Факториальная экология. Общая экология. Среды жизни. Глобальная экологическая политика

Общая экология II курса Направление 022000 – Экология и природопользование Москва 2013 г. Содержание 1. Раздел Факториальная экология 4 1.1. Тема Предмет и объекты изучения экологии. 4 1.1.1. Экология и история ее развития. Место экологии в системе естественных и социальных наук. Методы экологических исследований. 4 1.1.2. Современное состояние экологии как комплекной социально-естественной науки о взвамоотношениях организмов. Содержание, предмет, объект и задачи экологии. 10 1.1.3. ??? 3 Экология – теоретическая основа охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. 12 1.1.4. ??? 4 Антропогенное воздействие на биосферу и его последствия. экологический кризис. 12 1.1.5. ??? 5 Необходимость формирования правовых и этических норм отношения человека к природе. 12 1.2. Тема Основы аутэкологии (факториальной экологии). 12 1.2.1. Организм и среда. 12 1.2.2. Экологические факторы среды и их классификация. 16 1.2.3. Закономерности действия экологических факторов на организмы. Лимитирующий фактор. Закон минимума Либиха. Закон толерантности Шелфорда. Учение об экологических оптимумах видов. Взаимодействие экологических факторов. 17 1.2.4. Приспособление организмов к неблагоприятным условиям среды 21 1.2.5. Основные абиотические факторы. 22 1.2.6. Основные биотические факторы. 33 1.2.7. ??? Антропогенный фактор. 36 1.3. Тема Среды жизни. Приспособление организмов к среде жизни 37 1.3.1. Среды обитания и их влияние на живые организмы 37 1.3.2. Наземно – воздушная среда жизни и ее особенности. Адаптации организмов к обитанию в наземно-воздушной среде 37 1.3.3. Водная среда жизни. Адаптации организмов к водной среде 39 1.3.4. Почвенная среда жизни. Почвенные организмы. 43 1.3.5. Живой организм как особая среда обитания. Средообразующая роль живых организмов. 48 1.4. Тема Основы демэкологии (экологии популяций) 50 1.4.1. Вид и его экологическая характеристика 50 1.4.2. Популяция как форма существования вида. 51 1.4.3. Показатели популяций. 52 1.4.4. Возрастная и половая структуры популяций. 53 1.4.5. Пространственная и этологическая структуры популяций. 56 1.4.6. Динамика популяций. 58 1.4.7. ???. Методы количественного учета в популяциях, их специфика у растений и животных. 60 1.5. Тема Основы синэкологии (экологии сообществ и экосистем) 61 1.5.1. Экосистемы и принципы их функционирования 61 1.5.2. Биоценозы (сообщества), их таксономический состав и функциональная структура. 66 1.5.3. Структура биоценоза. 69 1.5.4. Внутривидовые взаимодействия в биоценозе. Межвидовые взаимоотношения в биоценозе. 71 1.5.5. Экологические ниши. Многомерность ниши. Ниша фундаментальная и реализованная. Влияние конкуренции на ширину экологической ниши. Прерывание ниш. Ниши общие и специализированные. 74 1.5.6. Устойчивость и развитие биоценозов. 74 1.5.7. Экосистемы и принципы их функционирования. 74 1.5.8. Потоки вещества и энергии в экосистеме. Биологическая продуктивность экосистем. 75 1.5.9. Динамика экосистем. Саморегуляция и устойчивость экосистем. 80 1.5.10. Искусственные экосистемы. 81 2. Раздел Биосфера история ее становления, развития и современное состояние 84 2.1. Тема Основы учения о биосфере 84 2.1.1. Определение понятия «биосфера» 84 Строение оболочек Земли, их структура, зональность, динамика. 84 2.1.2. Роль В.И. Вернадского в формировании современного учения о биосфере. 86 2.1.3. Живое и биокосное вещество, их взаимовозникновение и перерождение в круговоротах веществ и энергии. 89 2.1.4. Биотические процессы в биосфере. 90 2.1.5. Круговороты биогенных элементов и их модификация. 91 2.1.6. Круговороты газообразного и осадочного циклов 92 2.1.7. Кругообороты воды, углерода, азота, фосфора и серы. 94 2.1.8. Основные теории происхождения биосферы 96 2.1.9. Биохимическая эволюция живых организмов. 98 2.1.10. Главные этапы биохимической эволюции живых организмов 101 2.1.11. Основные тенденции эволюции биосферы. Роль человека в эволюции биосферы. Ноосфера. Учение В.И. Вернадского о ноосфере. 104 3. Раздел Глобальные, региональные и локальные проблемы биосферы 106 3.1. Антропогенное воздействие на биосферу и его последствия 106 3.1.1. Антропогенез 106 3.1.2. Расогенез 113 3.1.3. Коэволюционный характер развития пррироды и общества на современном этапа развития биосферы. 114 3.1.4. Экологические кризисы и катастрофы в истории человечества. 115 3.1.5. Понятие о риске. Природные и техногенные чрезвычайные ситуации. 