка лесов. Засоление - в результате орошения происходит испарение воды, а соль остается. Перерасход грунтовых вод - грунтовые воды расходуются быстрее, чем возобновляются. Четвертая проблема - истощение природных ресурсов. В древние времена человек добывал 19 элементов Периодической системы Д.М. Менделеева, к началу XVIII века - 25, в XIX веке - до 50, а в настоящее время в производство вовлечено около 100 элементов. Количество ежегодно добываемых полезных ископаемых превышает 100 млрд. т, и темпы добычи растут. По разным оценкам, невозобновимые природные ресурсы истощатся через 50-100 лет. Проблема исчерпаемости природных ресурсов приобретает все большую актуальность. Это связано с осознанием их ограниченности и со все более увеличивающимся потреблением. Особый интерес представляет скорость использования различных видов топлива (каменный уголь, нефть, газ), поскольку с их использованием связаны проблемы загрязнения атмосферы и соответственно парниковый эффект, кислотные дожди и другие явления. Биосфера - это эволюционно сложившаяся, находящаяся в равновесном состоянии система. Проблемы биосферы возникли в результате развития особой оболочки Земли - сферы человеческого разума, или, как ее называл В.И. Вернадский, ноосферы. Под ноосферой он понимал современный этап развития биосферы. Создание ноосферы - это создание новых принципов разумного управления биосферой. В этом процессе человечество должно найти способ устранения экологического кризиса и одновременно - способ сосуществования общества с природой при высоком уровне его технического развития. Чело- 61 62 1. Демографические проблемы. Население Земли непрерывно увеличивается. В начале сельскохозяйственной революции 10 000 лет до н. э. на нашей планете жили 10 млн. человек, а в начале новой эры — 100—250 млн. человек. Согласно экспертам ООН, 17 июля 1999 года в Сараеве родился 6миллиардный житель Земли. Особенно быстро возрастает население Азии, Африки, Латинской Америки. Ежегодно население мира увеличивается на 75 млн. человек. Считается, что ежесекундно численность населения увеличивается на 3 человека. В начале 2002 года в России проживали 144 млн. человек (103 млн. человек в городах и 39 млн. человек в селах). Вместе с ростом населения растут и потребности общества в продовольствии, одежде, обуви, предметах обихода, жилище, средствах транспорта и других благах, а все это требует развития производства, которое связано с расширенным использованием природных ресурсов, с негативным воздействием на окружающую среду. Одновременно страдает здоровье населения городов. Здоровье общества — индикатор состояния окружающей среды. Современные представления о состоянии здоровья населения формируются из трех показателей: 1) демографических (рождаемость, продолжительность жизни, смертность и т. п.); 2) данных о различных видах заболеваний; 3) данных о физическом развитии (особенно детей и подростков). Особое значение имеет и формирование групп риска среди практически здоровых людей. Такие группы риска выявляются при возможности радиоактивного облучения — по суммарной предельной дозе для человека. Группы риска можно выделить в крупных индустриальных центрах, а также среди работников некоторых химических производств. Промышленные предприятия сосредоточены в городах, поэтому стремительно увеличивается число жителей города, происходит процесс урбанизации. В среднем по России в городах сегодня проживает около 70% населения. В такой индустриально развитой стране, как Япония, в городах живет до 80% населения. Вместе с ростом урбанизации происходит постарение населения Земли, т.е. увеличение доли стариков относительно всего населения. Особенно это характерно для развитых стран Европы (Германии, Франции, Швейцарии). Меньше всего стареет население Африки — там самая большая доля детей от всего населения. Такая тенденция обусловлена разницей в тех же демографических показателях, которые характеризуют любую популяцию: рождаемость, продолжительность жизни, смертность и т. д. 2. Экологические проблемы городов. Наиболее значительным событием современности является рост городов. Города — неотъемлемая часть Земли. Они занимают всего 2% площади суши, но потребляют 3/4 мировых ресурсов. Половина населения Земли сегодня живет в городах, причем к 2025 году городское население составит 2/3 от мирового. Таким образом, наблюдается процесс урбанизации, то есть увеличение доли городского населения, рост значения городов в жизни общества, распространение городского образа жизни. В современном мире 50 стран имеют степень урбанизации, превышающую 70%. Стопроцентная урбанизация достигнута в Сингапуре и Кувейте, 99% — в Гваделупе, 97% — в Бельгии и Макао. Интенсивно увеличивается количество городов-гигантов, очень крупных городов, образовавшихся в результате роста и дальнейшего слияния (агломера- 63 64 век должен научиться делать прогнозы и предсказывать возможные результаты своего вмешательства в природные процессы. Контрольные вопросы: 1. По каким показателям сравнивают между собой разные популяции? 2. Приведите примеры видов с простой и сложной возрастной структурой популяций. 3. Какие изменения происходят в популяциях разных видов в ответ на увеличение плотности? 4. Стоит ли разрешать охоту на диких животных? Если да, то можно ли сделать так, чтобы охота не наносила урона популяции этих животных? 5. У всех ли видов можно ожидать взрывов численности популяций при отсутствии врагов? 6. Каковы границы биосферы? 7. Почему биосферу часто называют глобальной экосистемой? 8. Почему жизнь на планете не могла бы существовать, если бы Земля не имела магнитного поля и озонового экрана? 9. В чем проявляется связь биосферы и космоса? 10.Какие из современных антропогенных факторов оказывают наиболее сильное влияние на жизнь гидросферы и атмосферы? В чем проявляется это влияние? Блок 2. Городские и промышленные экосистемы. Здоровье человека и окружающая среда Лекция 8. Народонаселение. Городские и промышленные экосистемы     Демографические проблемы и урбанизация; Экологические проблемы города; Атмосфера города и контроль за ее состоянием; Роль зеленых насаждений в городских экосистемах. ции) многих городов и населенных пунктов. Они называются мегаполисами. В Японии агломерации городов от Токио до Осаки образовали мегаполис Токайдо с численностью населения 60 млн. человек. На восточном побережье США 25 агломераций от Бостона до Вашингтона образовали мегаполис Босваш с населением 40 млн. человек. Крупнейшими городами мира в 1994 году были Токио (Япония, 26,5 млн. человек), Нью-Йорк (США, 16,3 млн.), Сан-Паулу (Бразилия, 16,1 млн.), Мехико (Мексика, 15,5 млн.), Шанхай (Китай, 14,7 млн.), Бомбей (Индия, 14,5 млн.), Лос-Анджелес (США, 12,2 млн.), Пекин (Китай, 12,0 млн.), Калькутта (Индия, 11,5 млн.), Сеул (Южная Корея, 11,5 млн.). Особыми чертами крупного города являются: плотная многоэтажная застройка, развитие транспорта и связи, преобладание застроенной части территории над зелеными насаждениями, концентрация источников загрязнения окружающей среды, рост плотности населения. История развития городов. Развитие городов - процесс объективный. Первый город, как известно, появился на Земле 9-8 тысяч лет назад в Палестине. Это был библейский Иерихон, который, по преданию, пал после 7-дневной осады от трубных звуков во время обхода его стен священникамиизраильтянами. Его размеры были невелики - около 3,5 гектара, и проживали в нем 2-3 тыс. жителей. Древнейшим городом был также Вавилон. В VII веке до н. э. в нем проживал 1 млн. человек, и он занимал площадь 10 км2. В VIII-VII веках до н.э. древними греками были выработаны важнейшие принципы градостроительства. В центре греческого города, обычно на холме, возвышался акрополь с главными храмами и общественными сооружениями. Вокруг акрополя размещались жилые и ремесленные кварталы и рыночная площадь. Греки стремились «вписать» город в рельеф, учитывали микроклимат, строили город под защитой гор от сильных ветров. Для строительства выбирали территорию с небольшим уклоном для улучшения стока, умело использовали террасы. Крупнейшим мегаполисом Древнего мира был Рим, в котором в IV веке до н.э. проживали до миллиона человек. В крупных древних городах действовали водопровод, канализация, были мостовые. Первые русские города появились в VIII-X веках, они выполняли в основном роль крепостей. Современные градостроители должны ставить перед собой иные цели овладеть пространством, поднять будущий город ввысь, оставив максимум территории для садов, парков, зон отдыха. В 2000 году крупнейшим городом мира вновь стал Токио с населением 28 млн. жителей, обогнавший Мехико. Городские экосистемы. Города играют большую роль в экономической, политической и общественной жизни человечества. Все население городов — люди, животные, насекомые, птицы, деревья, а также промышленные предприятия, системы коммуникаций представляют собой городские экосистемы. Эти экосистемы сложно назвать экосистемами в общепринятом понимании. В них отсутствуют основные свойства экосистем: способность к саморегулированию и круговороту веществ. Здесь практически отсутствует звено редуцентов, и заметно подавлена деятельность продуцентов. Существование городов невозможно без постоянного притока энергии. Городские экосистемы гетеротрофны, доля солнечной энергии, которую поглощают растения города, мала по сравнению с огромным количеством поступающей в города энергии от гидро- и атомных электростанций, месторождений нефти, газа, угля. Кроме энергии, город потребляет огромное количество воды. Главная особенность экосистем городов в том, что в них невозможно экологическое равновесие. Человек должен сам регулировать как потребление городом энергии и ресурсов (сырья для промышленности и пищи для людей), так и количество ядовитых отходов, поступающих в атмосферу, воду и почву в результате деятельности промышленности и транспорта. Рост городов в мире определяется в первую очередь уровнем и темпами развития промышленности и транспорта, поэтому в городах возрастали и возрастают экологические проблемы. Эти проблемы касаются всех средовых составляющих: климата, атмосферы, водных ресурсов, почв. Вода, воздух, почва в условиях техногенного развития города являются лишь буферами, а при сильной степени загрязнения сами становятся источниками экологической опасности. Для современного города характерны следующие экологические проблемы: 1) напряженность кислородно-углеродного баланса воздуха; в городах наблюдается тенденция понижения кислорода и увеличения углекислого газа в составе воздуха; 2) сильное и интенсивное загрязнение воздушного бассейна, водных источников, почвенной среды; 3) в городах складывается свой тип микроклимата с ухудшенными для человека экологическими характеристиками; 4) городская среда насыщена различными физическими загрязнителями: шумом, электромагнитным излучением и др.; 5) жители городов испытывают повышенные отрицательные эмоциональные и психологические нагрузки. 3. Атмосферное загрязнение. Над крупными городами атмосфера содержит в 10 раз больше аэрозолей и в 20— 30 раз больше газов, чем над сельской местностью. Причина столь неблагополучной атмосферы городов заключается в том, что города являются крупными центрами тяжелой промышленности. На городскую среду оказывает влияние целый ряд техногенных факторов. Наиболее мощные из них - отходы промышленного производства, поступающие во внешнюю среду в виде газов, дымов, пыли; транспорт; тепловые и энергетические станции и т. д. Основные загрязнители атмосферы — углекислый, сернистый, угарный газы, оксиды азота. По усредненным расчетам, на 500 тыс. населения во время 65 66 отопительного сезона выбрасывается 150 т сернистого газа, 100 т оксидов азота в сутки. Кроме того, в воздух попадает летучая зола, содержащая силикаты, сульфаты, сульфиты, карбонаты, фосфаты, соли щелочных металлов. С увеличением размеров городов в них повышается доля в общем загрязнении атмосферы от автотранспорта. В целом выбросы автотранспорта значительно более токсичны, чем выбросы от промышленных источников. Кроме угарного газа, оксидов азота и сажи, работающий автомобиль выделяет в окружающую среду более 200 веществ и соединений, в число которых входят свинец и другие тяжелые металлы, бензапирен, обладающий канцерогенным действием, летучие углеводороды. На долю автотранспорта приходится до 90% всех выбросов в атмосферу (более 2 млн. т в год). В Москве сейчас насчитывается около 3 млн. автомобилей. Положение усугубляется несовершенством двигателей, наличием хронических пробок и заторов. Известно, что на холостом ходу двигатель выделяет в 3-4 раза больше вредных веществ, чем при работе в оптимальном режиме. Выбросы промышленных предприятий столицы не столь токсичны, как автомобильные, но значительно снижают прозрачность атмосферы. В целом на каждого москвича приходится 46 кг промышленных выбросов вредных веществ в атмосферу. Наибольшие объемы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу приходятся на долю энергетики (55%) и нефтеперерабатывающей промышленности (26%). Крупными загрязнителями атмосферы Москвы являются шинный и нефтеперерабатывающий заводы, комбинаты стройматериалов (Лианозовский, Бескудниковский и другие), заводы «Серп и молот», «Красный богатырь», автомобильный им. Лихачева и АЗЛК и другие предприятия. Мелкая пыль также один из загрязнителей городского воздуха. Пыль, загрязняющая атмосферу, свободно проникает в легкие и задерживается там, а очень мелкая действует как газы. Вредные микрочастицы обладают мутагенными (изменения на генетическом уровне) и канцерогенными свойствами (образование злокачественных опухолей). Кроме того, пыль адсорбирует большое количество микроорганизмов, в том числе и болезнетворных. Лидером среди российских городов по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу является Норильск (более 3 млн. т в год). Пятно загрязненного снега вокруг него прослеживается из космоса на расстоянии в сотни километров. С любым загрязнителем, доза которого невелика, организм человека может справиться. Но существуют некоторые пороговые величины, при которых концентрация вредных веществ такова, что они отрицательно сказываются на здоровье. Такие пороговые величины (между вредными и безвредными концентрациями) называются предельно допустимыми концентрациями (ПДК). Экологи, медики, биологи составляют таблицы ПДК для различных потенциально вредных примесей в воздухе, воде, почве. Кроме того, для каждого источника загрязнения устанавливаются предельно допустимые выбросы (ПДВ). Загрязнение вод. Проблема водоснабжения городов - одна из острейших. Города потребляют в 10 раз больше воды в расчете на одного жителя, чем сель- ские районы. Объемы сточных вод достигают 1 м3 в сутки на одного человека. Велики различия в потреблении воды на душу населения между городами: москвич тратит около 700 л воды в сутки, а калужанин - вдвое меньше. Сточные воды представляют мощный источник химического загрязнения окружающей среды - водоемов, подземных водных горизонтов. Сточные воды, попадая в реки, разносятся вокруг городов на многие десятки и даже сотни километров. Понятие «сточные воды» включает в себя бытовые и промышленные сточные воды. Бытовые сточные воды наряду с фекалиями и остатками пищи содержат моющие и чистящие средства, в состав которых входят и токсические вещества. Промышленные сточные воды еще более насыщены токсическими веществами и при попадании без предварительной очистки в водоем могут вызвать гибель всех водных организмов в нем. Также промышленные сточные воды характеризуются высокой температурой, значительным содержанием нефтепродуктов и резкими перепадами поступления. Ни один из московских водоемов и ни одна из рек не соответствуют рыбохозяйственным нормативам. В черте города находятся водные объекты, которые настолько загрязнены, что представляют угрозу для здоровья населения. Интенсивная откачка подземных артезианских вод и ограниченное их пополнение ведет к образованию под большими городами депрессионных воронок, что создает опасность провалов, приводит к деформации зданий. В результате снижения уровня подземных вод в подолье-комячковском водоносном горизонте на 50-70 м, а в алексинско-протвинском водоносном горизонте на 90120 м под Москвой создалась депрессионная воронка радиусом 90-100 км. Загрязнение подземных вод - актуальная проблема столичного региона, поскольку естественное их обновление в процессе водообмена происходит в течение сотен и тысяч лет (в отличие от рек и водохранилищ, где оно не превышает нескольких месяцев, лет). Городские почвы (урбоземы). Под воздействием крупных городов в значительной мере загрязняется почвенный покров. Городские почвы (урбоземы) отличны от естественных по химизму, водно-физическим свойствам. Они переуплотнены, почвенные горизонты перемешаны и насыщены строительным мусором, бытовыми отходами. Естественный почвенный покров на большей части города уничтожен, кроме парков. Особый вклад в ухудшение химических свойств почв вносит применение зимой солей в целях быстрого освобождения дорог от снега. Для этого используют в основном хлористый натрий. В результате в городах и вдоль автомагистралей появляются такие же засоленные почвы, как в степях или на морском побережье. Городские почвы, кроме почв лесопарков, имеют повышенное содержание тяжелых металлов, особенно в верхних (0-5 см) слоях, которое в 4-6 раз превышает фоновое. Сильное загрязнение почвы тяжелыми металлами в совокупности с очагами сернистых загрязнений приводит к уничтожению микрофлоры, потере плодородия, возникновению техногенных пустынь. 67 68 Почва становится мертвой при содержании в ней 2-3 г свинца на 1 кг грунта, а в некоторых участках промышленных зон содержание свинца составляет 10-15 г на 1 кг грунта. Из-за регулярной уборки растительных остатков снижается плодородие городских почв, что обрекает городские растения на «голодный паек». Ухудшает качество почв и регулярное скашивание газонов. Снижает плодородие городских земель и бедная почвенная микрофлора. Почти нет в почвах городов дождевых червей. Нередко городские почвы стерильны почти до 1 м вглубь. Экологические функции городских почв ослаблены не только из-за сильного загрязнения (почва перестает быть фильтрационным барьером), но и из-за их уплотнения, затрудняющего газообмен в системе «почва - атмосфера». Микроклимат города. В крупных городах формируется особый климат, который в летний зной близок к климату скалистой пустыни. Так, летом в Москве температура на поверхности асфальта в полдень достигает 45-55°С, благодаря чему в городе создается «эффект духовки». В безветренные дни над городом на высоте 100-150 м может образовываться слой температурной инверсии, который задерживает загрязненные массы воздуха над территорией города. В результате теплового загрязнения над крупными городами формируются острова тепла, над которыми устанавливается своеобразная циркуляция воздушных масс - городские бризы. Пыль, выброшенная промышленными предприятиями, автотранспортом, ТЭЦ, котельными, резко повышает содержание в атмосфере ядер конденсации (частиц серы, соединений азота), абсорбирующих капельки воды. Поэтому в крупных городах больше облачных, пасмурных дней и выпадает больше снега, чем в пригородах. Запыленная, замутненная атмосфера насыщена токсинами, сдерживает поток солнечной радиации: снижение поступления ультрафиолетовой радиации приводит к росту содержания в воздухе болезнетворных бактерий. Эти факторы способствуют развитию бронхитов, рака легких, эмфиземы, инфекционных и других болезней. Видеозагрязнение. Зрительное загрязнение охватывает визуальную среду — архитектуру, цветовую гамму зданий, ландшафты, озеленение, рекламу, витрины, 114 чистоту улиц, лозунги. Сейчас Москва стала более многокрасочной, но проблема видеозагрязнения осталась. В городе появляется много однотипных новостроек, других малопривлекательных сооружений, раздражающих глаз. Их особенно много в так называемых спальных районах и в центре. И неудивительно, что человек, оказавшись здесь, испытывает желание поскорее покинуть это место. 5. Роль зеленых насаждений в городских экосистемах. Зеленая растительность, кроме того, что насыщает атмосферу кислородом, играет роль воздушного природного фильтра. Она задерживает распространение пыли и газов. Значительное количество вредных веществ растения поглощают, как, например, сернистый газ, оксиды азота; а такие вещества, как фториды, хлориды, свинец и т.