118 3.1.6. Масштабы антропогенного воздействия на биосферу. Ответные реакции природы. 122 3.1.7. Антропогенное влияние и глобальные проблемы современной биосферы. Понятие загрязнения природной среды. Источники загрязнения биосферы. Загрязнение природных вод, атмосферы, почвы. 126 3.1.8. Радиоактивное загрязнение. 127 3.1.9. Демографическая проблема. 132 3.1.10. Сокращение озонового слоя. 135 3.1.11. Парниковый эффект и его последствия. 140 3.1.12. Ресурсный кризис 142 3.2. Экология урбанизированных территорий 143 3.2.1. Урбанизация и ее проблемы. 143 3.2.2. О возможностях сокpащения темпов pасползания гоpодов 148 3.2.3. Интенсификация использования энеpгетических pесуpсов 148 3.2.4. Загpязнение воздушной сpеды гоpодов 149 3.2.5. Дегpадация водных pесуpсов 151 3.2.6. Загрязнение почв 152 3.2.7. Геоэкологические проблемы городов 152 3.2.8. Комплексное воздействие городов на природную среду 155 3.3. Здоровье человека и среда обитания 156 3.3.9. Особенности жизнедеятельности современного человека Здоровье и факторы риска. 156 3.3.10. Элементы экологии внутренней среды человека. 156 3.3.11. Вредные привычки и деградация генофонда человечества. 156 4. Раздел Охрана природы и рациональное природопользование 156 4.1. Рациональное природопользование – основа экологической безопасности человечества. Природоохранное законодательство 156 4.1.1. Понятие об экологической безопасности 156 4.1.2. Техногенные системы и их взаимодействие с окружающей средой 157 4.1.3. Государственное регулирование природопользования. 159 4.1.4. Основные положения экологического законодательства 159 4.1.5. Правовые аспекты охраны лесов 160 4.1.6. Основные правовые принципы и положения в области охраны животного мира 161 4.1.7. Основные принципы государственного законодательства в области охраны атмосферного воздуха 162 4.1.8. Основы реализации, цели водного законодательства Российской Федерации 162 4.1.9. Кадастры природных ресурсов 163 4.1.10. Особо охраняемые природные территории 165 4.1.11. Защита генофонда биосферы. Красные книги животных и растений 169 4.1.12. Экологический туризм как часть природосберегающей стратегии 170 4.2. Экологический мониторинг 173 4.2.1. Динамика состояния растительного и животного мира, суши, рыбных ресурсов. Мониторинг окружающей среды 173 Виды мониторинга окружающей среды 174 Уровни мониторинга окружающей среды и его организация 176 Экологическая безопасность России 176 Экологическое состояние Московского региона. 180 4.3. Международное сотрудничество в решении экологических проблем 180 4.3.1. Принципы международного сотрудничества в области охраны окружающей среды 180 4.3.2. Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды 181 4.3.3. Концепции и глобальные модели будущего мира 183 1. Раздел Факториальная экология 1.1. Тема Предмет и объекты изучения экологии. 1.1.1. Экология и история ее развития. Место экологии в системе естественных и социальных наук. Методы экологических исследований. «Экология» (греч. оikos – дом, жилище, местообитание, убежище и logos – наука, знание) – т.е. наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. (Слайд 1). Термин «Экология» был предложен в 1866 году немецким ботаником, профессором Йенского университета Эрнстом Геккелем (1834 – 1919), как название раздела биологии, изучающего взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. (Слайд 2). В своем труде «Всеобщая морфология» (1866) он писал: «Экология – это познание экономики природы, одновременное исследование взаимоотношений всего живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая антагонистические и неантагонистические отношения животных и растений, контактирующих друг с другом». Экология прошла долгий путь становления. Каковы же его основные вехи. 1 этап – накопление практических знаний о животных и растениях, местах их обитания, их отношениях первобытным обществом и передача этих знаний в устной форме, а также в виде наскальных рисунков. (Слайд 3). Становление экологии на заре человечества (по К.М. Петрову, с дополнениями) Годы Автор Регион, страна Экологическая информация 3 млн л.н. до н.