д., растения не усваивают, но также способны поглощать из атмосферы, очищая ее. Поскольку на листьях городских деревьев и внутри них скапливается большое количество вредных веществ, опавшую листву ни в коем случае нельзя сжигать в черте города, так как все вредные вещества, осевшие в листьях, в процессе сгорания вновь попадают с дымом в атмосферу. Зеленые растения способны вырабатывать фитонциды — вещества, убивающие бактерии. Благодаря растениям в воздухе снижается содержание вредных тяжелых ионов и увеличивается количество легких. Большую роль играют зеленые насаждения в улучшении микроклимата города, поскольку снижают высокие летние температуры, повышают влажность воздуха, являются механической преградой сильным ветрам, уменьшают воздействие шума, электромагнитных колебаний и т.д. Известно, что растения поглощают до 25% звуковой энергии. Поскольку микроклимат крупного города из-за большой площади асфальтированных и забетонированных поверхностей близок к микроклимату степи (особенно летом), то геоботаники рекомендуют для озеленения такие породы: дуб, ясень, липу, вяз. Зеленые насаждения в городе оказывают положительное эмоциональное влияние на психику человека, являясь уголками здоровья и успокоения. Поэтому жизненно важно для горожан охранять старые садово-парковые комплексы и принимать участие в создании новых зеленых зон. Считают, что пирамидальные кроны возбуждают человека, а овальные и плакучие успокаивают. Эмоциональное воздействие проявляется и через многообразие листьев и их цветовую гамму. Например, в течение вегетационного периода цветовая гамма лиственных растений достигает 28 оттенков, а хвойных - 12. Оптимальное соотношение по экологическим показателям площади застройки крупных городов к площади лесопаркового защитного пояса должно быть не менее 1:5, тогда как в Лондоне, Париже, Вашингтоне это соотношение 1:10 (а в Москве - 1:1,5). Характерной особенностью современной жизни явился стремительный рост урбанизации. К концу столетия преобладающим в мире станет городское население. Заботой экологов и архитекторов должны быть программы по проектированию городов с учетом всех особенностей геологической и биологической среды. Такова программа «Экополис», идеализированный объект, где сбалансированы взаимоотношения города и окружающей среды. 69 70 Контрольные вопросы: 1. Какими средствами достигалась независимость человека от среды? 2. Каковы плюсы и минусы промышленной революции? 3. Почему идет процесс урбанизации, несмотря на ухудшение жизни в больших городах? 4. В сходство и различие экологических и экосоциальных связей? 5. Каким образом человек преодолевает дефицит пищевых ресурсов и тем самым расширяет социально-экологическую ёмкость среды своего обитания? 6. Назовите основные причины ускоренного роста численности населения Земли? Лекция 9. Влияние шума, электромагнитного излучения и радиации на организм человека. Проблемы отходов     Проблемы шума в городах. Иммунитет и радиация. Отрицательное влияние электромагнитных полей. Промышленные и твердые бытовые отходы. Влияние шума на организм человека. Серьезным фактором, ухудшающим жилищную среду большого города, является шум. Шумы городской среды воздействуют на человека на производстве, на улицах городов, дома. Уровни шума (звукового давления) измеряются в децибелах (дБ). Например, обычный разговор на расстоянии 1 м создает шум в 65 дБ, звон будильника — 80 дБ, поезд на расстоянии 7м — 90—93 дБ, взлетающий реактивный самолет с 25 м — 140 дБ. Средний уровень шума в 50-тысячном городе составляет 55 дБ. Неприятные ощущения у человека возникают при уровне шума от 60 до 90 дБ. При 129 дБ появляются болевые ощущения, а при 150 дБ возникает необратимая потеря слуха. В настоящее время в крупных городах интенсивность шума увеличилась на 10—15 дБ за счет трамваев, троллейбусов, автобусов. Самым шумным городом считается Рио-де-Жанейро, уровень шума в районе Капакабана — более 80 дБ. Это грозит его обитателям нарушениями слуха и заболеваниями сердца. Основным источником шума в городах является транспорт. На шумовой режим жилой среды оказывают влияние промышленные и коммунальные объекты. Уровни шума этих объектов обычно ниже транспортных, но физические характеристики производственных шумов (тотальный, ударный, импульсный и т. д.) создают неблагоприятные условия для проживания. В совокупности все эти источники создают постоянный звуковой фон, сопровождающий людей и когда они трудятся, и в нерабочее время. Особенностью шумов является их непериодичность, т. е. усиления и спады их уровней наступают внезапно и по продолжительности сильно варьируют. При открытых окнах квартир люди подвергаются 10-кратному воздействию шума по сравнению с квартирами, оборудованными кондиционерами и стеклопакетами. Вследствие длительного воздействия этого фактора на окру71 жающую среду современный городской человек потерял слуховую чувствительность. Так, например, аборигены Африки в состоянии слышать звук частотой до 28 тыс. герц, а жители Нью-Йорка воспринимают звуки частотой только до 8 тыс. герц. Возникают опасения, что в урбанизированных районах под воздействием все возрастающего шума могут рождаться глухие дети. Шум способен привести клетки органов слуха и нервную систему к деградации и гибели. Из древней истории сохранился пример, когда император, живший в III веке до н.э., издал указ, гласивший: «Повелеваю не вешать преступников: пусть флейты, барабаны и колокольчики непрерывно звучат до тех пор, пока приговоренный не упадет бездыханным; и это будет самая мучительная смерть, какую только можно себе представить. Звоните беспрерывно в колокольчики, пока преступник не потеряет рассудок и не умрет». Организм часто реагирует на шум на бессознательном уровне, но все равно такое воздействие вызывает повышенное психическое напряжение. Громкий звук, отрицательно действуя не только на слух, приводит к нарушениям деятельности нервной системы, повышенной утомляемости, ослабляет внимание. Страдает и сердечнососудистая система. Наиболее чувствительны к шуму дети. Но даже и воины могут быть сломлены «звуковой атакой». Известен случай взятия таким образом пещерного города Чуфут-кале в Таврии. Город-крепость, расположенный на обрыве, был практически неприступен. И тогда атакующие татарские воины решили взять город шумом - они много дней и ночей создавали сокрушительный шум; одни отряды сменяли другие, а те, кто был в крепости, не знали сна и покоя. Они не выдержали этой изнурительной психической атаки и сдали город. Длительное воздействие городского шума на человека ведет к снижению производительности труда. Общая заболеваемость рабочих шумных цехов в среднем на 25% выше, чем у рабочих тихих цехов. Однако разные звуки поразному действуют на организм. Например, гнетущая тишина плохо действует на работоспособность. Звуки определенной силы стимулируют мышление, особенно счет. Звуки капель дождя, падающих в ритме человеческого пульса, навевают сон. Каждый человек воспринимает шум по-своему, но в условиях города происходит постоянное напряжение слухового анализатора. Человек начинает хуже слышать сначала высокие звуки, а потом низкие, постепенно может произойти потеря слуха. Шумовые раздражители вызывают перенапряжение нервной системы, способствуют возникновению вегетососудистой дистонии. Авиационный шум ведет к возникновению сердечнососудистых заболеваний. Шум нарушает сон, вызывает головную боль, испуг, тревогу; развиваются неврозы, проявляется повышенная агрессивность; инфразвуки могут вызывать растерянность и слабость, вплоть до полной прострации. Для того чтобы уберечь здоровье от шумовых воздействий, необходимо принимать определенные меры: строительство квартир с малой акустикой (рамы с тройным остеклением), озеленение, строительство домов по «замкнутой 72 системе». Автострады должны пролегать в выемке, т.е. ниже уровня жилых зданий. В настоящее время, кроме шумовых воздействий, человек подвергается физическому действию и других факторов: радиации, электромагнитных полей. Иммунитет и радиация. Одним из мощных факторов, разрушающих здоровье человека, является повышенное радиоактивное излучение. Оно вызывается превышением естественного уровня содержания радиоактивных веществ в среде. Человек привык жить в условиях естественного фонового радиоактивного облучения. Однако повышенное облучение приводит к снижению иммунитета, раковым заболеваниям, лучевой болезни. Еще сильнее влияет на здоровье употребление пищи, зараженной радиоактивными веществами. К радиоактивному, или ионизирующему, излучению относят рентгеновское и гамма-излучение. Радиоактивные атомы вызывают ионизацию других атомов и молекул. При взаимодействии их с другими молекулами возникают свободные радикалы — молекулы или атомы, имеющие неспаренные электроны, которые атакуют биологические макромолекулы — белки, ДНК, т. е. вносят нарушения и изменения в генную программу организма. Это может проявляться в мутациях или предмутационных изменениях. Свободные радикалы нарушают белковолипидные структуры. Ионизирующее излучение ведет к нарушению структуры и функций иммунной системы, возникают иммунодефицитные состояния. В результате резко увеличивается число инфекционных, аутоиммунных и онкологических заболеваний. Иммунитетом называют способность иммунной системы к отторжению чужеродных тел. Макрофаги и лимфоциты — основные клетки иммунной системы. Иммунный ответ проходит две стадии: 1) узнавание чужеродных молекул и выработка белков-интерлейкинов; 2) разрушение чужих клеток и макромолекул. На этих двух стадиях работают разные виды клеток иммунной системы. При интенсивном радиоактивном облучении погибают любые делящиеся клетки. Таким образом, может погибнуть много быстро делящихся лимфоцитов — это выведет из строя иммунную систему. Лучевая болезнь возникает, когда гибнут все интенсивно делящиеся клетки и обновляющиеся ткани. К ним относятся кроветворная, иммунная, генеративная ткани, слизистые ткани кишечника. При лучевой болезни они поражаются первыми. В зависимости от дозы облучения, которая измеряется в греях, могут развиваться церебральная, кишечная, костно-мозговая форма лучевой болезни, иммунодефицитные состояния или канцерогенез. Кроме того, после облучения начинает активизироваться как патогенная, так и облигатная (безвредная и полезная) микрофлора, и последняя начинает проявлять патогенные свойства. Условно-патогенные микробы становятся патогенными. Наступает снижение устойчивости к инфекционным заболеваниям. Полное выздоровление облученных клеточных популяций наступает редко. Так, проводились медицинские наблюдения за населением Чернобыля и Семипалатинска. Иммунная система людей, находившихся в то или иное время в районе катастрофы, оказалась существенно нарушенной, особенно у детей. Острее и продолжительнее стали хронические неспецифические заболевания. Участились заболевания дыхательных путей, ОРЗ, увеличились размеры щитовидной железы. Если радиацией поражается тимус (вилочковая железа), это вызывает преждевременное старение, так как снижается уровень тимусных гормонов. Если радиоактивные изотопы попадают внутрь, они становятся источником постоянного излучения. Например, стронций-90 концентрируется в костях и постоянно действует на кроветворную систему, убивая все ее молодые элементы. Изотоп йода накапливается в щитовидной железе, сильнее всего действует на близлежащий тимус. Селен-75 нарушает циркуляцию лимфоцитов. Вещества, способные защищать от губительного воздействия радиации, называются радиопротекторами. Радиопротекторы типа антиоксидантов могут ослабить действие радиации в два и более раз (цистеин, цистеамин, дибунал, медин). Для того чтобы предотвратить канцерогенез, снижают калорийность пищи и проводят витаминизацию в течение всего года. Пектин и пектиносодержащие продукты способны связывать и выводить из организма металлы (стронций, цезий, свинец, ртуть) и уменьшают всасывание радионуклидов. Это салаты, соки из овощей и фруктов. В рацион надо вводить щавелевую кислоту, лимоннокислый натрий, глюконат кальция, насыщать организм солями кальция и фосфора. Один из эффективных радиопротекторов — витамин А или его провитамин бетакаротин. Более желателен комплекс: витамин А, витамины Е и С. Для лечения применяют иммуномодулирующие вещества — препараты тимуса: тималин, тактивин, тимоптин, тимоген. Основным источником радиоактивного заражения в помещениях является инертный радиоактивный газ радон. Он образуется при распаде радиоактивных веществ, содержащихся в почвах и многих минералах. Просачиваясь через фундамент и пол из грунта или высвобождаясь из материалов, использованных при строительстве, радон накапливается в помещениях. В результате возникают довольно высокие уровни радиации. Медицинские последствия этого выражаются в росте числа раковых заболеваний. Поэтому необходима оценка радиоактивной обстановки в помещениях. Отрицательное влияние электромагнитных полей. Магнитное поле Земли — это естественное электромагнитное поле. Под влиянием корпускулярных потоков (движущихся частиц) в магнитном поле Земли наступают кратковременные изменения. Это называется магнитной бурей. Изменения в геомагнитном поле (ГМП) Земли связаны в основном с солнечной активностью. Если на Солнце произошла вспышка, то в сторону Земли вырывается быстрый поток солнечной плазмы, вызывая «солнечный ветер», который и вносит изменения в геосферу Земли. ГМП действует на все живое, в 73 74 том числе и на человека. В периоды магнитных бурь увеличивается количество сердечнососудистых заболеваний, ухудшается состояние людей, страдающих гипертонической болезнью (повышением кровяного давления). Действие электромагнитных полей выводит человека из состояния устойчивого равновесия. Так, ученым А.Л. Чижевским было установлено, что вспышки эпидемий гриппа связаны с солнечной активностью. Чем больше пятен на Солнце, тем больше вероятностей вспышек гриппа. Частота гипертонических кризов также зависит от геомагнитных бурь. Геомагнитые возмущения увеличивают число дорожнотранспортных происшествий, у больных шизофренией увеличивается количество приступов. Геофизические аномалии могут привести к утрате навигационных способностей у птиц — у них наступает полная дезориентация; у животных наблюдается нарушение условных рефлексов. В годы «спокойного» Солнца отмечено меньше инфарктов миокарда, мозговых инсультов. Кроме естественного электромагнитного поля, в современных условиях появились искусственные электромагнитные поля (ЭМП), которые в отдельных районах к сотни раз выше среднего естественного поля. Источники ЭМП — радиопередающие устройства, линии электропередач, городской электротранспорт. В настоящее время большая часть населения живет в условиях повышенной активности ЭМП. За последние годы в городах число разнообразных источников ЭМП во всем частотном диапазоне резко увеличилось. Это и радиотелефоны, радары ГАИ, микроволновые печи, компьютеры и так далее. Источники электромагнитных полей приводят к нарушениям в системах, органах и тканях, а также к функциональным изменениям в сердечнососудистой и эндокринной системах человека. Чаще встречаются электрические поля промышленной частоты (ЭППЧ), вызывающие головную боль, чувство усталости, ухудшение аппетита, раздражительность, ухудшение оперативной памяти, изменение кардио- и энцефалограммы, катаракту хрусталика глаза. По мнению врачей, наиболее чувствительными к ЭМП являются нервная, иммунная, эндокринная и половая системы. У подопытных животных при действии ЭМП наблюдается угнетение условно-рефлекторной деятельности, реакции запаздывают, бывает выпадение условных рефлексов и полное отсутствие двигательной активности. СВЧ-волны малой интенсивности действуют на репродуктивную функцию животных. Радиочастоты влияют на морфологический состав крови и обмен веществ. Происходит перераспределение жизненно важных микроэлементов: меди, цинка, железа, кобальта. Резкие нарушения под действием слабых ЭМП наблюдаются в период роста и развития организмов. Особенно велика чувствительность организмов к многократному действию ЭМП. При этих условиях наблюдается кумулятивный эффект (эффект накопления). Как должна быть налажена защита от ЭМП радио-и телепередающих устройств? Основные источники высокочастотной энергии - радио- и телепередающие центры и радиолокаторы. Поэтому такие центры должны быть размещены за пределами населенных мест. Антенны устанавливают на насыпях. Не допускается их размещение вблизи жилых и общественных зданий, должны существовать санитарно-защитные зоны, где нет строений. Промышленные и твердые бытовые отходы. Одними из основных источников загрязнения городских территорий являются промышленные, образующиеся в результате производственного процесса, и твердые бытовые отходы (ТБО), возникающие в процессе жизни человека в жилище и в результате амортизации предметов быта. Еще в V веке до н. э. в Афинах был издан первый (из известных) эдикт, запрещающий выбрасывать мусор на улицы, предусматривалась организация специальных свалок, и мусорщикам предписывалось сбрасывать отходы далеко за городом. В крупных городах России ежегодно накапливается до 1 и более тонн отходов на 1 жителя. В целом же промышленными методами перерабатывается только 3—5% ТБО, остальное вывозится на свалки и полигоны. Избавиться от твердого мусора можно тремя способами: закапывать, сжигать и утилизировать. Под свалки в пригородах отводятся большие площади земель. Скопления мусора резко изменяют характер естественных природных процессов на обширных пространствах на долгие годы. Вся площадь мусорного полигона представляет опасность для здоровья людей и животных. Грунтовые воды и почвы вокруг свалок оказываются загрязненными ядовитыми веществами и болезнетворными микроорганизмами. Объемы свалок в наших городах удваиваются примерно каждые 10 лет. Так, только в Москве для складирования промышленных и бытовых отходов требуется ежегодно 30 га новых территорий. Твердые утилизируемые бытовые отходы (ТУБО) современного города представляют собой не только эпидемиологическую, но и токсикологическую проблему. Обычные ТУБО содержат более 100 наименований токсичных соединений: красители, пестициды, ртуть, растворители, свинец, лекарства, кадмий, соединения мышьяка, формальдегид, соли таллия и др. Серьезную проблему представляют также пластмассы и синтетические материалы, так как они не подвергаются процессам биологического разрушения и могут десятки лет находиться в окружающей среде. При горении пластмасс и синтетических материалов выделяются многочисленные токсины, в том числе диоксиды, фтористые соединения, кадмий и др. В Москве ежегодно образуется 2,5 млн. тонн ТУБО. Основная их часть (до 90%) утилизируется на специальных полигонах Тимохово, Хметьево и других, площадь которых варьирует от 10 до 100 га, а мощность толщи отходов достигает 20 м и более. Найти новые свалки трудно из-за недостатка земли и протестов местных жителей. Но и простое захоронение отходов — мероприятие достаточно дорогое. Поскольку стоимость захоронения на свалках высока, то 75 76 растет число несанкционированных свалок, которые продолжают отравлять грунтовые воды, почву и воздух вокруг столицы. Поэтому так актуально для городов строительство специальных заводов полной переработки отходов в органические удобрения и вторичное сырье. В густонаселенных районах Европы используют сжигание мусора. Первое систематическое использование мусорных печей было опробовано в Ноттингеме, Англия, в 1874 году. Сжигание сократило объем мусора на 70— 90%. Тепло, выделенное при сжигании мусора, стали использовать для получения электроэнергии. Многие города, которые применяли эти печи, вскоре отказались от них из-за ухудшения состава воздуха. Немецкие «зеленые» считают, что мусоросжигательные заводы лишь переводят одну форму загрязнения в другую, но не ликвидируют ее. Сегодня в Москве эксплуатируются два мусоросжигательных (в Бескудникове и в Бирюлеве) и один мусороперерабатывающий (в Коровине, производительностью 500 тыс. м3 мусора в год) заводы, использующие импортное технологическое оборудование. Мусоросжигательные заводы из-за невозможности соответствовать экологическим требованиям работают со сниженной производительностью и перерабатывают лишь 1/10 часть городского мусора. В последнее время делается ставка на плазменное сжигание мусора (температура около 3000 °С), но этот процесс очень энергоемкий и пока низкорентабельный. Наиболее перспективным способом решения проблемы становится комплексная переработка городских отходов. Органическая масса используется для получения удобрений и биогаза; текстильная и бумажная макулатура — для получения новой бумаги, металлолом направляется в переплавку. Основной проблемой в переработке является сортировка мусора и разработка технологических процессов переработки. Большую перспективу имеет переработка ТБО, после их сортировки, в биогаз. Переработка тонны органического остатка ТБО может дать до 500 м3 биогаза. Процесс протекает непрерывно при 30-50°С в реакторах. Полученный газ состоит на 60-70% из метана и окиси углерода и имеет теплотворную способность 4000-6000 ккал/м3. Образующиеся твердые отходы могут быть использованы как органические удобрения. Запасы вторичного сырья сопоставимы с разведанными геологическими запасами. Выплавка стали из металлолома требует в 7 раз меньше трудовых затрат, чем производство из железной руды. Затраты энергии при выплавке меди из вторсырья снижаются почти в 8 раз. При переплавке алюминиевого лома вместо руды экономится до 95% энергии и соответственно на столько же снижается загрязнение воздуха. Повторная переработка 1 тонны макулатуры экономит 2,5 м3 пространства на свалке, более 30 тысяч литров воды, необходимой при изготовлении бумаги из целлюлозы, и спасает от вырубки примерно 20 деревьев. Среди факторов, отрицательно влияющих на здоровье людей, одно из первых мест занимают различного рода загрязнения. Физические факторы окружающей среды (шум, радиоактивное излучение, электромагнитные поля) являются причиной увеличения заболеваемости людей, особенно в городах. В связи с этим возрастает значимость состояния окружающей среды, образа жизни, уровня здравоохранения на снижение уровня заболеваемости и на здоровье нации в целом. Уничтожение и переработка отходов становятся серьезной экологической проблемой. В значительной степени она может быть решена сокращением объемов перерабатываемого сырья, вторичным использованием отходов, созданием эффективных и безопасных систем их уничтожения. Также необходимо изменить привычное поведение людей, поскольку требуется сортировать бытовой мусор, собирая отдельно металл, бумагу, стекло, пищевые отбросы. 