э. Первобытное общество Восточная Африка, позднее ближний Восток, Кавказ, Восточная Европа Присваивающая форма хозяйства (собирательство, охота). Производящая форма хозяйства (земледелие, животноводство). Возникновение антропогенного ландшафта вблизи мест обитания людей, уничтожение некоторых видов животных, выжигание лесов. Введение в культуру всех основных видов с/х растений, одомашнивание животных. Рост численности, быстрое расширение ареала обитания, накопление информации о природных объектах, ускоряющиеся темпы развития, возникновение рас. 2 этап – возникновение древнейших цивилизаций, продолжение накопления практических знаний об окружающем мире и описание наблюдений. Так в поэме великого поэта Вергилия «Георгики» давались практические советы по сельскому хозяйству: А с промежутками в год – труд спорый; Лишь бы скупую почву вдоволь питать навозом жирным, А также грязную сыпать золу поверх истощенного поля, Так, сменяя плоды, поля предаются покою. Пьер Тейяр де Шарден (1987) выделяет 5 очагов возникновения первых цивилизаций: 1. Нил и Месопотамия с Египтом и Шумером; 2. Долины Ганга и Инда с цивилизациями Индии; 3. Бассейн Желтой реки (Хуанхэ) с китайской цивилизацией; 4. Центральная Америка с цивилизациями Майя; 5. Острова тихого и Индийского океанов с полинезийской цивилизацией. (Слайд 4). Календарь становления экологии как науки в древние века (по К.М. Петрову, с дополнениями) VI-IV вв. до н.э. Древняя Индия Эпическая поэма «Махабхарата» и «Рамаяна» – описание образа жизни и места обитания около 50 видов животных. 490 – 430 гг. до н.э. Эмпедокл из Акраганта Древняя Греция Рассмотрел связь растений со средой. 384 – 322 гг. до н.э. Аристотель Древняя Греция «История животных» – привел классификацию животных, имеющих окраску, связанную с условиями жизни. 372 – 287 гг. до н.э. Теофраст (Феофраст) Древняя Греция «Исследования о растениях» – описал около 500 видов растений и их сообществ. 79 – 23 гг. до н.э. Плиний старший Древний Рим «Естественная история» – обобщил данные по зоологии, ботанике, лесному хозяйству. Уже на этом этапе покорения природы человеком возникли первые экологические проблемы, отраженные в работах древних философов. Лукреций Кар писал: И уже пахарь-старик, головою качая, со вздохом Чаще и чаще глядит на бесплодность тяжелой работы, Если же с прошлым начнет настоящее сравнивать время, То постоянно тогда восхваляет родителей долю. И виноградарь, смотря на тщедушные, чахлые розы, Век, злополучный, клянет и на время он сетует горько, И беспрестанно ворчит, что народ, благочестия полный, В древности жизнь проводил беззаботно, довольствуясь малым, Хоть и земельный надел был в то время значительно меньше, Не понимая, что все дряхлеет и мало-помалу, Жизни далеким путем истомленное, сходит в могилу. 3 этап – период средневековья, прошел под влиянием различных религиозных конфессий, определяющих мораль, философию, этические и эстетические нормы и др. Несомненной ценностью этого периода является то, что силой всех религий является призыв к духовному совершенству, признании гармоничности созданной творцом природы. Но природа воспринималась как неоскудевающая дающая длань господа. Активно развивается сельское хозяйство, однако, это развитие идет по экстенсивному пути: активно вырубаются леса под земледелие, ради топлива, строительства домов, кораблестроения, металлургии. Жители говорили, что становится все больше «земель с ободранной шкурой». На рубеже 13 – 14 вв. экологическая ситуация в Европе осложняется, т.к. возможности экстенсивного пути развития земледелия оказались исчерпанными. Оборонительные стены ограничивали рост городов. Увеличивалась скученность людей, мусор и нечистоты выливались прями на улицы, отсутствовала канализация, что приводило к загрязнению грунтовых вод. Все это способствовало распространению эпидемий, резко снижающих численность населения. Так, в годы чумы 1346 – 1353 вымерло от 20 до 50% всего населения Европы (Бондарев, 1996). Науки занимались обоснованием и прославлением мудрости творца. Изучение природы на этом этапе практически не осуществлялось. Большая часть знаний, накопленных греками была утрачена еще с разрушением знаменитой Александрийской библиотеки Юлием Цезарем в 48г. До н.э., окончательно библиотека была сожжена арабами после падения Римской империи в 642г. н.