77 78 Контрольные вопросы: 1. 2. Что такое шумовое загрязнение? Каковы его источники? 2. Какое влияние на здоровье человека может оказать повышенный уровень шума? 3. Что такое радиационное загрязнение биосферы? 4. 6. Каковы основные источники радиационного загрязнения? 5. В чем опасность повышения радиации в биосфере? 6. Каковы пути передачи инфекции? 7. Какие природно-очаговые болезни вам известны? В чем их отличия от других инфекционных болезней? 8. Какие предосторожности следует соблюдать в районах с природноочаговыми болезнями? 9. Каковы меры личной профилактики для предотвращения тяжких заболеваний и преждевременной смерти? 10.Какие меры принимаются в мире и в России по ограничению воздействия негативных факторов на здоровье населения? Лекция 10. Биоритмы организмов  Классификация биоритмов.  Работы А.Л. Чижевского, связанные с изучением ритмов солнечной активности.  Типы биоритмов.  О хронобиологии и хрономедицине.  О ритмах работоспособности. 1. Одно из основных свойств живой природы — цикличность большинства происходящих в ней процессов. Вся жизнь на Земле, от клетки до биосферы, подчинена определенным ритмам. Рассматривая различные виды адаптации, которые возникли у живых организмов в определенной среде обитания, нельзя не заметить их приспособленность к пространственно-временным изменениям в живой природе. Ежегодно мы наблюдаем осенний листопад, зимнюю спячку некоторых животных, весеннее распускание почек и, наконец, летнее созревание плодов или вылет птенцов из гнезда. Эти процессы происходят в строгом порядке, и один цикл сменяет другой в определенной последовательности. Петухи будят нас по утрам, а совы и летучие мыши охотятся ночью; цветы одуванчика раскрываются утром и закрываются вечером. Многие органы и их системы высших животных и человека работают «как часы», т. е. в определенном ритме, заданном однажды и неизменном в течение всей жизни организма. Природные ритмы любого организма можно разделить на внутренние (связанные с его собственной жизнедеятельностью) и внешние (циклические изменения в окружающей среде). Внутренние ритмы — это, прежде всего, физиологические ритмы организма. Ни один физиологический процесс не совершается непрерывно. Синтез ДНК и РНК в клетке происходит ритмично, он связан с клеточным циклом. Все клетки в процессе деления периодически проходят отдельные фазы: G- и S-фазы митоза. Таким образом, обновление ДНК и РНК в клетке ритмично. Сборка белков также строго ритмичный процесс, который можно сравнить с работой конвейера. Сокращение мышц, биение сердца, дыхание, работа желез внутренней секреции и т. д. — все это примеры ритмичных процессов организма. При этом каждая система органов имеет свой собственный период повторяемости, изменить который действием факторов внешней среды можно лишь в очень узких пределах. Такую ритмику, не зависящую от внешних условий, называют эндогенной. Ритмически осуществляя свои физиологические функции, организм как бы отсчитывает время, и наступление каждой следующей фазы определяется временем. В этих процессах время выступает как важнейший экологический фактор. Внешние ритмы имеют геофизическую природу, так как связаны с вращением Земли относительно Солнца и Луны относительно Земли. Под влиянием этого вращения множество экологических факторов на нашей планете, особенно световой режим, температура, давление, электромагнитное поле атмосферы, океанические приливы и отливы, закономерно изменяются. 2. Изучению ритмов солнечной активности и их влиянию на человеческое общество посвятил свои труды ученый, «Коперник XX века» Александр Леонидович Чижевский, столетие которого отмечалось 7 февраля 1997 года. Он был всесторонне образованным человеком: окончил археологический институт, учился на физико-математическом и медицинском факультетах МГУ, известен его поэтический дар. Соратник и друг К.Э. Циолковского, АЛ. Чижевский способствовал продвижению и популяризации его идей. А.Л. Чижевский связал историю Вселенной с образованием человечества. В его научных исследованиях тесно переплелись общая биология, физиология, медицина, геофизика, метеорология, астрономия, история и социология. Им было сделано два открытия, положивших начало принципиально новым направлениям в науке и технике. Первое — открытие биологического действия униполярных ионов воздуха. АЛ. Чижевский установил, что дефицит живого электричества ведет к патологии в любых биосистемах, их деградации и гибели. Аэроионы — необходимый фактор благополучного существования биологических существ. Эти полезные легкие отрицательные ионы образуются на рассвете, при ярком солнце. И, напротив, в городах и закрытых помещениях накапливаются тяжелые положительные ионы. Чижевский изобрел технический способ «оживления» воздуха закрытых помещений. На его основе создан и имеется в широкой продаже прибор «люстра Чижевского», позволяющий «оздоравливать» помещения. Но самое выдающееся, второе, его достижение — открытие влияния космических факторов на процессы, происходящие в географической оболочке Земли. Он убедительно доказал, что 11-летний цикл солнечной активности непосредственно отражается на живых обитателях Земли. Это проявляется в 11летних периодах вспышек массовых заболеваний людей, животных и растений, а также в обострении различных стихийных процессов в различных сферах жизни, как биологической, так и социальной. Он собрал огромное число статистических данных и получил связную картину зависимости эпидемий, эпизоотии, сердечно-сосудистых катастроф и нервно-психических кризов в солнечно-земном мире. Более того, вспышки революционной активности масс, оказывается, также зависят от вспышек на Солнце и укладываются в 11-летний цикл. Сейчас мы знаем, что в годы активного Солнца увеличивается количество аварийных ситуаций (ДТП), количество приступов у больных шизофренией, наблюдаются вспышки эпидемий гриппа и т.д. А.Л. Чижевский писал: «Я пришел к мысли о том, что в данном случае мы имеем обычный процесс превращения энергии. Усиленный приток лучистой энергии Солнца превращается в переизбыток нервно-психической, эмоциональной энергии». Итак, мы зависим от Солнца. Это проявляется и в других приспособительных ритмах организмов — годичных, суточных (циркадных). 3. Ряд изменений в жизнедеятельности организмов совпадает по периоду с внешними геофизическими циклами. Это так называемые адаптивные биологические ритмы — суточные, приливно-отливные, равные лунному месяцу, годичные. Благодаря этим ритмам самые важные биологические функции организма, такие, как питание, рост, размножение, совпадают с наиболее благоприятным для этого процесса временем суток или года. Адаптивные биологические ритмы возникли как приспособление физиологии живых существ к регулярным экологическим изменениям во внешней среде. Этим они отличаются от чисто физиологических ритмов, которые поддерживают непрерывную жизнедеятельность организмов: дыхание, кровообращение, деление клеток и т.д. Рассмотрим более подробно примеры отдельных биоритмов организма. Суточные ритмы. Они обнаружены у разнообразных организмов, от одноклеточных до человека. Это ритмы с 24-часовой периодичностью. Их назы- 79 80 вают также циркадными ритмами. Такие ритмы врожденные, генетически обусловленные. Биоритмы — это периодические колебания какого-либо апологического процесса. Графически биоритмы можно описать синусоидой с определенной амплитудой и фазой колебаний. У человека отмечено свыше 100 физиологических функций, затронутых суточной периодичностью: сон и (бодрствование, изменение температуры тела, объема, химического состава мочи, мышечной и умственной работоспособности и т. д. У амеб в течение суток изменяются темпы деления. У некоторых растений к определенному времени суток приурочены открывание и закрывание цветков, поднятие и опускание листьев, максимальная интенсивность дыхания и т. п. По смене периодов сна и бодрствования животных делят на дневных и ночных. Ярко выражена дневная активность у домашних кур, птиц отряда воробьиных, сусликов, муравьев, стрекоз. Типично ночные животные — ежи, летучие мыши, совы, кабаны, большинство кошачьих, тараканы. Некоторые виды имеют приблизительно одинаковую активность как днем, так и ночью. Белки-летяги, для которых характерна сумеречная активность, просыпаются вечером синхронно, в строго определенный час. В условиях эксперимента, будучи помещены в полную темноту, белки сохраняют околосуточный ритм. Тем не менее, он может сбиваться, если не возобновлять чередование дня и ночи. У человека циркадные ритмы изучались в различных ситуациях: в пещерах, герметических камерах, подводных плаваниях и т. п. Обнаружилось, что в отклонениях от суточного цикла у человека большую роль играют типологические особенности нервной системы. Циркадные ритмы могут быть различными даже у членов одной и той же семьи. У большинства видов при попадании их в другие географические пояса возможна перестройка циркадного ритма. Обычно она происходит не сразу, а захватывает несколько циклов и сопровождается рядом нарушений в физиологическом состоянии организма. Например, у людей, совершающих перелеты на самолетах на значительные расстояния, наступает десинхронизация их физиологического ритма с местным астрономическим временем. Организм начинает перестраиваться. При этом чувствуются повышенная усталость, недомогание, желание спать днем и бодрствовать ночью. Адаптивный период продолжается от нескольких дней до двух недель. Десинхронизация ритмов представляет собой важную медицинскую проблему в организации ночной и сменной работы лиц ряда профессий, в космических полетах, подводных плаваниях, работах под землей. Циркадные и суточные ритмы лежат в основе способности организма чувствовать время. Эту способность живых существ называют «биологически- ми часами» живых организмов, которые ориентируют их не только в суточном цикле, но и в более сложных геофизических циклах изменений природы. Приливно-отливные ритмы. Виды организмов прибрежной полосы живут в условиях очень сложной периодичности, когда на 24-часовой цикл освещенности накладывается еще чередование приливов и отливов, фаза которых смещается ежедневно на 50 минут. Устрицы во время отлива плотно сжимают створки и прекращают питание. Периодичность открывания и закрывания раковины у них сохраняется еще долгое время после перенесения их в аквариум. Рыбка атерина, обитающая у берегов Калифорнии, использует в своем жизненном цикле высоту приливов. В самый высокий прилив самки откладывают икру у кромки воды, закапывая ее в песчаный грунт. С отступлением воды икра созревает во влажном песке. Выход мальков происходит через полмесяца и приурочен к следующему высокому приливу. Периодичность, равная лунному месяцу, — эндогенный ритм размножения японских лилий, — часто служит сигналом к размножению, нересту многощетинковых червей паоло. У человека отмечена склонность к кровотечениям у оперированных больных в зависимости от фаз Луны. Но приспособительное значение большинства эндогенных лунных ритмов пока неизвестно. Годичные ритмы — одни из наиболее универсальных в живой природе. Годичные изменения в живой природе тесно связаны с размножением, ростом, миграциями и переживанием неблагоприятных периодов года. Сезонные изменения представляют собой глубокие Сдвиги в физиологии и поведении организмов, затрагивающие их морфологию и особенности жизненного цикла. Очевиден приспособительный характер этих изменений. Чем резче сезонные изменения внешней среды, тем сильнее выражена годовая периодичность жизнедеятельности организмов. Осенний листопад, спячка, запасание жиров, сезонные линьки, миграции развиты преимущественно в зонах умеренного и холодного климата, а в тропиках сезонная периодичность в жизненных циклах выражена менее резко. Таким образом, наступление очередного этапа годичного цикла у живых организмов частично происходит в результате эндогенной ритмики, а частично вызывается колебаниями внешних факторов. Одним из наиболее точно и регулярно изменяющихся факторов среды является длина светового дня, ритмы чередования темного и светлого периодов суток. Именно этот фактор служит большинству организмов для ориентации во времени года. Фотопериодизм — это реакция на сезонные изменения длины дня, ритм чередования светлого и темного периодов суток. Фотопериодизм растений и животных — наследственно обусловленное, генетически закрепленное свойство. Изучением закономерностей сезонного развития природы занимается особая прикладная отрасль экологии — фенология. 81 82 4. Хронобиология, хрономедицина. Новое направление в медикобиологической науке, которая изучает закономерности функционирования организма, всех жизненных процессов во времени. Составной частью хронобиологии является учение о биологических ритмах. Временная структура ритмов очень сложная. Можно сказать, что живому организму присущи одновременно все существующие ритмы. Необходимо учитывать индивидуальное течение биоритмов у каждого отдельно взятого человека. Так, например, есть люди-«совы» и люди-«жаворонки», что зависит от индивидуальных биоритмов. Хрономедицина ставит своей целью использовать закономерности биоритмов для профилактики, диагностики и лечения болезней человека. Прежде всего выявляется, есть ли какие-либо отклонения в нормальном течении биоритмических процессов. Так, ученые-медики выявили вполне четкую и конкретную связь сдвигов суточных ритмов и гипертонической болезни, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. В данном случае коррекция биоритмов помогает быстрее вылечить больного. За последние годы накоплен большой фактический материал о зависимости действия лекарственных веществ от фазы биоритма. В разных фазах суточных биоритмов различна чувствительность человека к лекарствам. Для большинства гипотензивных средств наиболее эффективен их прием в 15-17 часов, т. е. в тот момент, когда начинается циркадный подъем артериального давления. Максимум аллергической реакции на пенициллин приходится на часы от 18 часов 50 минут до 4 часов в течение суток. Одна и та же доза этилового спирта (или эндотоксина) в начале фазы активности организма может быть смертельной, а в начале фазы покоя — безразличной. Приведем пример порога болевой чувствительности зубов: на прием к стоматологу лучше идти после полудня, а не утром. Практика учета биоритмов применяется при лечении кортикостероидами — разрабатывают индивидуальные, либо для группы людей, схемы хронотерапии и получают хорошие результаты лечения вегетососудистых расстройств, бронхиальной астмы. При этом введение гормональных препаратов имитирует нормальный биоритм секреции этих гормонов у здоровых людей. Особенно важен учет биоритмов человека при лечении онкологических заболеваний, так как важно проводить химиотерапию с учетом фазы митоза раковых клеток, т. е. в той фазе, когда клетки наиболее чувствительны к данному препарату. Сопротивляемость организма также имеет ритмичный характер: в разное время суток организм по-разному реагирует на патологическое действие химических, физических, биологических факторов окружающей среды. Известно, что в окружающей среде, да и в организме человека, находится достаточное количество микробов, чтобы заболеть в любую минуту. Однако заболевание наступает часто тогда, когда мы не замечаем, но наша кривая сопротивляемости находится в нижней фазе. К тому же влияют внешние факторы (холод, ветер), которые могут уменьшить амплитуду сопротивляемости, — и тогда микробы нас побеждают. Установлено, что амплитуды ритмичных процессов связаны с возрастом: максимальные амплитуды наблюдаются в молодом и зрелом возрасте, а при старении происходит угасание амплитуд биоритмичных процессов и нарастают процессы внутренней десинхронизации. 5. Ритмы работоспособности. Колебания умственной работоспособности в период бодрствования изучаются более 100 лет. В экспериментах отмечено, что запоминание бессмысленных слов обычно быстрее происходит утром; умственная работоспособность повышается примерно до полудня, после полудня интеллектуальные и двигательные процессы имеют различные кривые: «собственно интеллектуальные» достигают максимума в середине дня, а «двигательные» функции повышаются на протяжении всего дня. У некоторых людей при выполнении задач, связанных с «быстрой переработкой информации», наблюдается, кроме утреннего, еще и пик в 21 час. Это так называемый эффект конца работы. Биоритмы — это закономерные периодические изменения физиологии и поведения организмов при смене времени суток, сезонов года, приливов и отливов, лунных фаз. Биоритмы являются одной из сторон многообразного процесса адаптации живых организмов к меняющимся условиям окружающей среды и имеют большое практическое значение. Изучение биоритмов человека имеет важное научное и прикладное значение, находит применение в практической медицине. 83 84 Контрольные вопросы: 1. Почему большинство биологических процессов имеет циклический характер, то есть чередование периодов покоя и активности? 2. Приведите примеры повторяющихся процессов. 3. С чем связано появление внешних ритмов у организмов? 4. Приведите примеры внутренних ритмов организмов. 5. Назовите примеры приливно-отливных ритмов. 6. Прокомментируйте примеры годичных ритмов, объясните их приспособительный характер. Блок 3. Рациональное природопользование Лекция 11. Принципы рационального природопользования  Типы классификации ресурсов.  Основы организации рационального природопользования.  О пределах устойчивости ресурсов и состоянии ресурсной базы на сегодняшний день. Обеспечение устойчивого развития общества неразрывно связано с рациональным природопользованием. В настоящее время под природопользованием понимается совокупность всех форм воздействия человека на географическую оболочку Земли. Для более точной качественной и количественной характеристики природопользования Н. Ф. Реймерсом было разработано понятие природоресурсного потенциала, т. е. той части природных ресурсов Земли и ближнего космоса, которая может быть реально вовлечена в хозяйственную деятельность при данных технических и социально-экономических возможностях с условием, что очень важно, сохранения среды жизни человека. Классификация ресурсов. Природными ресурсами Земли служат объекты и условия, используемые в процессе материального производства для удовлетворения различных потребностей общества. Природные ресурсы можно классифицировать следующим образом: по их использованию: 1) промышленные, 2) сельскохозяйственные, 3) рекреационные и т.п.; по принадлежности к компоненту природы: 1) космические, 2) воздушные, 3) водные, 4) почвенные, 5) биологические, 6) геологические; по характеру воздействия: 1) исчерпаемые, 2) неисчерпаемые, 3) возобновимые. Исчерпаемые ресурсы, в свою очередь, делятся на невозобновляемые и возобновляемые. К невозобновляемым относятся такие геологические ресурсы, как нефть, каменный уголь и другие, запасы которых не восстанавливаются; к возобновляемым относятся почвы, растительность, животный мир. К неисчерпаемым, хотя и достаточно условно, принадлежат космические (солнечная радиация, приливы и отливы); климатические (тепло, влага, энергия ветра) и водные ресурсы. Условность такого определения связана, во-первых, с ограниченностью существования Солнечной системы и, во-вторых, с их деградацией и в конечном случае исчерпанием вследствие загрязнения продуктами хозяйственной деятельности человека и непригодности для дальнейшего использования. При этом в основе природопользовательской деятельности человека очень часто лежит принцип удаленности событий. Так, полагают, что с развитием научно-технического прогресса экологические проблемы будут решаться намного легче, чем сейчас. Рациональное природопользование способствует сохранению природоресурсного потенциала и здоровья человека, экономному использованию природных ресурсов и обеспечению эффективного режима их воспроизводства. Однако как прошлые, так и современные производственные технологии не дают возможности полного сохранения природоресурсного потенциала, лишь приближаются в отдельных случаях к этому оптимуму. Такое несоответствие на протяжении человеческой истории способствует истощению отдельных видов природных ресурсов Земли в целом, обуславливая развитие экологического кризиса. Существует три простых правила, позволяющих определить пределы устойчивости потребления ресурсов. Правило 1. Для возобновимых ресурсов темпы потребления не должны превышать темпы восстановления. Правило 2. Темпы потребления невозобновимых ресурсов не должны превышать темпы их замены на возобновимые. Например, при эксплуатации нефтяных месторождений часть выручки должна вкладываться в разработку и производство альтернативных источников энергии, таких, как солнечные батареи, приливно-отливные электростанции и пр. Правило 3. Интенсивность выброса загрязнителей не должна превышать скорости их переработки природной средой. В настоящее время эти правила не соблюдаются. При этом наблюдаются значительные различия между экологически развитыми и развивающимися странами. Для развитых стран более характерно нарушение третьего правила. Количество отходов производства настолько возросло в последние десятилетия, что стало угрожать жизнедеятельности человека. В 2000 году количество отходов достигло 100 млрд. т в год. Лидерами по количеству твердых отходов на душу населения являются промышленно развитые страны — США, Россия и Япония. Лидером по душевому показателю бытовых отходов является США 500-600 кг в год мусора. Значительное количество отходов способствует загрязнению окружающей среды и ее компонентов — атмосферы, гидросферы, почв. Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается 60 млн. твердых частиц, способствующих формированию парникового эффекта, кислотных осадков, замутнению атмосферы и образованию смога. Качество воздушной среды, с точки зрения здоровья человека, постоянно снижается, что особенно характерно для крупных мегаполисов в развивающихся странах, как, например, Мехико с его 20-миллионным населением. Общий объем сточных вод достиг к 90-м годам XX века 1800 км3 , при этом на Европу, Северную Америку и Азию приходится 90% сброса. Большая часть сброшенных вод относится к неочищенным или недостаточно очищенным, вследствие чего более 1,3 млрд. человек пользуются в быту загрязненными водами, что служит источником многих заболеваний. В развивающихся странах в основном не соблюдается первое правило, и поэтому они страдают от истощения возобновляемых ресурсов. Истощение свя- 85 86 зано главным образом с бурным ростом населения вследствие демографического взрыва и только отчасти с ростом интенсивности производства. Ежегодно вследствие развития процессов эрозии развивающиеся страны теряют 4—5 млн. га сельскохозяйственных земель. Особенно тяжелое положение складывается в Африке, где сильно деградированы 17% площади всего материка, значительно возросла площадь пустынь. Темпы освоения новых земель и рекультивация нарушенных значительно отстают от темпов деградации. Развивающиеся страны располагают х/2 всех мировых лесных ресурсов. Бессистемная вырубка леса привела к тому, что если в развитых странах, в том числе в России, площадь лесов стабилизировалась, то в этих странах происходит ежегодное уменьшение их площади на 11 млн. га. Рациональное природопользование — это такое использование естественных экосистем или их элементов, при котором не происходит разрушения ресурсов и не ухудшаются среда обитания и соответственно здоровье человека. При этом сохраняется биологическое разнообразие экосистем. Ухудшение природных ресурсов, их истощение можно и нужно предотвратить. Основными путями решения этой проблемы являются: 1) повышение безотходности производства; 2)разработка принципиально новых источников и способов получения энергии; 3)решение демографической проблемы в развивающихся странах и др.; 4) разработка ресурсосберегающих технологий. Контрольные вопросы: 1. Поясните, какой смысл вкладывается в понятие природопользование. 2. Прокомментируйте, как можно классифицировать ресурсы Земли. 3. Объясните, что относится к исчерпаемым ресурсам, а какие ресурсы считаются неисчерпаемыми. 4. Проанализируйте, почему природопользование должно быть рациональным. 5. Назовите правила, по которым можно определить пределы устойчивости потребления ресурсов. 6. Приведите примеры антропогенных воздействий на ресурсы атмосферы, водную среду, земельные ресурсы. 7. Прокомментируйте, каковы пути предотвращения истощения природных ресурсов. Лекция 11. Экология – как научная основа природопользования  Экологические проблемы.  Принципы рационального природопользования.  Перспективы развития энергетики 87 1. Решение глобальных экологических и ресурсных проблем требует совместных усилий многих государств. К таким проблемам относятся сохранение природы на нашей планете, овладение новыми источниками энергии, освоение космоса и ресурсов Мирового океана. Значение этих проблем обусловлено тем, что они затрагивают жизненные интересы всех государств и народов нашей планеты. Человечество обеспокоено непредвиденными результатами своей бесплановой деятельности, ее возможными нежелательными последствиями, угрожающими здоровью и благосостоянию людей планеты. Сами того не сознавая, мы все время используем ранее накопленную солнечную энергию; сжигая каменный уголь, горючие сланцы, торф, нефть или газ, пользуемся энергетическими ресурсами, запасенными нашей планетой много десятков и сотен миллионов лет назад в виде органического вещества. Природа не в состоянии справиться с обилием несвойственных ей химических соединений, поступающих в атмосферу, воды, почвы. Способность к самоочищению, буферность экосистем заметно падают. Экологические связи нарушаются и становятся неустойчивыми. Человек создает искусственные моря, меняя климат и рельеф больших территорий. Если образование нефти, газа, каменного угля происходило в течение десятков миллионов лет, то человек может их выработать в течение десятилетий. Но это не означает, что земные ресурсы в обозримом будущем обязательно иссякнут. Человечество должно изобрести новые способы переработки бедных руд, найти альтернативные источники энергии, более бережно относиться к природе. Необходимо рационально пользоваться природными ресурсами и обеспечивать воспроизводство окружающей среды. Поэтому основные направления социальной экологии следующие: I. Воспроизводство окружающей среды, а именно: а) сохранение естественных ландшафтов; б) создание искусственных биоценозов, не уступающих природным; в) пополнение запасов пресной воды; г) воспроизводство запасов почвенных ресурсов; д) сохранение устойчивости природных сообществ (пирамидальной структуры трофических связей); е) сохранение видового разнообразия, генофонда животного и растительного мира. II. Разработка критериев и обеспечение высокого качества окружающей среды. III. Проведение экономических оценок и стимулов в воспроизводстве природной среды. IV. «Экологизация» потребления. Такое потребление ресурсов должно быть умеренным, с учетом экологических законов. V. Обеспечение информацией систем управления окружающей средой. Это создание систем мониторинга. 88 2. Основной принцип рационального природопользования: «Используй, охраняя, и охраняй, используя». Получая древесину, заготавливая лекарственные травы и ягоды в лесу, охотясь на лосей, можно не нарушать экологического равновесия — в этом случае лесные экосистемы восстанавливаются. Пользуясь новейшими достижениями биологических и сельскохозяйственных наук, можно получать высокие урожаи зерна, высокие надои и привесы сельскохозяйственных животных, не нарушая плодородия почв. Даже самые крупные городские и промышленные экосистемы становятся менее опасными для природы, если используются малоотходные технологии, очистные сооружения или хранилища и заводы по переработке отходов. Человек извлекает из недр Земли необходимое сырье. Попутно он перемещает огромные массы «бесполезных» ископаемых, под которыми или внутри них находится желаемое вещество. В результате возникает вопрос: что делать с отходами? Чаще всего их складируют неподалеку, засоряя, обезображивая и фактически уничтожая природу окрестностей. Все это напоминает трапезу некоего неряшливого гигантского обжоры Гаргантюа, который разбросал объедки вокруг стола. Сейчас уже скопилось более 1600 трлн. м3 «пустых» горных пород и отходов переработанных руд. «Погибшие» земли, утратившие плодородие, — это, прежде всего, горные выработки: отвалы, карьеры и возвышающиеся конусообразные терриконы. Для уменьшения ущерба, наносимого природе отвалами и терриконами, следует комплексно использовать извлекаемую из недр горную породу. Ради «пустой породы» — щебенки, песка или глины — часто неподалеку приходится копать специальные карьеры и напрасно ранить землю. Более 60% отходов от обогащения руды пригодны для производства строительных материалов: кирпича, керамзита, цемента, извести. Породы, отсыпаемые из шахт в терриконы, пригодны для строительства дорог, заполнения провалов, образующихся при добыче полезных ископаемых, засыпки оврагов. Будущее промышленности, безусловно, за безотходными производствами. Отходы одного предприятия — это сырье для другого. Например, отходы Соколовско-Сарбайского железорудного горно-обогатительного комбината — это настоящее месторождение руд цветных металлов. Часто при добыче угля в отходы идут бокситы, железные руды, керамические и каолиновые глины, горючие сланцы, графит, самородная сера и многое другое, т. е. сырье, в котором остро нуждается промышленность. Безотходные технологии исключают загрязнение окружающей среды. То, что раньше наносило людям большой вред, выбрасывалось в атмосферу, воду и загрязняло их, начинает приносить пользу. Предприятия, установившие фильтры для улавливания диоксида серы (S02), не только значительно улучшили окружающую атмосферу, но и получили сырье для производства серной кислоты и серы. Или, например, улавливаемая при разливке стали копоть служит сырьем для получения графита. На Кимовской обогатительной фабрике в Подмосковье из бурых углей, помимо топлива, получают сырье для производства серной кислоты и глину, используемую для изготовления стройматериалов. В Донбассе пустые породы из некоторых терриконов настолько богаты азотом, калием, фосфором и другими веществами, необходимыми растениям, что ими стали удобрять поля. Комплексное использование добываемого из недр сырья и безотходные технологии его переработки — это не только оздоровление природы, но и выгода для производителей. 3. Перспективы развития энергетики. С наступлением атомной революции в середине XX века мир охватила энергетическая эйфория. Казалось, человечество на пороге экономического чуда, достигнутого благодаря новым неиссякаемым источникам энергии. Прошло всего полвека с тех пор, а человечество уже в полной мере пожинает трагические плоды своего преждевременного прожектерства. На АЭС образуются десятки и сотни тысяч тонн жидких и твердых радиоактивных отходов. Что делать с этими ненужными и опасными для человека материалами? Необходимы другие, менее опасные источники энергии, дополняющие традиционную энергетику. Грозит ли энергетический «голод» человечеству? В принципе — нет. Известные на Земле запасы энергии велики и более чем достаточны для удовлетворения всех его предполагаемых нужд, если только удастся отыскать пути использования этих источников энергии. Потенциальные источники энергии распределены в мире неравномерно. Например: 1)горючие сланцы штата Колорадо (США) содержат нефти больше, чем все запасы стран Ближнего Востока, а куб минералов с ребром 5 км, вырезанный из горных пород, подстилающих плато Хемес (штат Нью-Мексико, США), заключает в себе столько тепла, сколько его потребляется за целый год во всем мире; 2)для провинции Альберта (Канада) в геологически активной западной части характерны самая высокая обеспеченность смоляными песками, высокая солнечная радиация и большой геотермальный потенциал; 3)Великобритания располагает одним из самых лучших в мире мест для создания приливных электростанций — эстуарием Северна, где суточная амплитуда приливов и отливов превышает 6 м. Большинство неиспользованных источников энергии рассредоточено по поверхности земли, а не сконцентрировано в виде компактных залежей подобно ископаемым углю, нефти или природному газу. На сегодняшний день отсутствует способ увеличения используемой ничтожной доли солнечной энергии, кроме того, возникает вопрос, как занять громадные площади суши под солнечные коллекторы. Аналогично обстоит дело и с использованием энергии волн и ветра. Волны обладают огромной энергией, достаточной для разрушения дамб и причалов, весящих тысячи тонн. Но ветер — капризный и ненадежный источник энергии. Для его эксплуатации требуется создать способ аккумуляции 89 90 энергии, вырабатываемой в ветреные периоды, с тем, чтобы ее можно было использовать при безветренной погоде. Геотермальные электростанции преобразуют энергию горячих пароводяных источников, питаемых внутренним теплом Земли. Суммарная производительность всех геотермальных электростанций примерно соответствует количеству энергии, генерируемой одним крупным ядерным реактором. Наибольшими возможностями для создания геотермальных электростанций располагают Италия, Япония, Новая Зеландия, США и Мексика. Кроме того, энергия горячих источников может быть использована как в бытовых, так и в промышленных целях. Так, в Новой Зеландии горячая подземная вода используется в бумажной промышленности, а столица Исландии Рейкьявик почти полностью отапливается с помощью системы теплофикации, питаемой из геотермальных скважин. Основные, пока не используемые источники энергии можно разделить на три категории: источники гравитационного происхождения, источники солнечного происхождения и ядерные реакции. Лишь один потенциальный энергетический источник, приливы, использует силу тяготения. Притяжение со стороны Луны и Солнца движет воду Мирового океана, создавая гидроэнергетический потенциал, который можно использовать для строительства приливных электростанций в местах с максимальной амплитудой приливов и отливов. К источникам, в основе которых лежит солнечная энергия, относятся обычное дерево, уголь, нефть и природный газ; все они являются продуктами жизнедеятельности растений или животных, которые не могли бы существовать без солнца. К той же категории относится солнечная энергия как таковая и — что менее очевидно — энергия ветра, рек, волн и термического градиента океанов. Морские тепловые электростанции могли бы использовать разницу температур на поверхности воды и на большой глубине. Принцип действия плавучей электростанции заключается в том, что она имеет трубу длиной 1200 м, которая опущена в глубоководные слои. По этой трубе холодная вода откачивается с глубины в первый теплообменник, где используется для сжижения аммиака. Жидкий аммиак перетекает во второй теплообменник, где под воздействием теплой поверхностной воды испаряется и возвращается к началу цикла. Циркулируя по этой замкнутой системе, аммиак приводит в действие турбину. Такая система способна работать уже при весьма незначительных перепадах температур. Существует три источника энергии, связанных с ядерными процессами: уже используемое на практике деление атомного ядра (принцип работы АЭС), термоядерный синтез и геотермальная энергия. Термоядерный синтез — это реакция слияния легких ядер в более тяжелые, сопровождаемая выделением энергии. Преимущество термоядерной реакции как потенциального источника энергии заключается в отсутствии радиоактивных отходов (в отличие от других типов ядерных реакций), большом количестве освобождающейся энергии и доступности горючего материала. Источники геотермальной энергии используют тепло, выделяемое ядерными процессами, происходящими в глубинах Земли. В ограниченных масштабах солнечное тепло используется геотермальными электростанциями и служит целям теплофикации. Поскольку большинство потенциальных источников энергии находится в рассеянном состоянии, создание конструкций, способных концентрировать их энергию с целью ее практического использования, обошлось бы чрезвычайно дорого. Энергия, которая потребуется на сооружение таких конструкций, превысит то количество энергии, которое они способны выработать за вероятный срок своего существования. Поэтому в каждом случае необходим тщательный анализ для определения рентабельности как финансовых, так и энергетических вложений. Анализ добычи и переработки горючих сланцев плато Колорадо показывает, что затраты энергии на механизацию горных работ, транспортировку сланцев, их экстракцию и очистку почти равны энергии от сжигания полученной таким путем нефти. Так что до тех пор, пока не будет найдена принципиально новая технология, горючие сланцы едва ли могут стать крупным источником получения нефти. Еще одна особенность новых источников энергии состоит в том, что экономисты называют проблемой темпов промышленного освоения. Если мы хотим, чтобы энергия в мире не иссякла, решающее значение приобретает не наличие ее потенциальных запасов, а скорейшее их освоение. Суть рационального природопользования заключается в выполнении правила «используй, охраняя, и охраняй, используя». Важным элементом рационального природопользования является экологическое нормирование и следование принципу экологического императива (системы запретов на все формы использования, которые ведут к разрушению экосистем). Нетрадиционная энергетика противопоставляется традиционной. Она предполагает использовать энергию солнца, ветра, энергию геотермальных источников, приливов и отливов, т. е. возобновимых источников, при минимальном загрязнении окружающей среды. 91 92 Контрольные вопросы: 1. Охарактеризуйте, в каких направлениях должны осуществляться меры по обеспечению воспроизводства окружающей среды. 2. Назовите, какие разделы должна включать социальная экология. 3. Приведите примеры безотходных и малоотходных технологий. 4. Назовите основные категории перспективной энергетики. 5. Поясните, каким образом можно использовать энергию волн, ветра; приведите примеры. 6. Приведите примеры, где и как используется геотермальная энергия. 7. Поясните, каким образом можно использовать энергию солнца; приведите примеры. 8. Обоснуйте экономическую целесообразность освоения новых источников энергии. 9. Поясните на примерах, как должен выполняться основной принцип рационального природопользования. Сведения о Красной книге. Сохранить окружающую нас живую природу необходимо для жизни будущих поколений. Однако только лишь рационального природопользования недостаточно. Нужна специальная организация охраны живой природы — флоры и фауны. Сейчас такая охрана организована на двух уровнях: 1) популяционно-видовом, когда охраняются отдельные виды животных и растений; 2) охрана отдельных экосистем или их совокупностей — особо охраняемых территорий (заповедников, заказников, национальных парков). В 1948 году для избежания дальнейшего обеднения флоры и фауны Земли был создан Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП). Созванная этим союзом комиссия собирала на протяжении многих лет информацию о редких и исчезающих видах животных и растений, составила Красную книгу. Красный свет — это сигнал запрета, понятный людям. Поэтому Красной была названа книга фактов о состоянии тех видов животных и растений, которые стали редкими или находятся под угрозой исчезновения. Планета Земля населена различными живыми организмами. Формировались они миллионы лет и медленно изменялись соответственно сменам геологических эпох. В процессе эволюции биосферы за 4,6 млрд. лет Земля стала домом для 500 млн. видов. 