э. 4 этап – эпоха Возрождения (ренессанса) положила начало новому этапу в развитии мировой культуры и сформировала новые отношения человека к природе. Это период великих географических открытий. Раздвигаются рамки известного мира, происходит невиданное накопление фактического материала в различных областях естествознания, начинается активное изучение человека и природы. Открыт морской путь из Европы в Индию (Васко-да-Гама); Христофор Колумб достиг Багамских островов; Магеллан совершил первое кругосветное путешествие, Америго веспучи объездил и описал материк, названный в последствии его именем; Бальбоа перешел Панамский перешеек и открыл Великий (Тихий) океан. Ширились торговые связи с Востоком. Френсис Бекон (англ.) писал «… дальние плаванья и странствия (кои в наши века участились) открыли и показали в природе много такого, что может подать новый свет философии». Распространению знаний способствовало начатое Иваном Федоровым книгопечатанье. В 1552г. Иван Грозный велел «землю измерить и чертеж государства сделать». Этот чертеж охватывал огромную территорию от Студеного до черного моря и от Котлина озера (Финского залива) до Оби. В 1627 году был составлен еще один «новый» чертеж государства и к нему написана обширная объяснительная записка «Книга Большому чертежу». 5 этап – век просвещения 17 – 18 вв. – обобщение большого накопленного ботанического и зоологического материала, прямые наблюдения в природе. Креационизм сменяется трансформизмом, позднее возникает натурфилософия. Возникает эволюционное учение. Проследим логику развития основных экологических идей. (Слайд 5). Календарь становления экологии как науки в эпоху просвещения (по К.М. Петрову, с дополнениями) 1749 Карл Линней Швеция «Экономика природы» – описал типологию местообитаний. Основы систематики. 1749 Жорж Бюффон Франция «Естественная история» – высказал идеи изменчивости видов под влиянием среды. 1798 Томас Мальтус Англия «Опыты о законе народонаселения» - предложил уравнение геометрического (экспоненциального) роста популяции, представил первую математическую модель роста популяции. 6 этап –19 в. можно по праву назвать веком естествознания. Именно в этот период экология выделилась как самостоятельная наука. Один из самых крупных представителей науки первой трети 19в. – Жан-Батист Ламарк. (Слайд 6). Вот как писал о нем Осип Мандельштам. Был старик, застенчивый, как мальчик, Неуклюжий робкий патриарх. Кто за честь природы фехтовальщик? Ну, конечно, пламенный Ламарк. Календарь становления экологии в 19 веке. (по К.М. Петрову, с дополнениями) 1802 Жан-Батист Ламарк Франция «Гидрогеология» – заложил основы концепции о биосфере, подложил термин «биология». 1809 Жан-Батист Ламарк Франция «Философия зоологии» – дал представление о сущности взаимодействий в системе «организм – среда». 1830 Иоганн Вольфганг Гете Германия «Опыт объяснения метаморфоза растений». Основатель морфологии или «науки об образовании и преобразовании органических тел», работы о росте и развитии растений, о видоизменении листьев под влиянием света, тепла и влаги. 1836 Чарльз Дарвин Англия Кругосветное путешествие на корабле «Бигль» – описал экологические наблюдения, которые легли в основу труда «Происхождение видов путем естественного отбора». 1840 Ю. Либих Германия Сформулировал закон минимума. 1845 Александр Гумбольдт Германия «Космос» в 5 томах – сформулировал законы географической зональности и вертикальной поясности в распределении растений и животных. 1859 Чарльз Дарвин Англия «Происхождение видов путем естественного отбора» – привел большой материал о влиянии абиотических и биотических факторов среды на изменчивость организмов. 1861 Иван Михайлович Сеченов Россия Влияние среды на организм «…организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен; поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него». 1866 Эрнст Геккель Германия Предложил понятие «экология». 1870 Г. Спенсер Англия «Изучение социологии» – заложил основы экологии человека. 1875 Э. Зюсс Австрия Предложил понятие «биосфера». 1877 К. Мебиус Германия Предложил понятие «биоценоз». 1895 Е. Варминг Дания «Экологическая география растений» – впервые использовал термин «экология» по отношению к растениям; предложил понятие «жизненная форма». 1896 У. Хэдсон Англия Предложил понятие «волны жизни» для описания динамики численности животных 1898 А. Шимпер Германия «География растений на физиологической основе» – одна из первых работ по экофизиологии 7 этап – ХХ век – развитие экологии как науки. (Слайд 7). Примерно с середины 20-го века предмет изучения экологии расширился и трансформировался в связи с усилением воздействия человека на природу. Содержание термина также претерпевает изменения и наполняется социально-политическим и философским смыслом. Экология выросшая из естественных наук преобразуется в социально-естественную науку. Календарь становления экологии в 20 веке. (по Н.