99% из них исчезли (вымерли) или эволюционировали в новые виды. За это время произошло 5-6 массовых вымираний многочисленных видов, господствовавших в свое время на планете. Но это процесс естественного вымирания. С развитием человеческой деятельности условия обитания организмов на Земле стали быстро меняться. В первую очередь пострадали животные. Многих из них человек стал быстро истреблять, изобретая все новые способы и орудия охоты; вырубали леса, распахивали степи и прерии, что резко изменило условия обитания многочисленных видов зверей и птиц. Сейчас каждые 60 минут (в среднем) на планете исчезает 1 вид. Если исчезновение видов будет идти такими же темпами, то через 25 лет исчезнет, по подсчетам ученых, от 500 тыс. до 1 млн. видов. Сейчас систематизированных видов приблизительно 1,8 млн., из них более половины — насекомые, 350 тыс. — растения. Опасность оскудения природы планеты была понята не сразу. Уже после того, как многие виды исчезли, люди увидели, что это безвозвратно, восстановить их не могут никакие современные средства научно-технического прогресса. Число уничтоженных видов для некоторых групп позвоночных животных достигло 10-20%. Не сразу стало ясно и то, что генетическая уникальность, неповторимость видов животных и растений делает уничтожение каждого из них равносильным потере бесценного дара природы. Ведь даже загрязненную воду можно очистить, восстановить, но возродить исчезнувший биологический вид невозможно. Приведем несколько примеров. В XIX веке вымерло около 70 видов птиц и млекопитающих, а за первую половину XX столетия с лица Земли исчезло еще 40 видов. В настоящее время угроза нависла над более чем 200 видами зверей и птиц. Для отдельных замечательных представителей фауны можно назвать и точные сроки их исчезновения: еще в X веке в лесах и лесостепях Европы был широко распространен дикий бык тур. В 1627 году погибло последнее животное. В 1879 году исчез последний тарпан (дикая лошадь), а ведь еще в XVIII веке в южнорусских степях паслись большие табуны этих лошадей. Всего 27 лет понадобилось для того, чтобы истребить морскую корову, впервые обнаруженную учеными на Командорских островах в 1741 году. За сотню с небольшим лет истребили многомиллионные стаи странствующих голубей. В 1850 году один натуралист наблюдал пролет стаи странствующих голубей, на 4 часа закрывшей небо; в ней было более 2 млрд. птиц. В 1914 году в зоопарке Цинциннати (США) умер последний странствующий голубь, самка по имени Марта. В зоопарке висит мемориальная табличка: «Этот вид вымер из-за алчности и легкомыслия человека». Каковы же причины вымирания этих животных? 1. Промысловая бесконтрольная охота. Браконьерство. 2. Нарушение мест обитания, зимовок и размножения (вырубка лесов, осушение болот, строительство дорог, плотин и т. д.). 3. Контрабанда животных и растений. 4. Загрязнение окружающей среды (ДДТ, пестициды, гербициды, тяжелые металлы и т. д.). Инициативу по спасению исчезающих видов (в первую очередь было обращено внимание на животных) проявил Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП). В 1962 году после кропотливой работы Комиссия по охране редких и исчезающих видов подготовила первый проект списка редких видов птиц и млекопитающих. В 1966 году уточненный список был оформлен в специальную Красную книгу. В международную Красную книгу по состоянию на 1979 год внесено 226 видов и 79 подвидов млекопитающих, 181 вид и 77 подвидов птиц, 98 видов и подвидов земноводных, 193 вида и подвида рыб. В Красной книге страницы разного цвета: на красных — даны сведения о видах, находящихся под угрозой 93 94 Лекция 12. Охрана окружающей среды  Сведения о Красной книге.  Особо охраняемые территории: заповедники, заказники, национальные парки. исчезновения; на желтых — уязвимые виды; на белых — сведения о редких видах, т. е. о тех, состояние которых внушает опасения; на зеленых — сведения о восстановленных и уже находящихся вне опасности видах. К сожалению, зеленых страниц пока немного. Серые листы Красной книги предназначены для «неопределенных видов» — малоизученных и тоже, как правило, редких. В 1978 году увидела свет и первая Красная книга бывшего СССР. Это стало выдающимся событием в деле охраны животных и растений на территории нашей страны. В эту книгу было внесено 62 вида и подвида млекопитающих, 63 вида и подвида птиц, 8 видов амфибий, 21 вид рептилий и 437 видов высших растений. В первом издании нет данных о беспозвоночных животных, в частности о насекомых; нет в книге сведений о рыбах, о низших растениях: мхах, лишайниках, водорослях. Эти пробелы заполнены в следующем издании. Сейчас в нее занесены 94 вида млекопитающих, 9 видов рыб, 80 видов птиц, 37 видов рептилий, 9 видов амфибий, 553 вида растений, 29 видов лишайников. Следует перечислить некоторые виды животных, птиц, растений, находящихся под угрозой исчезновения. К ним относятся виды, численность и ареал которых резко сократились и продолжают сокращаться в результате истребления, разрушения мест обитания или по другим причинам. Эти виды не могут выжить без активного вмешательства человека. Для их спасения необходимо создавать специальные заповедники, заказники, питомники для искусственного разведения. К таким отнесены следующие виды: животные — амурский тигр, снежный барс, леопард (двух подвидов — среднеазиатского и восточносибирского), гепард, каракал, кулан, бухарский олень, горал и др.; птицы — белоспинный альбатрос, красноногий ибис, белый журавль, или стерх, японский журавль, горный гусь, пустынный сокол, или шахини, и др. К числу редких видов относятся такие, численность или ареал которых имеют постоянную тенденцию к сокращению; для их сохранения необходима разработка особых программ по восстановлению численности. Сюда же условно отнесены и виды, о которых нет точных сведений, т. е. малоизученные, требующие дополнительных исследований. К редким отнесены следующие виды: млекопитающие — красный волк, гигантский слепыш, перевязка, тяньшаньский бурый медведь, полосатая гиена, манул, медоед, безоаровый козел, путоранский снежный баран и др. птицы — розовый и кудрявый пеликаны, черный аист, фламинго, малый лебедь, белощекая казарка, гусь-сухонос, мандаринка, орлан-белохвост, беркут, кумай, степной орел, скопа, сапсан, балабан, дикуша, дрофа, стрепет, турач и др.; амфибии — семиреченский лягушкозуб, кавказская саламандра, карпатский тритон, сирийская чесночница, камышовая жаба и др.; рептилии — дальневосточная черепаха, средиземноморская черепаха, крымский геккон, руинная агама, хентаунская круглоголовка, серый варан, леопардовый полоз, кавказская гадюка и др.; растения — женьшень, эдельвейс альпийский, самши-ты колхидский и гирканский, крымский эдельвейс, хурма обыкновенная, ряд видов рододендронов, несколько видов дубов (имеретинский, понтийский и т. д.), железное дерево, ряд видов тюльпанов, лотос, пихта камчатская, сосна пицундская, кедр европейский, ряд видов ковылей, два вида тисов, водяной орех, или чилим. В Красной книге для каждого вида основные данные приводятся по строгой схеме: статус, распространение, места обитания, численность, запасы, разведение в неволе и культивирование, меры охраны и др. Списки в Красной книге непостоянны. Как только какой-то вид выходит из-под угрозы исчезновения, он исключается из списка. Значит, какие-то меры по сохранению видов человечество предпринимает 2. Особо охраняемые территории. Заповедники. Государственный заповедник — это территория, навечно изъятая из всякого хозяйственного использования в научных и культурнопросветительских целях. Самыми первыми в мире были «культурные заповедники» древней Вавилонии, Индии, Греции. У нас в стране чуть ли не у каждой сибирской народности существовали участки леса, где запрещалась охота, — их называли «святые места». В слове «заповедник» заложен древний корень «ведать» (знать), откуда происходит «заповедать» (объявить запрещенным); это слово древнее, оно встречалось еще в Русской Правде киевского князя Ярослава Мудрого в XI веке. Русскому народу было свойственно бережное отношение к природе. Много заповедных участков сохранилось с давних времен в Воронежской области, по Волге, Каме, Ворскле и т. д. Сначала это были охотничьи заповедники. Экологические заповедники начали создаваться позднее. К тому же они были частными владениями (например, Аскания-Нова, Самарская заповедная степь и т. д.). В 1916 году создается первый государственный заповедник — Баргузинский. В нашей Республике Алтай 3 государственных заповедника – Алтайский (Улаганский и Ю-В. Турачакского р-на), Катунский (Усть-Коксинский р-н) и зона покоя Укока (Кош-Агачский р-н). Особо охраняемые территории Республики Алтай и сопредельных территорий Алтае-Саянский горный экорегион занимает огромную территорию площадью 1065 тыс. кв. км в центре Евразийского континента. Он трансграничен и транснационален, так как пересекает границы 4 государств — России, Казахстана, Монголии, Китая. Именно отсюда берут начало две крупнейшие реки мира — Обь и Енисей. Заснеженный пик Белухи (4506м) — высочайшая точка в системе Катунского хребта Центрального Алтая и самая 95 96 высокая вершина Сибири. В 1998 г. пяти природным территориям Республики Алтай — Алтайскому и Катунскому заповедникам, плато Укок, озеру Телецкому и горе Белухе — ЮНЕСКО присвоен статус территорий Всемирного наследия. Алтае-Саянский экорегион — один из трех мировых бореальных центров растительного разнообразия. Самые крупные редкие млекопитающие — снежный барс (ирбис) и алтайский горный баран аргали — являются индикаторами «здоровья» Алтае-Саянской экосистемы. Ирбис, или снежный барс (Uncia uncia Schreb.) — единственная в мире крупная кошка, обитающая в труднодоступном высокогорье и, тем не менее, один из самых уязвимых редких видов АлтаеСаянской экосистемы. Сохранение ирбиса неразрывно связано с сохранением всего высокогорного комплекса региона. Алтайский горный баран, или аргали (Ovis ammon ammon L.) — один из самых красивых горных баранов с массивными рогами весом до 27 кг, способный развивать скорость до 60 км/час и на 15 км/час превосходить преследующих его волков. Основная часть популяции аргали обитает в горных районах Монголии. Алтае-Саянекая горная страна — удивительный мир географических ландшафтов, где происходит переход от пустынных до горно-тундровых. Здесь обитают разнообразнейшие представители флоры и фауны. Располагаясь в зоне пересечения огромных массивов северной тайги, Алтайских гор и пустынь Средней Азии, Алтае-Саянский экорегион является прекрасным примером так называемого «пограничного эффекта». Его экосистемы считаются наиболее богатыми по биоразнообразию среди всех территорий этой части планеты, а высокая биологическая ценность связана с географическим положением региона между степями Западной Сибири, пустынями Китая и Монголии и таежными массивами Центральной и Восточной Сибири. В экорегионе находятся крупнейшие в мире девственные кедровые леса. На российском Алтае и сегодня можно увидеть деревья, возраст которых около 700 лет. В Алтае-Саянском экорегионе зарегистрированы более 213 редких видов растений. По оценкам ученых, уровень эндемичности флоры составляет 12 процентов. Здесь обитают более чем 300 видов птиц, 11 видов рептилий и земноводных, 20 редких видов рыб. Алтайский государственный заповедник занимает одно из первых мест среди охраняемых природных территорий России по количеству обитающих там видов млекопитающих. Многие представители животного и растительного мира Алтае-Саянского экорегиона занесены в международную Красную Книгу. Алтае-Саянский экорегион — перекресток древнейших человеческих цивилизаций В течение тысячелетий здесь формировались и взаимодействовали культуры древних тюркских, угро-финских и иранских народов под влиянием древнекитайских государств. И в настоящее время регион разнообразен по этническому составу. Его население говорит на языках славянской, монгольской, тюркской и алтайской языковых групп. Археологические памятники от палео- лита до позднего средневековья (петроглифы, курганы скифского времени, херексуры, менгиры), жемчужина долины Ховда (Монголия) — древнетюркский комплекс Цагаан-Хошоот и «долина царей» в Хакасии, таинственная древняя Гиперборея, искусство обертонного пения (хоомей) в Тыве, легенды о Беловодье и Шамбале на Алтае, шаманизм, языческие обряды, кочевники, чьи традиционные формы хозяйствования не изменились или очень мало изменились с древнейших времен, — являются органичной частью культурного пространства Алтае-Саянского региона. Эти природно-исторические комплексы имеют чрезвычайно огромную научную, рекреационную, культурную и историческую ценность. Началу проекта предшествовал предварительный трансграничный диагностический анализ угроз биоразнообразию в экорегионе. В числе наиболее опасных выделены следующие угрозы: - Браконьерская охота и нелегальная торговля редкими исчезающими видами животных Резкое снижение плотности, фрагментация популяций таят в себе генетическую опасность их полного вымирания. Высокий спрос на этих животных на нелегальных рынках в качестве сырья, используемого в восточной медицине, также осложняет проблему их охраны. - Неконтролируемый выпас домашнего скота Эта проблема особенно актуальна для Монголии. Использование в качестве пастбищ мест обитания диких видов в некоторых районах привело к изменению видового состава растений на значительной части пастбищных угодий, а также поставил под угрозу выживание аргали, не способных выдержать пищевую конкуренцию с домашним скотом. - Неконтролируемый туризм При отсутствии полноценной инфраструктуры в сфере туризма оказывает значительное и негативное антропогенное воздействие на экосистемы региона. - Нерациональная практика эксплуатации природных ресурсов Увеличение объемов добычи минеральных ресурсов, леса, создание транспортной и энергетической инфраструктуры оказывают неоправданно высокое негативное воздействие на редкие и уникальные природные виды и биомы Алтае-Саянского экорегиона. Территории ряда заповедников (Алтайского, Хакасского, Тигирекского) регулярно подвергаются ракетно-космическим атакам, что является нарушением существующего природоохранного законодательства. Только в одном из старейших заповедников России — Алтайском, 3281 из 8812 кв. км, т.е. свыше 1/3 территории (37%) используется под свалку отходов ракетно-космической деятельности — металлического мусора и токсичных ядовитых остатков ракетного топлива. - Глобальное изменение климата Алтае-Саянский экорегион относится к 50 наиболее уязвимым экорегионам мира, в которых климатические изменения выявляются уже сегодня. Требуется глубокий анализ неблагоприятных прогнозов, определение пространст- 97 98 венно-временных рамок климатической угрозы и разработка «климатического плана действий». Что сделано для сохранения уникальности региона? • По инициативе WWF подписаны соглашения между Республиками Алтай, Тыва и Хакасия об охране природы в Алтае-Саянском экорегионе. • В Урумчи (Китайская Народная Республика) подписана Алтайская Конвенция — соглашение между Российской Федерацией, КНР, Монголией и Казахстаном. Соглашение содержит инновационную идею создания трансграничной охраняемой природной территории (ОПТ) и совместной стратегии сохранения редких видов. • Проведен анализ федерального и регионального законодательства в республиках Алтай, Тыва и Хакасия в сфере использования и охраны биологических ресурсов. На основе анализа разработаны рекомендации по основным направлениям развития регионального законодательства и ряд конкретных предложений по доработке существующих нормативных правовых актов и принятию новых. • Экспертами WWF разработан экологический каркас системы охраняемых территорий для Алтае-Саянского экорегиона. «Существование и функционирование систем охраняемых природных территорий имеет планетарное значение, и роль ОПТ постоянно возрастает по мере разрушения биосферы и развития экологических кризисов. Природоохранные территории самоценны и для специалистов нет надобности в аргументах, подтверждающих право на их существование… Они — одна из немногих попыток человека оправдаться перед разрушаемой природой» (Охраняемые природные территории: Материалы к созданию концепции системы ОПТ России, 1999). Опубликована книга «Система особо охраняемых природных территорий Алтае-Саянского экорегиона». • В рамках предложенного экологического каркаса составлены проекты 9 охраняемых территорий на площади более 1,8 млн га • Созданы 4 новые охраняемые территории на площади 849 тыс. га. • Оказана помощь большинству заповедников и национальных парков региона. В результате улучшена охрана территории, новое развитие получила эколого-просветительская работа с населением, выполнен ряд пилотных проектов по устойчивому развитию смежных территорий, включая экотуризм, развитие традиционных промыслов. В рамках программы WWF «Живая планета» губернаторы Республик Тыва, Хакасия и Алтай внесли свой «Дар Земле»: • Республика Тыва приняла обязательство увеличить к 2005 г. площади ООПТ с 8 до 20% территории республики. • В Республике Хакасия создан кластерный участок заповедника "Хакасский" — "Заимка Лыковых". • В Республике Алтай предполагается создание двух национальных парков — "Куюмского" и "Белуха" на площади 192 тыс. га. • Разработана геоинформационная система (ГИС) Алтае-Саянского региона в масштабе 1:1000000. ГИС содержит тематические слои: ландшафтная карта, существующие и планируемые ООПТ региона, ареалы обитания аргали и ирбиса, историко-археологические и природно-ландшафтные памятники. Она является эффективным инструментом при разработке стратегии охраны редких видов, совершенствовании сети ОПТ, а также при реализации модельных проектов устойчивого развития и рационального природопользования. В результате многочисленных экспедиций в самые труднодоступные горные участки региона, организованных WWF, было выявлено состояние популяции барса. Результатами полевых экспедиций и исследовательской научной работы стали национальные стратегии сохранения ирбиса и аргали в России. • Составлены списки редких видов животных и растений экорегиона. Природоохранные мероприятия, проводимые в Республике Алтай Составлен проект кластерного участка биосферного заповедника «Катунский» на площади 45 тыс. га, который обеспечит охрану таких редких исчезающих видов, как алтайский горный баран, снежный барс, дикий северный олень и сохранит уникальные экосистемы заболоченных лугов и болотистых участков в альпийской зоне. По инициативе Горно-Алтайского ботанического сада на принципах биосферного резервата организован природнохозяйственный парк «Чуй-Оозы» (805 га) в Онгудайском районе Республики Алтай. В хозяйственной зоне парка создан гостиничный комплекс. Деятельность парка позволяет создать условия для сохранения традиционных экологически устойчивых форм землепользования и вместе с тем обеспечивает круглогодичную занятость коренных жителей. Проект WWF поддержал Ассоциацию производителей недревесной продукции леса (НПЛ) — лекарственнотехнического сырья. В рамках этой работы был проведен отбор пяти пилотных видов продукции, собрана необходимая документация и представлены заявки в Федеральный центр по сертификации. Осуществляется планомерная работа с алтайскими товарами на оптовых и розничных рынках Москвы и европейской части России, на тематических выставках и культурных мероприятиях. В Горно-Алтайске при поддержке WWF, администрациями Алтайского и Катунского заповедников открыт информационно-экологический центр, филиал Информационного центра Ассоциации Енисейских заповедников и национальных парков. Основные направления работы центра — экологическое просвещение, сохранение этнокультурных традиций коренных народов Республики Алтай. В рамках проекта WWF совместно с проектом «Диалог со всем миром» Института этнологии и антропологии РАН провел гуманитарную акцию «По следам снежного барса». Цель экспедиции — привлечь внимание общественности к вопросу спасения снежного барса как «флагового» вида проекта WWF. Клубом «Хранители озера» при поддержке Всемирного фонда дикой природы проведена благотворительная экологическая акция «Чистые тропы Алтая», направленная на восстановление и сохранение природных ландшафтов Горного Алтая. Цель акции — привлечь внимание общественности и государственных структур к экологическим проблемам туристической деятельности, последствия которой губительно сказываются на уникальных природных ландшафтах. Мероприятие проводилось в рамках программы «Природа и дети» и вовлекло в социально значимые мероприятия по сохранению природы свыше ста детей с 99 100 девиантным поведением из Республики Алтай, Алтайского края и Новосибирской области, способствуя их комплексной реабилитации. На территории этноприродного парка «Шишкулар-Катаил — Чистый Луг» инициативная группа «Boreas» при участии Горно-Алтайского ботанического сада СО РАН и WWF провела инвентаризацию биоэкологических объектов, проложила экологическую тропу двух уровней сложности — экскурсионную и туристическую — общей протяженностью 8 км, а также очистила берег реки Семы и восстановила древнее тюркское святилище. В апреле 2000 г. в поселке Яйлю по инициативе Клуба «Хранители Озера» была организована инициативная группа местных жителей для создания музея быта и традиций коренных народностей, населяющих бассейн Телецкого озера. Проект создания центра культурного наследия был поддержан WWF. Центр решает задачи по организации новых рабочих мест в возрождённой сувенирной мастерской, культурному просвещению туристов, а также развитию инфраструктуры «зеленого» и «творческого» туризма. Фонд поддержал издание журнала «Солоны» («Радуга») и газеты «Эзлик» («Росток») — единственных национальных детских изданий в Республике Алтай. 