И. Николайкину, с дополнениями) 1903 К. Раункиер Дания Создал учение о жизненных формах растений на основе понятия, введенного Е. Вармингом. 1910 Решением IIIМеждународного ботанического конгресса закреплено разделение экологии на экологию организмов (аутэкологию) и сообществ (синэкологию) 1911 В. Шелфорд США Сформулировал закон толерантности 1912 Г.Ф. Морозов Россия «Учение о лесе» – классическая работа по изучению лесных сообществ. 1915 Г.Н. Высоцкий Россия Предложил понятие «экотоп». 1915 И.К. Пачоский Россия Предложил понятие «фитоценоз». 1918 Х. Гамс Швейцария Австрия Предложил понятие «биоценологии» как науки о сообществах живых организмов; «фитоценологии» – науки о растительных сообществах. 1921 Х. Берроуз США «География как человеческая экология» – сформулировал задачу изучения взаимоотношения человека и территории, на которой он проживает. 1926 В.И. Вернадский СССР «Биосфера» – определил глобальные функции живого вещества. 1927 Э. Леруа Франция Предложил понятие «ноосфера», получившее дальнейшее развитие в трудах Пьер Тейяр де Шардена и В.И. Вернадского. 1933 Д.Н. Кашкаров СССР «Среда и сообщества», «Основы экологии животных» – первые отечественные учебники по экологии. 1935 А. Тенсли США Предложил понятие «экосистема». 1939 Ф. Клементс В. Шелфорд США Предложили понятие «биоэкология», опубликовав одноименную монографию. 1939 К. Тролль Германия Обосновал новое научное направление – 2экология ландшафта». 1942 В.Н. Сукачев СССР Предложил понятие «биогеоценоз», заложил основы биогеоценологии. 1942 Р. Линдерман США Развил представление о трофических уровнях и «пирамиде энергий», установил правило 10%. 1944 В.И. Вернадский СССР «Несколько слов о ноосфере». 1953 Ю. Одум США «Основы экологии» и «Зкология» – одни из лучших современных учебников по экологии. Неоднократно переиздаваемы. Русские переводы – 1975, 1986гг. 1963 В.Б. Сочава СССР Предложил понятие «геосистема». 1968 Дж. Форрестер, Д. Медоуз США Выдвинули идеи глобальной экологии в работах «Римского клуба». 1971 Барри Коммонер США «Замыкающийся круг» – сформулировал четыре закона экологии, русский перевод – 1974г. 1994 Н.Ф. Реймерс Россия «Экология (теории, законы, принципы и гипотезы)» – систематизировал понятия современной экологии. Экология начала развиваться как составная часть естествознания, а затем раздел биологической науки. (Слайд 8). Однако, ее специфика в тесной связи с другими естественными науками: химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой, а также социальными: социологией, историей, психологией, педагогикой. Фундаментальной теоретической базой экологии является философия. На стыке экологии с другими отраслями знаний возникли и продолжают развиваться много ответвлений экологии. ??? 1 Выявите объекты исследований смежных экологии наук. В экологических исследованиях используется весь арсенал методов, разработанных совокупностью естественных наук и специфические методы. Все экологические исследования являются системными. Основные методы экологических исследований: полевые (метод наблюдения), экспериментальные, лабораторные исследования, сравнительный метод. Относительно новым методом в экологии является моделирование, позволяющее изучать сложные объекты, явления и процессы путем их упрощенного имитирования (натурального, математического, логического). Существенным преимуществом экспериментов на модели является то, что при этом могут быть воспроизведены такие крайние положения (например, температура), которые в ряде случаев не могут быть воссозданы на самом объекте. В экологии используются экосистемный, популяционный, эволюционный и исторический подходы. Экосистемный подход выдвигает на первый план общность всех существ, поток энергии и круговорот веществ между биотическим и абиотическим компонентами экосферы. На основе этого подхода изучаются функциональные связи организмов (Н: цепи питания). Популяционный подход рассматривает популяцию как морфологически-функциональную единицу, эволюционирующую во времени и пространстве. Он широко применяет методы математической статистики, моделирования. Построение моделей связано с такими понятиями, как рождаемость, выживаемость, смертность, численность, плотность и др. Эволюционный и исторический подходы рассматривают закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций, изменение популяций и экосистем во времени. Эволюционная экология изучает изменения, связанные с развитием жизни на Земле, позволяет выявить закономерности развития живой материи, антропогенное влияние на природу. ??? 