2.2. Заказники, национальные парки и т.д. В нашей стране заповедники — это не место отдыха, а территория какойлибо климатической зоны или пояса, где сохраняется в естественном состоянии весь природный комплекс или его компоненты. В России доля площади страны, находящейся в заповедном режиме, составляет всего 1,2%. Заповедные территории и акватории служат опорными эталонами естественного состояния природных комплексов. В пределах этих относительно мало измененных человеком природных комплексов можно изучать естественный ход географических, геофизических, биологических и других процессов. Заповедники служат естественными эталонами, с которыми соизмеряют все антропогенные изменения ландшафтов. Одним из таких эталонов с природными территориальным комплексами, характерными для лесостепной зоны, является Центрально-Черноземный заповедник под Курском, где ведутся многолетние исследования природных процессов. Степень изменения почвенного покрова, деградация или обогащение флоры и фауны, микроклиматические и гидрологические нарушения и их следствия, рост и уменьшение биологического потенциала осваиваемых территорий и т. д. — все это можно оценить лишь при сопоставлении с аналогичными показателями заповедных комплексов. В настоящее время заповедники располагаются почти во всех природных зонах земного шара. Это открывает большие возможности для координированных наблюдений за развитием глобальных, региональных и местных природных явлений, за их антропогенными изменениями. По решению международных природоохранных организаций около 200 наиболее типичных для определения географических регионов мира охраняемых территорий объявлены биосферными заповедниками. Они отличаются хо- рошей сохранностью естественных природных условий, значительными размерами, а также удаленностью от крупных городов и промышленных центров. В России в 1995 году действовали 93 заповедника, 17 биосферных заповедников, 28 национальных парков и т. д. Биосферные заповедники размещаются с учетом ландшафтной дифференциации географической оболочки. В них по единой международной программе осуществляются наблюдения за состоянием природной среды. Эти наблюдения являются составной частью системы глобального мониторинга, в которой биосферные заповедники исполняют роль региональных станций. Некоторые заповедники бывшего СССР включены в единую международную сеть биосферных заповедников (Березинский в Белоруссии, ПриокскоТеррасный в Московской области, Центрально-Черноземный на СреднеРусской возвышенности, Кавказский в Краснодарском крае, Сары-Челекский в Киргизии и др.). Заповедники могут оказать определенную помощь в поддержании оптимальных биологических, гидрологических и атмосферных условий на территории интенсивного хозяйственного освоения, там, где происходят значительные изменения природных ландшафтов. На заповедных территориях и акваториях существуют оптимальные условия для жизни многих видов животных и растений. Поэтому они обычно используются для охраны и размножения редких видов. Только благодаря заповедникам удается сохранять таких животных, которые не могут приспосабливаться к ландшафтам, измененным человеком, — львов, носорогов, зубров, бизонов, бегемотов и многих других. Некоторые виды растений также сохранились только в заповедниках, например, тис, самшит и лотос на территории бывшего СССР, гигантская секвойя в США. Таким образом, заповедные территории служат важнейшей базой сохранения видового разнообразия животных и растений, используются для поддержания количества промысловых животных, являются хранилищем генетического фонда. Заповедники могут играть значительную роль в пропаганде естественноисторических знаний, идей охраны природы, выступать в качестве опорных центров такой работы. Чаще всего под заповедники выделяются местности, наиболее характерные для определенных географических зон, стран и областей, типов ландшафтов. Часто заповедный режим устанавливается для редких и уникальных природных комплексов, которые имеют научное, эстетическое, оздоровительное, рекреационное и воспитательное значение. В ряде случаев для заповедников используют территории, на которых имеются отдельные природные объекты (растения, животные, формы рельефа, минералы и т. д.), представляющие большую научную ценность. Большинство заповедников нашей страны имеют комплексное назначение. Заповедники специального назначения создаются главным образом для охраны отдельных объектов, наиболее интересных в научном отношении. Так, в фаунистических заповедниках охраняется один или несколько видов животных. Например, заповедник Барсакельмес создан прежде всего для охраны сайгака, 101 102 джейрана и кулана. Во флористических заповедниках охраняются редкие и исчезающие растения или отдельные растительные ассоциации. Например, Пицундский заповедник создан преимущественно для охраны пицундской рощи. Это единственный в мире хорошо сохранившийся на равнине комплексный массив реликтовой пицундской сосны. В геолого-геоморфологических заповедниках охраняются редкие геологические объекты и формы рельефа. Так, в заповеднике «Столбы» под Красноярском охраняются красивейшие гранито-сиенитовые скалы-столбы, возвышающиеся над тайгой стометровыми утесами. Ильменский заповедник (Челябинская область), основанный для сохранения уникального сочетания горных пород и минералов (свыше 200), сосредоточенных на небольшой площади, был преобразован в комплексный. Заказники. У заказников режим охраны менее строгий, чем у заповедников, их значительно больше. Многие из них служат для сохранения интересных ландшафтов. Есть ландшафтно-исторические, палеонтологические, геологические, орнитологические, ботанические, ботанико-зоологические, ихтиологические, энтомологические и др. Каждый заказник по-своему самобытен и не похож на остальные. На территории России тысячи заказников. Самые крупные — Североземельский и Земля Франца-Иосифа. Заказники имеются и в каждом административном районе. Это могут быть гнездовья каких-либо птиц или территории, связанные с историческими событиями; отдельные виды растений (дубравы, ельники) и т. д. Особую ценность представляют ботанические кедровые заказники. Один из самых крупных — заказник на правом берегу реки Печоры «Соплясские кедрачи». Многие памятники природы взяты под охрану государства: «Бузулукский бор», «Шипов лес», «Тульские засеки». Национальные парки. Национальный парк принципиально отличается от всех других охраняемых природных объектов. Первый в мире национальный парк создавался «для пользования и на радость народа на все времена». В пределах национального парка запрещается хозяйственная и иная деятельность, причиняющая вред окружающей природной среде, однако режим охраны таких заповедных территорий менее строгий, чем в заповедниках и заказниках. Национальные парки - это обширные территории, предназначенные для сохранения биоразнообразия гармонизированного ландшафта, а также для общения человека с природой, просвещения, отдыха и специальных научных исследований. В 1983 году в нашей стране был образован первый национальный парк Сочинский. В 2002 году в России насчитывалось 35 национальных парков. Самый крупный из них — девственные леса Коми («Югыд Ва»). Заповедные территории вокруг Байкала объединены в три национальных парка. Много национальных парков в США и Канаде, в Швеции, Новой Зеландии и Африке. В Финляндии их более 20, в Венгрии — 3, на Аляске — 12 национальных парков. Во Франции национальный парк «Севенны» — это живо- писные Альпы; в Норвегии парк «Рондане» связан с именами Ибсена, Грига, легендами о Пере Гюнте. Количество различных заповедников и охраняемых территорий увеличивается. Так, в 1996 году обсуждался вопрос об объявлении пяти территорий России особо охраняемыми (заповедниками). Совершенно недопустимо вблизи заповедников строительство предприятий, загрязняющих окружающую среду. В наши дни природа испытывает на себе все возрастающее влияние человека, все больше отступает под натиском цивилизации. Исчезают или становятся очень редкими некоторые виды растений и животных. Для учета состояния природы, ее отдельных видов заведена Красная книга, куда заносятся виды, находящиеся под угрозой исчезновения. Кроме этого, создаются заповедные территории, позволяющие сохранить большое число видов, возродить некоторые исчезающие виды, сохранить эталоны соответствующих природных комплексов. 103 104 Контрольные вопросы: 1. Обоснуйте необходимость создания Красной книги, приведите примеры. 2. Проанализируйте, почему человек должен поддерживать и сохранять биологическое разнообразие, почему опасно исчезновение отдельных видов животных и растений. Приведите примеры. 3. Дайте определение основных видов охраняемых территорий. 4. Перечислите некоторые виды растений и животных, которые внесены в Красную книгу России. 5. Охарактеризуйте отличия заповедников от заказников; заповедников — от национальных парков. 6. Охарактеризуйте причины исчезновения отдельных видов растений и животных Лекция 13. Ресурсы мирового океана и их использование  Мировой океан.  Океан - кормилец человека и источник полезных ископаемых.  Океан как источник энергии 1. Судя по фотографиям, сделанным из космоса, нашей планете подошло бы название Океан, так как 70,8% всей поверхности Земли покрыто водой. В настоящее время принято разделять Мировой океан на четыре отдельных океана: Индийский, Атлантический, Тихий и Северный Ледовитый — и 75 морей. Русский географ и океанограф Юрий Михайлович Шокальский назвал всю непрерывную оболочку Земли Мировым океаном. Когда все материки поднялись из воды, т. е. когда все континенты в основном сложились и имели очертания, близкие к современным, Мировой океан овладел почти всей поверхностью Земли. Это был Вселенский потоп. Затем океан отступил. Сейчас всю совокупность океанов и морей нашей планеты объединяют понятием «Мировой океан». Мировой океан на протяжении развития человеческой цивилизации играл очень большую роль в общении между странами и народами. Его роль особенно возросла в эпоху научно-технической революции, когда в рамках мирового хозяйства сложилась особая, четко очерченная составная часть — морское хозяйство. Оно включает морскую энергетику, рыболовство и марикультуру, международную и внутреннюю торговлю, морской туризм и рекреацию. В морском хозяйстве занято, по меньшей мере, 100 млн. человек. С развитием морского хозяйства возникла проблема Мирового океана, связанная с использованием энергетических, биологических ресурсов, а также с загрязнением морской среды. 2. Океан — кормилец человека. Океан всегда кормил людей. С незапамятных времен человек ловил рыбу и ракообразных, собирал водоросли и моллюсков. Кормовые ресурсы Мирового океана в два раза больше, чем суши, и исчисляются колоссальной величиной — 40 млрд. т в год. И это неудивительно, ибо 80% солнечной энергии, ежегодно усваиваемой растениями нашей планеты, приходится на обитателей океана. Максимальные урожаи зерна на суше составляют примерно 20 т с 1 га, а в прибрежных районах морей и океанов производство биологических ресурсов достигает 100—150 т в год с 1 га. При этом стоимость получаемых морепродуктов в несколько раз меньше, чем стоимость продукции сельского хозяйства на суше. Уже сейчас человечество ежегодно добывает из моря более 50 млн. т рыбы, ракообразных и моллюсков, китов и других морских животных, а также водорослей. В скором времени человек увеличит эксплуатацию растительных богатств Мирового океана. Различные водоросли, от гигантской грушевой, весящей более 100 кг, до микроскопических, типа хлореллы, могут стать основой кормового рациона домашних животных, послужат сырьем для производства удобрений и других продуктов химической, косметической и фармацевтической промышленности. Уже есть богатый успешный опыт искусственного разведения морских животных и растений. Более 200 лет разводят устриц у берегов Китая. В Японии, Англии, США и Франции есть морские фермы по разведению устриц и других съедобных моллюсков. Плантации морской капусты расположены по берегам тропических морей. Проводятся опыты по улучшению воспроизводства рыб с помощью искусственной подкормки. Существуют плантации по выращиванию искусственного жемчуга. Полезные ископаемые. Океаны обладают огромными запасами полезных ископаемых. Морская вода содержит почти все химические элементы, но многие из них в столь низких концентрациях, что стоимость их извлечения гораздо выше стоимости добычи тех же элементов на суше. В промышленных масштабах из морской воды извлекают лишь немногие вещества, а именно: обычную поваренную соль, магний, бром. Соль получают из моря с глубокой древности. В настоящее время около 33% мировой добычи соли приходится на долю морской воды. Магний — незаменимая составляющая легких сплавов, применяется в самолето- и ракетостроении. В 1939 году англичанами был разработан технологический процесс отделения магния в форме гидроксида после смешивания извести с морской водой. В настоящее время магний, получаемый из морской воды, составляет более 60% его ежегодной мировой добычи. Бром - элемент, необходимый для фармацевтической промышленности и производства высокооктанового бензина, тоже в значительной степени добывают из воды. Техника наших дней позволяет выделить из морской воды любые из растворенных в ней элементов периодической таблицы Менделеева. Однако из-за низкой концентрации многих из них это экономически нецелесообразно, поэтому, кроме названных веществ, добывают только калий, серу, натрий, бор и литий. Гораздо перспективнее в этом плане использование морских организмов, способных накапливать в своих телах рассеянные в воде элементы, увеличивая их концентрацию в несколько раз или даже на несколько порядков. Так, голотурии и асцидии накапливают ванадий, процесс извлечения которого из морских обитателей уже разработан в Японии. Концентрация ванадия в зеленой крови асцидий в миллиарды раз превышает его содержание в морской воде. Крупные морские раки - омары и лангусты - накапливают кобальт. В клетках устриц собирается медь, а в организмах некоторых видов планктона золото. Так что в будущем не исключена возможность возникновения заводовферм по извлечению из морских существ химических элементов. Кроме ресурсов, заключенных в самой воде, существенное количество минералов дает эксплуатация океанического дна; большую часть их добывают вблизи береговой линии или в мелководных зонах континентального шельфа. Среди шельфов часть принадлежит к числу чисто морских (например, Североморский бассейн), но большинство представляет собой продолжение бассейнов суши (например, бассейны Персидского, Мексиканского заливов). Общие запасы нефти на шельфе оценивают в 120-150 млрд. т. Шельф России занимает площадь 1,2 млн. км2. Запасы нефти на нем в конце 80-х годов XX века оценивались в 500 млн. т, природного газа - 4,5 трлн. м3 . Но, по-видимому, с тех пор они заметно возросли благодаря новым открытиям в Баренцевом море и у берегов Сахалина. Довольно широко разрабатываются прибрежно-морские россыпи твердых полезных ископаемых шельфовой зоны. Например, добыча оловянной руды в шельфовой зоне Индонезии, Таиланда и Малайзии, рутения и циркония у побережья Австралии, циркония и золота у побережья США, янтаря не берегах Балтийского моря. 105 106 В более глубоких слоях шельфа обнаружены отложения фосфоритов. Из числа глубоководных руд наибольшую ценность представляют железомарганцевые конкреции. В качестве своеобразных ресурсов дна Мирового океана можно рассматривать и сокровища затонувших судов: их количество на дне не менее 1 млн. Больше всего подводных кладов лежит на дне Атлантического океана. В сейфах знаменитого «Титаника» были похоронены ценности на миллиарды долларов. В годы Второй мировой войны в Баренцевом море затонул крейсер «Эдинбург» с 465 золотыми слитками. Спустя сорок лет водолазы извлекли все золотые слитки и подняли их наверх. Песок, гранит и известняк, используемые в строительстве, получают с берегов или из прибрежных вод. Вокруг Японии отсасывают по трубам подводные железосодержащие пески. Япония около 20% угля получает из подводных шахт. Над залежами угля сооружают искусственный остров и бурят ствол, вскрывающий угольные пласты. Начиная с 1962 года ведутся разработки алмазного гравия вблизи берегов Намибии. Со дна Мексиканского залива с помощью перегретой воды вытапливается сера. Серное месторождение было открыто там при поисках нефти. Нефть и газ являются самыми важными видами минерального сырья, добываемого на морском дне. Несмотря на трудности, уже сейчас около 20% мировой добычи нефти приходится на морские разработки. По мере истощения нефтяных месторождений на суше эта доля будет возрастать. Нефть служит также сырьем для нефтехимической промышленности, производящей пластмассы, синтетические волокна, лекарства, пестициды, детергенты. В настоящее время подводные разработки нефти эффективно ведутся на значительных глубинах. 3. Океан как источник энергии. Современный уровень цивилизации и технологий был бы невозможен без дешевой и обильной энергии, которую предоставляют нам нефть и газ, добытые со дна морей и океанов. В то же время на Каспийском море, на побережье Арабских Эмиратов и во многих других местах практически уничтожен природный ландшафт, изуродована береговая линия, загрязнена атмосфера и истреблены флора и фауна. Решить проблему энергетического кризиса на морских и океанических побережьях помогут электростанции, работающие на энергии приливов и отливов. Также с помощью прибоев работают мельницы. Общеизвестно, что приливы и отливы происходят два раза в сутки. Энергия одного приливно-отливного цикла достигает примерно 8 трлн. кВт/ч, а это лишь немногим меньше общей мировой выработки электроэнергии в течение года. Следовательно, энергия морских приливов — неисчерпаемый источник энергии. Отличительная черта приливной энергии — ее постоянство. Океан, в отличие от рек, «работает по графику» с точностью до нескольких минут. В мире наиболее развиты работы по приливным электростанциям (ПЭС). В 1966 году во Франции построена ПЭС «Раис», вырабатывающая 500 млн. кВт/ч электроэнергии в год; в 1968 году в России — Кислогубская ПЭС на Кольском полуострове; в 1984 году — ПЭС в Канаде мощностью 20 МВт. Однако технически строительство приливных электростанций часто бывает трудновыполнимо. Океаны содержат огромный потенциал в виде тепловой энергии — можно использовать разность температур воды на разных глубинах. Например, в Гольфстриме он достигает 20°С. В основе принципа лежит применение жидкостей, кипящих и конденсирующихся при небольших разностях температур. Необходимо упомянуть еще об одном ресурсе Мирового океана — ледниках, где сосредоточены основные запасы пресной воды; ледники Северного Ледовитого океана могут напоить пустыни. Практикуется транспортировка айсбергов к засушливым берегам Африки и Азии. Загрязнение Мирового океана. До поры до времени человек относился к океанам с благоговением и страхом, а потом начал сбрасывать в воду всевозможные отходы — твердые, жидкие, газообразные. Нефть и нефтепродукты являются главными загрязнителями водного бассейна. 20% Мирового океана уже покрыто нефтяной пленкой. Все большее количество нефти стало попадать в океан при авариях танкеров. Происходит загрязнение Мирового океана и другими видами отходов промышленности. Подсчитано, что на 1 км2 океана приходится в среднем 17 т отбросов. Известный путешественник Тур Хейердал рассказывал: когда он и его друзья плыли на плоту «Кон-Тики» в 1954 году, они не уставали любоваться чистотой океана. А во время плавания на папирусном судне «Ра-2» в 1969 году он и его спутники, «проснувшись утром, увидели океан настолько загрязненным, что некуда было окунуть зубную щетку. Из голубого Атлантический океан стал серо-зеленым и мутным, и повсюду плавали комки мазута величиной от булавочной головки до ломтя хлеба. В этой каше болтались пластиковые бутылки, будто мы попали в грязную гавань. Ничего подобного я не видел, когда сто одни сутки сидел в океане на бревнах «Кон-Тики». Мы воочию убедились, что люди отравляют важнейший источник жизни, могучий фильтр земного шара — Мировой океан». Серьезную экологическую угрозу для жизни в Мировом океане и, следовательно, для человека представляет захоронение на морском дне радиоактивных отходов и сброс в море жидких радиоактивных отходов. Это своеобразная бомба замедленного действия для будущих поколений. Все живое на планете Земля тесно связано с водой. Вода — второе по значимости вещество на Земле после кислорода. Без воды человек может прожить всего три дня. Науке неизвестно ни одно живое существо, которое могло бы обходиться без воды. Близок тот час, когда растущее человечество воскликнет: «Море спасет нас! Море обеспечит нам обилие продуктов питания. Море даст нашей промышленности любое необходимое минеральное сырье. Море снабдит нас неисчерпаемыми источниками энергии. Море станет местом нашего обитания!» 107 108 1. Значение лесов. Всего тысячу лет назад территория нашей страны почти полностью была покрыта лесами. Лес тогда был колыбелью для людей, их домом, кормильцем. Леса, в том числе посаженные людьми, покрывают около трети поверхности суши. Площадь их немногим более 40 млн. км2. Это широкий пояс тайги в Северном полушарии, смешанные и лиственные леса умеренного пояса, вечнозеленые субтропические и тропические леса. На планете 30% хвойных и 70% лиственных лесов. Лес сегодня продолжает оставаться основным источником древесного сырья. Ежегодно в лесах заготавливается примерно 121 млрд. м3 деловой древесины, для чего вырубаются лесные насаждения на площади 2,5 млн. га. Но это только одна сторона дела. Практика показала, что чем выше уровень индустриализации и культуры общества, тем выше роль и значение леса не только как источника древесного сырья, но и как хранителя экологического благополучия жизни людей, способного благоприятно воздействовать на климат, ландшафт, всю совокупность природных условий, необходимых для здорового развития человеческого организма. Лес играет огромную роль в сохранении водных и земельных ресурсов, улучшении окружающей среды. Значение леса как природного экологического потенциала особенно велико в связи с его способностью возрождаться. Лес восстанавливает и стабилизирует экологическое равновесие в природе, может быть использован для охраны и улучшения окружающей среды. Но его возможности небеспредельны — в условиях урбанизации, промышленного загрязнения лес утрачивает или ослабляет свои защитные функции. На долю лесов приходится всего 8% поверхности земли. Все компоненты лесов связаны между собой и с окружающей средой. Обладая невероятной массой органического вещества, колоссальной энергией, огромной внутренней поверхностью и интенсивностью биологического круговорота, лес значительно сильнее других типов растительности влияет на энерго- и массообмен в биосфере, на ее функционирование, формирование природной обстановки, трансформацию климатических, геохимических и других факторов. Три десятилетия назад от промышленных выбросов в атмосферу страдала в основном растительность городов и ближайших пригородов. В настоящее время в результате строительства высоких дымовых труб, которые уменьшают концентрацию вредных веществ в городе, вредные вещества разносятся на значительные расстояния. Вследствие этого гибнут леса, ранее не испытывавшие последствий загрязнения воздуха. В США проводились исследования с целью выявления причин отмирания массивов еловых лесов в северной части штата Вермонт, которое стало особенно интенсивным с 1950—1960 годов. Результаты полевых наблюдений и лабораторных исследований показали, что наиболее вероятная причина гибели деревьев — увеличение кислотности осадков. Зеленый покров планеты непрерывно сокращается. Неудержимая погоня за прибылью — основная причина того, что в странах капитала лесов вырубается больше, чем воспроизводится. Это приводит к тому, что все меньше остается преград на пути разрушительных лавин, наводнений, пыльных бурь. Вырубка лесов ведет к эрозии почв, ухудшению климата и другим неблагоприятным последствиям. В настоящее время на каждого жителя планеты приходится менее 1 га леса, до Второй мировой войны приходилось более 1 га. Все, конечно, знают, насколько чище воздух в лесу, как там легко и свободно дышится. А какую огромную роль «зеленых фильтров» играют деревья в густонаселенных промышленных районах, улавливая пыль и очищая воздух от вредных примесей! Велико и климатообразующее значение леса как регулятора водного режима. Лес часто сравнивают с насосом, выкачивающим благодаря транспирации очень много воды из почвы и подстилающих ее грунтов. Кроме того, лес защищает почву от действия эрозии: уменьшает смыв почвенных частиц с ее поверхности и препятствует размыву, регулирует и задерживает снеготаяние. Особенно большую водорегулирующую роль играет лес в горах, предохраняя почву от смыва, задерживая и ослабляя селевые потоки. Там, где в горах вырублены леса, резко увеличиваются количество и разрушительная сила наводнений, приносящих огромные бедствия. Сокращение площади лесов и их изменение под влиянием хозяйственной деятельности — очень характерное явление для всего земного шара. За историческое время человечество вырубило, сожгло, распахало, застроило и просто уничтожило более двух третей лесного покрова, который был на планете, когда на ней появился человек. Сейчас лесами занято меньше 28% суши. Помимо рубок, большой урон лесам во всем мире наносили и наносят пожары. Считается, что примерно 90% лесных пожаров возникает из-за безответственного отношения людей к охране леса. Очень важно, чтобы жизнь леса никогда не прекращалась, так как его уничтожение ведет к разрушению всей экосистемы, разрушению почвы, унич- 109 110 Контрольные вопросы: 1. Сформулируйте понятие Мировой океан, предложенное Ю.М. Шокальским. 2. Перечислите полезные ископаемые, которые человек добывает из океана. 3. Обоснуйте, почему человек называет океан кормильцем. 4. Назовите основные факторы загрязнения вод Мирового океана. 5. Охарактеризуйте океан как источник энергии. 6. Проанализируйте роль Мирового океана в мировом хозяйстве Лекция 14. Рациональное использование и охрана лесов  Значение лесов.  Принципы рационального использования лесов.  Роль заповедников в охране лесов тожению и изменению фауны, водного режима и уровня грунтовых вод, появлению пустошей, а затем и антропогенных пустынь. Для того чтобы этого избежать, в некоторых странах, в том числе и в России, разработаны разные системы рубок. Наиболее важными и совершенными являются системы постепенных и выборочных рубок, учитывающих разновозрастность древостоев и скорость их роста в зависимости от условий существования в различных физикогеографических регионах. Одной из важнейших современных проблем является сокращение лесопокрытых площадей, особенно в южных районах, лесов водоохранных, полезащитных, пригородных и т.д., а также токсическое воздействие на лесные биогеоценозы различных промышленных загрязнений и выбросов, сточных вод и др. Лес — один из основных типов растительного покрова Земли, источник древесины, источник получения разнообразных полезных растительных продуктов, среда обитания животных. По данным ФАО (продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН), потребность в лесоматериалах к 2000 году превысила 5 млрд. м3. Лесу принадлежит огромная роль в поддержании гидрологического режима рек, предупреждении эрозии почвы, борьбе с засухами, регулировании кислородного баланса в атмосфере и, следовательно, в создании условий жизни на Земле. Деревья, образно говоря, являются той зеленой фабрикой, которая восстанавливает живительную силу отработанного воздуха. Производительность этой фабрики зависит от продуктивности древостоев. Чем лучше растут леса, тем больше они выделяют кислорода и тем быстрее поглощают углекислый газ. Лес, особенно хвойный, выделяет фитонциды (летучие вещества, обладающие бактерицидными свойствами), которые убивают болезнетворные микробы, оздоровляют воздух. В определенных дозах фитонциды благотворно влияют на нервную систему человека, способствуют улучшению обмена веществ и стимулируют сердечную деятельность. Важна роль лесных насаждений в создании благоприятного микроклимата. Леса умеряют как сильные морозы, ветер, так и летнюю жару, поэтому очень важно сохранять их, а также зеленые насаждения населенных мест. Зелень существенно снижает солнечную радиацию. Среди зелени людям легче дышится, здесь не досаждают зной и пыль, не утомляют резкие шумы. В тени растений смягчаются световые контрасты. Экологическое значение леса огромно. Будучи важной составной частью природного комплекса, он выполняет стабилизирующие функции в регулировании естественных процессов, происходящих в биосфере планеты. Лесозащитные полосы оказывают большое влияние на регулирование стока, гидрологический режим местности, улучшение микроклимата, надежно защищают прилегающие поля от вредного действия суховеев, засух и пыльных бурь. На протяжении всего послевоенного времени наблюдается сведение лесов. Наибольшее беспокойство вызыает разрушение тропических лесов: в них сосредоточено 60% существующих и 70—90% исчезающих видов растений. Самая большая беда наших лесов — заготовка древесины в огромных масштабах. Вследствие интенсивных рубок практически уничтожены хвойные леса Центральной России, исчерпаны резервы промышленных заготовок в западных районах, неуклонно сокращаются лесосырьевые ресурсы и сводятся леса в Сибири и на Дальнем Востоке. Уничтожение лесов вызывает кардинальные изменения климатических условий, водного режима, состояния почв. По действующему законодательству пользование лесами для разнообразных нужд народного хозяйства и населения осуществляется, как правило, на основании специальных разрешений государственных органов лесного хозяйства и других органов предприятий, организаций и учреждений, ведущих это хозяйство. 2. Пользование лесными богатствами должно быть рациональным — продуманным и планомерным. Это значит, что в них должно поддерживаться экологическое равновесие, т. е. условия для естественного возобновления популяций деревьев, лекарственных трав, грибов и промысловых животных. Один из принципов рационального использования лесов — соблюдение расчетной лесосеки, непревышение плана заготовок древесины в пределах годичного прироста. Это особенно касается ценных пород деревьев — ели, сосны, пихты. Превышение плана рубки приводит к тому, что происходит смена пород и утрата лесов с ценной древесиной. При рубках обязательно нужно оставлять крупные деревья, чтобы из их семян мог восстановиться лес нужной породы. Созданы специальные службы, сохраняющие леса от пожаров, которые ежегодно уничтожают десятки тысяч гектаров леса. При выпасе скота в лесах погибают молодые деревца, ухудшаются условия для роста взрослых деревьев. Для того чтобы исправить ситуацию, прекращают выпас скота. Леса могут погибать при строительстве водохранилищ или крупных дорог, нарушающих подземный сток фунтовых вод. Для уменьшения подтопления на таких участках высаживают деревья, которые меньше страдают от избытка влаги (тополь, ольха, ива). Для сохранения способности популяций лесных растений и животных к восстановлению органы исполнительной власти контролируют использование лесных богатств, выдают специальные разрешения (лицензии) на отстрел животных и заготовку определенного количества растительного сырья. Большой вред лесным экосистемам наносит захламление лесов древесными остатками при заготовке древесины и бытовым мусором. Поэтому необходимо своевременно проводить очистку замусоренных лесов. Очень важно экономно и эффективно использовать заготовленную древесину. В России при заготовке деревьев используют от 50 до 70% их биомассы. Остальное гниет на вырубках или сжигается. В Японии используют 99%, включая пни и кору, из которой готовят субстрат для выращивания грибов. После того как грибы используют нужные питательные элементы, порошок коры 111 112 можно применять как органическое удобрение. Та часть древесины, которую нельзя использовать для изготовления пиломатериалов (сучки, стружки), становится сырьем для производства спирта и различных прессованных изделий (древесно-волокнистых плит и т.д.). 3. Особую роль в сохранении и восстановлении лесов играют заповедники, а также микрозаповедники, заказники, т. е. все территории, где запрещена вырубка леса. На территории России много заповедников, среди них такие старейшие, как Приокско-Террасный, Окский, Воронежский, Центрально-Черноземный, Мордовский, Астраханский. У этих заповедников уже есть своя история, богатый опыт научных исследований, организации и ведения заповедного дела. Лес оказывает воздействие на состав атмосферы, водный и тепловой режим почвы, регулирует численность животного мира. Лесной покров взаимосвязан с климатом, обеспечивает круговорот веществ и энергии в биосфере. Дары лесов широко используются во всех отраслях народного хозяйства. Рациональное использование позволит сохранить и восстановить богатства лесов. Контрольные вопросы: 1. Охарактеризуйте значение лесов для биосферы Земли. 2. Сформулируйте принципы рационального использования, охраны и восстановления лесных богатств России. 3. Обоснуйте климатообразующее значение лесов. 4. Поясните роль заповедников в охране лесов. 5. Охарактеризуйте значение лесов в природе и в жизни людей. 6. Прокомментируйте, в чем состоит рекреационное значение лесов. Лекция 15. Экологический мониторинг  Экологический мониторинг.  Виды мониторинга.  Мониторинг растительных сообществ и животных 1. Слово «мониторинг» происходит от латинского monitor - предостерегающий. Экологический мониторинг - система регулярных длительных наблюдений в пространстве и во времени, дающая информацию о состоянии окружающей среды с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза параметров окружающей среды, имеющих значение для человека. Основными функциями экологического мониторинга являются: контроль качества атмосферного воздуха, воды, почвы и других компонентов ландшафта; определение основных источников загрязнения, прогнозирование состояния качества основных компонентов ландшафта и т.п. 113 2. По объектам наблюдения экологический мониторинг можно разделить на мониторинг окружающей человека среды (атмосферного воздуха, воды, почвы) и биологический (флоры и фауны). Здесь же следует отметить некоторую условность такого деления мониторинга, поскольку компоненты экосистем и ландшафтов тесно взаимосвязаны между собой и состояние одного компонента часто бывает обусловлено состоянием другого (например, состояние леса — его продуктивность, наличие вредителей или болезней, как правило, обусловлено состоянием атмосферы или загрязнением, в том числе закислением, почв). По методам ведения выделяют биологический (с помощью биоиндикаторов), дистанционный (авиационный, космический) и другие виды мониторинга. По целям — научно-исследовательский, диагностический, фоновый, контрольный, прогнозный, проектировочный и т.п. Различают также мониторинг изменения состояния окружающей среды и мониторинг воздействия на окружающую среду. Отдельно рассматривается мониторинг, или скрининг, состояния здоровья населения. Наблюдения можно вести в любом месте, если имеется возможность частого посещения этого участка в течение нескольких лет. Таким местом может стать маршрут от дома до учебного заведения, или площадка вблизи школьного двора, или другая регулярно доступная для учащихся территория, принадлежащая данному учебному заведению. Необходимо, чтобы выбранный участок был типичным для данной местности. Поскольку трудно выбрать участок, где присутствовали бы все желаемые объекты наблюдений, приходится пользоваться несколькими небольшими участками (субтерриториями), расположенными в разных частях одного более крупного участка (территории). Например, выбрать участки, расположенные в лесу, в поле, вблизи водоема (пруда, ручья), вблизи дорог и строений. Древесные, кустарниковые и травянистые растения должны быть представлены не одиночными экземплярами, а достаточно большими группами. Выбранную территорию желательно описать по следующему плану: – общий характер местности, окружающей участок наблюдений (равнина, возвышенность, низина, холмы, леса, горы, открытое пространство, культурный ландшафт); – находится ли он в пределах населенного пункта, вблизи водоема или в отдалении; – что включает участок наблюдений (парк, сквер, озелененную улицу, участок леса, болото, поле, сад, пустырь и т. д.); – как представлены на субтерриториях древесные породы, за которыми ведутся наблюдения (группы деревьев или деревья в составе леса, в затененных или освещенных местах, старые, среднего возраста или молодые); – перечень возможных объектов воздействия на описываемую территорию (автодорога, котельная, выбросы каких-либо других промышленных объектов, рекреационная нагрузка и т. п.). 114 Биологический мониторинг При проведении биологического мониторинга организовать наблюдения нужно таким образом, чтобы соблюдались следующие условия: – правильный выбор участка наблюдений; – правильный выбор объектов наблюдений; – соблюдение регулярности наблюдений; – регистрация наблюдений, которая в зависимости от метода может носить описательный характер (в форме дневниковых записей) или в виде анкет, таблиц (количественный метод); полезно прилагать цветные фотографии; – ограничение числа наблюдаемых видов (не более 10—20 видов животных и растений; рекомендуется вести наблюдения лишь над хорошо знакомыми растениями, птицами, насекомыми, грибами). Фенологические наблюдения проводят 3—5 раз в году, не реже 1 раза в 2—3 дня, в течение 2 недель. 