2 Опишите методы естественных наук, нашедшие применение в экологии. 1.1.2. Современное состояние экологии как комплекной социально-естественной науки о взвамоотношениях организмов. Содержание, предмет, объект и задачи экологии. Современная экология – фундаментальная комплексная наука о природе, объединяющая знание основ нескольких классических естественных наук. Для выявления специфики экологии как науки рассмотрим уровни организации живой материи гены клетки ткани органы организмы популяции виды сообщества биосфера экология экология экология экология эколоия и науки, которые изучают биологическую материю на каждом из этих уровней. Т.о. место экологии в системе естественных наук определяется достаточно четко – это изучение надпопуляционных уровней организации живой материи. Объектом экологических исследований является совокупность или структура связей между организмами, а также между организмами и средой, т.е. изучение функционирования биологических макросистем. Главный предмет ее изучения – экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные средой обитания и живыми организмами. Кроме этого, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т.е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень). В зависимости от предмета исследований в процессе становления экологии как науки выделились следующие разделы экологии (Слайд 1): С точки зрения фактора времени экология подразделяется на историческую и эволюционную. По конкретным объектам и средам исследования на экологию животных, экологию растений, экологию микроорганизмов. С научно-практической точки зрения вполне обоснованно деление экологии на теоретическую и прикладную. Из приведенных выше направлений следует, что задачи экологии многообразны. В общетеоретическом плане это: • Разработка общей теории устойчивости экологических систем; • Изучение экологических механизмов адаптации к среде; • Исследование регуляции численности популяций; • Изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания; • Исследование продукционных процессов; • Исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости; • Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов. Основные прикладные задачи в настоящее время следующие: • Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий деятельности человека для окружающей среды; • Улучшение качества окружающей среды; • Сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов; • Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически неблагоприятных районах. Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействяия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы. Экология, как и всякая другая наука, имеет два аспекта: • первый – теоретический, т.е. стремление к познанию ради самого познания, • второй – практический, т.е. применение собранных знаний для решения практических проблем, связанных с окружающей средой. Т.о. экология решает главную задачу современности – причастность каждого к охране окружающей среды. Человек осваивает нормы новой культуры. Поэтому изучение экологии – составная часть высшего образования для всех специальностей. 1.1.3. ??? 3 Экология – теоретическая основа охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. Тема выносится на диспут (Практическое занятие №1) 1.1.4. ??? 4 Антропогенное воздействие на биосферу и его последствия. экологический кризис. 1.1.5. ??? 5 Необходимость формирования правовых и этических норм отношения человека к природе. Темы выносится на диспут (Практическое занятие №2) 1.2. Тема Основы аутэкологии (факториальной экологии). 1.1.1. Организм и среда. Живые организмы во всем многообразии их связей являются предметом изучения экологии. К живым организмам относятся все формы жизнедеятельности. Организм (особь, индивид) – это дискретная единица живой материи, любое живое тело, живое существо, реальный носитель жизни, который характеризуется всеми ее свойствами и происходит от одного зачатка – семени, споры, оплодотворенной яйцелетки. Все живые организмы подразделяются на 2 надцарства: эукариоты и прокариоты и 4 царства: бактерии животные, грибы, растения. Иногда выделяют специфическое царство вирусов – форма, промежуточная между живой и неживой материей. Каждое из царств в свою очередь подразделяется на подцарства: животные – на одноклеточные и многоклеточные; грибы на низшие и высшие, растения – на багрянки, настоящие водоросли и высшие растения. По отношению к кислороду все живые организмы делятся на аэробные (жизнедеятельность возможна только при наличии свободного кислорода) и анаэробные (обитают без кислорода). Живое вещество можно рассматривать как соматическое и репродуктивное. Соматическое (от греч. Сома – тело) вещество – совокупность всех клеток организмов, кроме половых. Репродуктивное – вещество благодаря которому жизнь в биосфере постоянно воспроизводится. Все многообразие организмов в биосфере связано друг с другом через питание. Поэтому живые организмы различают по способам питания. Это автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы – (от греч. аутос – сам, трофее – питаться) – организмы, получающиевсе нужные им для жизни химические элементы из окружающей косной материи и не нуждающиеся в готовых органических соединениях. Они продуцируют органическое вещества в процессе фотосинтеза (фотоавтотрофы), используя в качестве источника энергии солнечный свет или хемосинтеза (хемоавтотрофы, использующие энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ), поэтому их называют продуцентами. Биомасса, которую они производят называется первичной. Гетеротрофы – (от греч. гетерос – другой) это организмы, использующие для своего питания чужие тела (живые или мертвые), т.е. готовые органические вещества. Среди гетеротрофов выделяют три группы организмов: убивающие объект питания (хищники), питающиеся за счет других организмов, но не убивающие ее (кровососы, паразиты); питающиеся отмершей органикой. Среди гетеротрофов выделяют консументов (животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения), поедающих «живую» органику и редуцентов (грибы и бактерии), которые превращают органические остатки в неорганические вещества, возвращая их в круговорот веществ. Миксотрофы – организмы со смешанным типом питания (сине-зеленые водоросли, растения – паразиты). Можно выделить несколько критериев любого живого организма (Слайд 1) 1. Особенности химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, но их соотношение в живой и неживой материи различно. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: кислород, водород, углерод, азот, являющиеся основой для всего многообразия органических молекул, составляющих организмы. В живом веществе существует несколько групп органических молекул, характеризующихся специфическими свойствами. Это: • НК (ДНК и РНК) – обеспечивают явления наследственности, изменчивости и самовоспроизведения; • белки – основные структурные компоненты клеток, биологические катализаторы – ферменты; • углеводы – структурно-энергетические компоненты; • жиры – структурно-энергетические компоненты; • «малые органические молекулы» – принимают участие в процессах метаболизма. 2. Метаболизм – процесс обмена веществ между организмом и средой, сопровождающийся сложными превращениями веществ в процессе синтеза (ассимиляции, пластического обмена) и распада (диссимиляции, энергетического обмена) внутри организмов. Обмен веществ обеспечивает гомеостаз организма, т.е. относительное постоянство его внутренней среды. 3. Единый принцип структурной организации. Все живые организмы имеют клеточное строение. Клетка является единой для всех обитателей земли структурно-функциональной единицей, а также единицей развития. 4. Репродукция– воспроизведение в виде бесполого или полового размножения особей, благодаря чему последующие поколения сходны с предшествующими. В основе воспроизведения лежат реакции матричного синтеза., т.е. образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК 5. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки и свойства и особенности развития в ряду поколений. Наследственность обусловлена генетическим кодом – специфической последовательностью триплетов нуклеотидов в молекулах ДНК и способностью ДНК к редупликации. Наследственность обеспечивает материальную преемственность информации между организмами в ряду поколений. 6. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежат изменения биологических матриц. Изменчивость дает богатый материал для естественного отбора к конкретным условиям существования в природных условиях, что в свою очередь приводит к возникновению новых форм жизни. 7. Рост – увеличение размеров организма, связанное с процессами метаболизма, реализующимися на основании генетической информации в зависимости от условий окружающей среды. Рост сопровождается развитием – необратимым направленным закономерным изменением объекта, в результате чего возникает новое качественное состояние объекта, сопровождающееся изменением состояния или структуры. Индивидуальное развитие организма называется онтогенезом. В его основе лежит постепенная реализация наследственных программ, проявляющихся в индивидуальных свойствах организма. Историческое развитие называется филогенезом. Это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на Земле. 