3. Мониторинг растительных сообществ При общей характеристике видовой структуры выбранного биотического сообщества оцениваются и фиксируются следующие показатели: обилие — число особей на единицу площади или объема; частота — отношение числа особей одного вида (n) к общей численности особей (N), выраженное в процентах - 100 n/N; постоянство — отношение числа выборок, содержащих данный вид (р), к общему числу выборок (Р) в процентах — 100 р/Р (постоянные виды — более 50% выборок, добавочные — 25—50%, случайные — меньше 25%); доминирование — преобладание в составе сообщества того или иного биологического вида (доминанта); в лесу оценивается по площади поперечного сечения ствола, а на лугу — по площади поверхности земли, занятой растениями данного вида. Особи внутри одного и того же вида неидентичны. При изменении условий, появлении неблагоприятных факторов какая-то одна форма оказывается лучше приспособленной и продолжает нормально развиваться и размножаться, тогда как другие чахнут и даже гибнут. Наиболее уязвимыми элементами флоры обычно бывают эндемичные, реликтовые, а также полезные (декоративные, лекарственные, пищевые) растения. Поэтому важно организовать наблюдения именно за этими видами. Ботанический мониторинг включает дистанционную индикацию и наземно-визуальные наблюдения, составление геоботанических карт и взятие индикационных проб. Реакция лесных экосистем на неблагоприятные условия внешней среды проявляется в нарушениях структуры и функций всей системы и ее отдельных компонентов. Эти нарушения можно заметить по ряду признаков, которые видны при внимательном взгляде на природный объект. Самыми общими признаками нарушения состояния лесной экосистемы являются: 115 – появление сухостоя и ослабленных деревьев среди пород-доминантов (ель в ельнике, дуб в дубраве, береза в березняке); – уменьшение (заметное) размеров хвои и листвы этого года по сравне- нию с прошлыми годами; – преждевременное (задолго до осени) пожелтение и опадание листвы; – замедление прироста деревьев по высоте и диаметру; – появление хлорозов и некрозов хвои и листвы, сокращение срока жиз- ни хвои; – заметное увеличение поврежденных деревьев болезнями и вредителя- ми (грибами, насекомыми); – выпадение из лесного сообщества трубчатых грибов и снижение видо- вого состава и численности пластинчатых грибов. – уменьшение видового состава и встречаемости основных видов эпи- фитных лишайников (живущих на стволах деревьев) и уменьшение степени покрытия площади стволов деревьев лишайниками. Эти признаки можно зафиксировать без применения специальных приборов и научного оборудования. Но для того чтобы заметить их и оценить степень опасности, необходимо иметь точку отсчета — нормальное состояние экосистемы или дерева (в памяти или в заведомо ненарушенном участке леса). Для учета фитомассы и видового состава травянистых растений существует метод учетных площадок. На специальных площадках (не менее трех, площадью 1 м2 каждая) производят укосы, т. е. срезают всю наземную часть травостоя ножницами, взвешивают, значение записывают, определяют среднее. Скашивание производят в период сенокосов (во время наибольшего количества травы — в период максимального травостоя). Скошенные и высушенные растения затем разбирают по группам (злаки, бобовые, осоки, маревые, сложноцветные и др.). В собранном гербарии отмечают преобладающие виды, а также отмечают присутствие неизвестных растений. Об изменении условий обитания в водоемах судят по изменению видового состава фитопланктона (водорослей). В ответ на неблагоприятные воздействия содержание хлорофилла у водорослей снижается. Об этом можно судить по изменению цветности и мутности водоема (точные показатели измеряются на спектрофотометрических приборах). Индикаторами загрязнения служат диатомовые водоросли, а также эвгленовые (астазиевые, паранема, хризококкус). При этом меняется как структура скелета диатомовых водорослей, так и общий видовой состав всех водорослей водоема. Некоторые из макроводорослей (Cladophora) способны адсорбировать вредные вещества в больших количествах. В результате меняется их окраска (буреют) и появляется резкий запах, часто присущий адсорбированному веществу. Поглощенные водорослями загрязняющие вещества и токсины являются источником интоксикации рыб. Насыщенность водоемов водорослями определяется по биомассе. Нужно помнить, что продуктивность в разных слоях водоема будет разной. Общую 116 численность фитопланктона подсчитывают в величинах и количествах клеток на 1 литр (кл/л) или по сухому весу в мг/л. Методика отбора проб: объем воды из водоема 0,7—1 л фиксируется раствором Утермеля или Люголя (J2 + KJ + 50-процентный спирт этиловый). Пробы концентрируются дважды отстойным методом до 10 мл. Крупные водоросли просчитываются на предметном стекле под микроскопом при увеличении объектива х40 в объеме воды 0,1 мл, мелкие — 4—8 раз в объеме 0,001 мл. При фенологических наблюдениях, которые проводят регулярно в различные сезоны года, замеченные изменения в природе записывают в таблицу и регистрируют сроки этих изменений. Желательно давать количественную оценку урожая (большой, малый, средний). При наблюдениях за растениями, кроме дневниковых записей, желательно делать зарисовки, фотографии, картосхемы. Мониторинг животных Для изучения животных лучше выбирать не площадки, а маршруты внутри выбранного участка и фиксировать всех встречающихся животных, насекомых и птиц. Характеристика дается на основе визуальных наблюдений учащихся. Лучше, чтобы это была группа из нескольких человек. Основное оборудование: бинокль, карманная лупа, водяной сачок с крупными ячейками (для рыб и насекомых) и подвесная сетка для сбора планктона. Для учета грызунов по линии маршрута расставляют плашки-давилки. Слежение за представителями животного мира (мониторинг животных) фиксирует изменения: – численности популяций; – соотношения видового состава; – частоты появления форм с отклонениями (нетипичных форм); – продолжительности жизни (длина жизненного цикла у форм, поддающихся наблюдениям). Каждая популяция имеет определенную структуру: возрастную (соотношение особей разного возраста), половую (соотношение мужских и женских особей), пространственную (колонии, стаи, семьи и т.д.). Так же как в случае растений, для наблюдений рекомендуется выбрать несколько хорошо известных видов. Наблюдения ведутся регулярно, каждый сезон, в течение 1—3 дней подряд через 7—10 дней. Замечания записывают в дневник с указанием сроков наблюдений. Мониторинг воздушной среды Загрязнение воздушной среды оказывает непосредственное и косвенное влияние на человека, живую и неживую природу. Помимо выбросов разнообразных химических (в том числе радиоактивных) веществ, к загрязнению атмосферы следует отнести: – выбросы большого количества водяного пара, т. к. это приводит к увеличению коррозийного воздействия внешней среды, появлению неблагоприятных метеорологических явлений (гололед, туман), ухудшению видимости и т. д.; 117 – акустические излучения, или шум; – электромагнитное излучение; – тепловое загрязнение, или выбросы большого количества нагретых воздушных масс. При оценке состояния воздушной среды проводят мониторинг загрязнения. Из основных загрязняющих воздух веществ, являющихся наиболее распространенными и опасными, обычно выделяют следующие категории: – углеводороды и другие летучие органические соединения (ЛОС); – угарный газ, или окись углерода — СО; – оксиды серы, преимущественно сернистый газ или двуокись серы S02; – соединения свинца и других тяжелых металлов; – озон и другие фотохимические окислители; – оксиды азота; – совокупность взвешенных частиц. При сжигании горючих ископаемых (угля, нефти, газа) большая часть содержащейся в них серы превращается в диоксид серы. При всех видах сгорания различных материалов в воздухе происходит реакция атмосферного азота с атмосферным кислородом и образуются оксиды азота. Эти оксиды реагируют с атмосферным кислородом и водой, образуя кислоты (серную и азотную). Кислоты вместе с дождем могут выпадать на поверхность земли, воздействуя на почву и организмы. Нейтральная величина рН равна 7, но дождевая вода в чистом воздухе имеет рН 5, 6 вследствие воздействия углекислоты воздуха. В результате воздействия загрязняющих веществ, находящихся в окружающем растение воздухе, таких как двуокись серы, окислы азота, углеводороды, кислоты, тяжелые металлы, в растениях происходит вымывание (выщелачивание) соединений кальция и магния, разрушение хлорофилла, повреждение устьичного аппарата, что вызывает потерю влаги и подавление морозоустойчивости растения, нарушение синтеза фитогормонов, понижение ассимиляции и сопротивления вредителям. Выпавшие из атмосферного воздуха на почву частицы (осаждение пылевидных частиц, аэрозолей и др.) увеличивают в ней дальнейшее подкисление, накопление соединений тяжелых металлов и освобождение токсичных ионов алюминия, что ведет к повреждению корней, а поражение почвенных организмов — к замедлению процессов разложения. Устойчивость растений к различным загрязняющим веществам различна. Очень чувствительны к низким концентрациям в воздухе двуокиси серы лишайники, хвойные, пшеница, хлопчатник, салат-латук, ячмень, табак; стойкие к воздействию — кукуруза, картофель, роза. Лишайники реагируют особенно чутко: сначала исчезают кустистые, потом листовые и, наконец, накипные виды. 118 Хвоя сосны в зонах сильного загрязнения диоксидом серы приобретает темно-красную окраску, которая распространяется от основания иглы к ее острию; игла отмирает и опадает, просуществовав всего один год. У злаков (особо чувствителен мятлик однолетний — Роа annua) вследствие воздействия диоксида серы на листьях появляются светло-коричневые или белесоватые полосы по обеим сторонам центральной жилки, сохраняющей зеленую окраску. Чувствительны к содержанию фтористого водорода в воздухе пшеница, кукуруза, сосна; стойкие — хлопчатник, одуванчик, картофель, роза, табак, томаты, виноград. Симптомы поражения: хлороз, сопровождающийся отмиранием листьев; у хвойных пород — побеление, а потом потемнение концов игл и опадание хвои. Токсичность хлористого водорода сильно выражена у семечковых, лещины, винограда, земляники садовой, пихты, ели, сосны Веймутова. Более устойчивы крестоцветные, зонтичные, тыквенные, гераниевые, аралиевые, гвоздичные, вересковые, сложноцветные. Для многих растений известны предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе. Величины ПДК (мг/м3) диоксида серы: для пеларгонии зональной, тимофеевки луговой, сирени обыкновенной - 0,2; барбариса - 0,5; овсяницы луговой, смородины золотистой - 1,0; аспидистры, клена ясенелистного - 2,0. ПДК аммиака: для тимофеевки луговой - 1,0; пеларгонии зональной - 2,5; сирени обыкновенной - 9,0; аспидистры - 15,0. ПДК формальдегида: для тимофеевки луговой - 2,5; пеларгонии зональной - 5,0; аспидистры - 6,5; овсяницы луговой - 1,0. На различной чувствительности растений к загрязняющим веществам основана биоиндикация загрязнения воздуха. Так, в ФРГ выделяют следующие биоиндикаторы загрязнения воздуха: общего загрязнения — лишайники и мхи; тяжелыми металлами — слива, фасоль обыкновенная; диоксидом серы — ель, люцерна; фтористым водородом — косточковые плоды, гладиолусы; хлористым водородом — береза бородавчатая, земляника лесная; аммиаком — подсолнечник, конский каштан; сероводородом — шпинат, горох; фотосмогом — крапива, табак; полициклическими ароматическими углеводородами — соя, недотрога обыкновенная. Гладиолусы сорта «Снежная королева» используют как биоиндикаторы на фтористые соединения в США и Канаде. По мере увеличения концентрации токсиканта в воздухе верхняя часть листьев у растений отмирает. Признаки повреждения голосемянных растений при остром воздействии пороговых концентраций газов в атмосферном воздухе: двуокиси серы — красно-коричневая суховершинность; двуокиси азота — красно-коричневый дистальный некроз хвои и веток; озона — дистальный некроз, прекращение роста хвои; пероксиацетилнитрата — хлороз, раннее старение хвои; фторидов, редких металлов, кислотного дождя, аммиака — дистальный некроз; этилена — низкорослость, сброс хвои. Признаки повреждения покрытосемянных растений при остром воздействии пороговых концентраций газов в атмосферном воздухе: диоксида серы и диоксида азота - межжилковые некротические пятна; озона - крапинки на верхней поверхности; пероксиацетилнитрата - бронзирование нижней поверхности листа; фторидов — некроз кончика и краев листьев; редких металлов — межжилковый хлороз, некроз кончика и краев листьев; кислотного дождя (рН менее 3,0) — некротические пятна; аммиака — межжилковые пятна некроза; хлора — хлороз, крапчатость верхней поверхности листа; этилена — хлороз, некроз, сброс листвы; сероводорода — межжилковые пятна некроза. Под действием загрязнения воздуха возникает явление, называемое гибель лесов, характеризующееся осветлением (дефолиацией), т.е. изреживанием кроны в результате потери хвои и листьев. У лиственных пород, в особенности буковых, происходит нарушение роста боковых побегов, ведущее к образованию неестественно длинных хлыстовидных побегов, измельчение листьев; появляются листья с зубчатыми краями в результате нарушения роста на участках между прожилками листа; опадающие (зеленые) листья. Другие симптомы деградации: пожелтение из-за нехватки магния; белые пятна на листьях и хвое в результате повреждения озоном. Из присутствующих в воздухе загрязняющих веществ наиболее опасен для лесов диоксид серы. Любое научное исследование невозможно без математической обработки данных, которая позволяет оценить среднюю величину изучаемого параметра, достоверность полученного результата, связь изучаемого параметра с другими явлениями природы. Существует множество приемов обработки и учебных пособий по ним. Математическую обработку результатов можно проводить на компьютере с помощью пакета статистических программ типа «Statgraphics», а также на программируемых калькуляторах. Ведение экологического мониторинга позволяет количественно оценить все те негативные процессы в природе, которые вызывает деятельность человека. Оно же позволяет увидеть и положительные результаты природоохранных мероприятий и тем самым понять, «что такое хорошо и что такое плохо». Сущность природопользования не в том, чтобы поставить природу себе на пользу, а в определении, какой образ жизни вести и в каких формах осуществлять деятельность, чтобы принести природе пользу, участвуя в восстановлении природных систем, в совершенствовании, гармонизации отношений человека и биосферы. 119 120 Контрольные вопросы: 1. Объясните, что включает в себя понятие экологический мониторинг. 2. Назовите виды мониторинга. 3. Охарактеризуйте методы мониторинга. 4. Поясните, что такое биоиндикация. 5. Назовите растения-биоиндикаторы и объясните, как по внешнему виду некоторых растений можно узнать о наличии загрязнений Лекция 16. Правовые и социальные аспекты экологии – – – – Экологическое право. Экологический мониторинг. Основные направления современной экологической политики. Международное экологическое сотрудничество. Экологическое право. Право может выполнять определенную роль в обеспечении благоприятной природной среды для человека, оно может придать некоторым жизненно важным отношениям в системе «общество — природа» нормативный, обязательный характер. Экологическое право — это совокупность правовых норм, регулирующих общественные отношения в сфере природопользования, охраны окружающей природной среды и обеспечения экологической безопасности. Предмет экологического права. Предметом права считаются общественные отношения, складывающиеся по поводу какого-либо объекта и находящиеся в сфере действия правовых норм экологического законодательства. В данном случае это могут быть общественные отношения, складывающиеся по поводу объектов природы и их экологических связей и входящие в сферу действия экологических норм. Предмет экологического права — это отношения по непосредственной эксплуатации природных объектов. Содержание и субъекты экологических правоотношений. Содержание — это права и обязанности участников правоотношения в области использования и охраны природной среды. Субъекты — это, во-первых, природопользователи; во-вторых, органы представительной и исполнительной власти, специально уполномоченные органы государства, имеющие право на регулирование использования природных ресурсов и на контроль за охраной окружающей среды; в-третьих — общественные объединения. Право граждан на благоприятную окружающую природную среду определяется двумя основными положениями: 1) экологическим воспитанием и образованием; 2) государственной гарантией экологических прав. Права граждан включают: —возможность запроса о предоставлении достоверной информации о состоянии природной среды и мерах по ее охране; —требования отмены решения о размещении, строительстве, эксплуатации экологически вредных объектов; —привлечение к ответственности лиц, виновных в экологических правонарушениях. 121 Исполнение экологических законов обеспечивается всей системой государственных органов, организацией экологической экспертизы, образованием охраняемых территорий и объектов. История российского природоохранного законодательства имеет глубокие корни: еще при Иване Грозном был издан указ о запрете охоты и рубки леса на территории нынешнего Лосиного острова — там были царские охотничьи угодья. Затем Петром I был издан указ «О бережении сосновых и дубовых лесов вдоль главных рек России». Поэтому Россия — одно из первых государств, которое стояло у истоков природоохранного законодательства. Еще до революции у нас были созданы первые заповедники (например, Баргузинский). После революции также был издан ряд декретов, имеющих природоохранное значение («Об охране памятников, садов и парков», «О лесах», «О сроках охоты и праве на охотничье ружье» и т. д.). В советское время был принят ряд законов о создании заповедников, заказников, национальных парков. Новый закон «Об охране окружающей среды» появился 10.01.2002 года. В настоящее время это основной документ, определяющий и регулирующий отношения в сфере взаимодействия природы и общества. В нем рассматриваются основные принципы, на которых должно строиться это взаимодействие: приоритет охраны жизни и здоровья человека; научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов; рациональное использование природных ресурсов с учетом законов природы; соблюдение требований природоохранного законодательства, гласность в работе, тесная связь с общественными организациями и населением в решении природоохранных задач. В статьях 11 и 12 рассматриваются права граждан на здоровую и благоприятную окружающую среду, полномочия и обязанности граждан. В законе есть также специальные статьи об экологическом образовании и воспитании населения. В конце 1993 года в соответствии с решением Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) был разработан национальный план действий России по охране окружающей среды, определяющий экологическую политику страны. 4 февраля 1994 года Указом Президента РФ одобрены «Основные положения государственной стратегии РФ по охране окружающей среды и устойчивому развитию». В 1996 году правительством утвержден проект Концепции устойчивого развития Российской Федерации. Федеральные и целевые программы — это средство реализации экологической политики государства. Среди программ, разработанных и контролируемых ранее Госкомэкологией, затем Министерством природных ресурсов и рационального природопользования России, следующие: 1) «Экологическая безопасность России»; 2) «Обеспечение безопасности озера Байкал»; 3) «Снижение уровней облучения населения и персонала от природных радиоактивных источников»; 4) «Конверсия — экологии»; 122 5) «Отходы»; 6) Программа по сохранению биоразнообразия; 7) Программа поддержки заповедников и национальных парков; 8) Программа по сохранению озонового слоя; 9) «Защита от наводнений». Это только некоторые из списка природоохранных программ правительства, в который входят также программы по экологически неблагоприятным районам, зонам экологического бедствия и экологического кризиса. Правительством предусмотрено экологическое регулирование природопользования через систему платежей, налогов, штрафов. Штрафы налагаются на основании составленного на месте нарушения акта. Составить его имеют право работники охраны природы или общественные инспекторы по охране природы. Ущерб, причиненный природе, подлежит возмещению. В Уголовном кодексе имеется ряд статей, которыми регулируется правовая охрана природы. Важным элементом регулирования качества окружающей среды является введение норм, ограничивающих выбросы вредных веществ в природную среду, — норм предельно допустимых концентраций (ПДК) в атмосферном воздухе, воде и почве. В нашей стране действует общегосударственная система наблюдений и контроля за загрязнением внешней среды. Результаты отражаются в так называемой Белой книге — это «Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды РФ» за каждый год. Ведутся наблюдения за выбросами серы, азота, содержанием тяжелых металлов (свинца, ртути, кадмия, мышьяка), ДДТ, хлорорганических и других вредных соединений. Осуществляется контроль за использованием пестицидов, системами удобрений и мелиорации земель. Если нормы не соблюдаются — налагаются штрафы. Создана система глобального мониторинга, т.е. слежения, контроля и прогноза загрязнения окружающей среды. Система мониторинга — новейший и необходимый метод экологических исследований, позволяющий установить точки экологического кризиса и предотвратить его наступление. В систему глобального мониторинга вовлечены все страны мира, в этой отрасли экологической науки - самое тесное международное сотрудничество. В настоящее время международное сотрудничество возглавляет ЮНЕСКО. В 1972 году ею была разработана Межправительственная программа по окружающей среде (ЮНЕП) и создана всемирная система станций учета и наблюдения (мониторинга) за состоянием и изменением биосферы. В 2002 году состоялась Международная конференция, посвященная 30-летию ЮНЕП. Международными организациями разработаны и другие программы: ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) — «Гигиена окружающей среды»; ФАО (Продовольственная и сельскохозяйственная организация) — «Сельскохозяйственные химикаты и отходы». В 1992 году в Рио-де-Жанейро состоялся форум экологов — Конференция ООН по окружающей среде и развитию, которая приняла программу будущего — «Повестка дня на XXI век» и провозгласила принцип совместного развития природы и общества как принцип «устойчивого» (самоподдерживающегося) развития. Устойчивое развитие в глобальной системе «общество — природа» означает соблюдение динамического равновесия в социоэкосистемах различного уровня. При ограниченных ресурсных возможностях нашей планеты необходимо, чтобы со стороны развивающегося общества поддерживалось и соответствующее развитие природной среды. Главная идея концепции — создание условий и механизмов для взаимоувязанного социально-экономического и экологического развития, обеспечивающего возможность существования человечества на планете Земля. Эта концепция до сих пор является основой для теоретических и практических действий экологов всего мира 123 124 Контрольные вопросы: 1. Дайте определение экологического права. 2. Что называется субъектом экологического права? 3. Какой основной документ регулирует правоотношения в экологической сфере в настоящее время в РФ? 4. Назовите федеральные целевые программы по охране окружающей среды, которые вам известны. 5. Какие организации осуществляют международное сотрудничество в области охраны окружающей среды?