8. Раздражимость – избирательное реагирование на воздействия окружающей среды. Реакция многоклеточных организмов на раздражение, осуществляемая через посредство нервной системы называется рефлексом. Организмы, не имеющие нервной системы, лишены рефлексов, их реакции выражаются в изменении характера движения или роста и называются таксисами или тропизмами. При их наименовании обычно добавляется название раздражителя. Например: фототаксис – движение в направлении света, хемотаксис – перемещение организма по отношению к концентрации химических веществ. Все таксисы могут быть положительными или отрицательными. Гелиотропизм – рост побега в направлении Солнца, геотропизм – рост корня по направлению к центру Земли. Для растений характерны также настии – движения частей растительного организма. Например – движение листьев, головки подсолнечника в течение светового дня за движением Солнца, закрытие и раскрытие венчика. 9. Дискретность – каждый организм состоит из отдельных изолированных, обособленных, ограниченных в пространстве, но связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. 10. Авторегуляция – способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов – гомеостаз. 11. Ритмичность – периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Например, суточные, сезонные, приливно-отливные и др. ритмы. Ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, т.е. на приспособление к периодически меняющимся условиям существования. 12. Энергозависимость. Все живые существа являются открытыми системами, т.е. не могут существовать без обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Т.о. организмы в процессе реализации любого из своих свойств взаимодействуют с окружающей средой – средой обитания. Неживая и живая природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания. Взаимоотношения организмов со средой, в частности адаптации видов к окружающей среде (среда – организм), абиотическим и биотическим факторам среды (организм – фактор) изучает аутэкология, поэтому ее называют факториальная экология. Аутэкологические исследования входят составной частью в биологическую экологию, экологию животных, растений, микроорганизмов, человека. С позиций аутэкологии среда – комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Т.е. это материальные тела, энергия, явления, воздействующие на организм. Понятие среда включает несколько составляющих: • Внешняя среда – совокупность сил и явлений природы, ее вещество и пространство, любая антропогенная деятельность, находящаяся вне рассматриваемого объекта или субъекта и необязательно контактирующая с ним. • Окружающая среда – см. внешняя, но находится в непосредственном контакте с рассматриваемым объектом или субъектом и контактирующая с ним. • Природная среда – сочетание естественных и измененных деятельностью человека факторов живой и неживой природы, которые проявляют эффект воздействия на организм. • Среда абиотическая – совокупность сил и явлений природы, происхождение которых не связано с деятельностью живых организмов. • Среда биотическая – совокупность сил и явлений природы, которые своим происхождением обязаны жизнедеятельности ныне живущих организмов. • Среда обитания – пространственное понимание среды как непосредственного окружения организмов. К ней относятся только те элементы среды с которым организм непосредственно контактирует. В настоящее время выделяют 4 среды обитания организмов: наземно-воздушная, почвенная, водная, организменная. Влияние среды на организм. Любой организм является открытой системой, а значит получает извне вещество, энергию, информацию и, таким образом, полностью зависит от среды. Это отражено в законе, открытым российским ученым К.Ф. Рулье: «результаты развития (изменений) любого объекта (организма) определяются соотношением его внутренних особенностей и особенностей той среды, в которой он находится». Иногда этот закон называют первым экологическим законом, поскольку он универсален. Влияние живых организмов на среду. Организмы влияют на среду, изменяя газовый состав атмосферы (Н: в результате фотосинтеза), участвуют в формировании почвы, рельефа, климата и др. Предел воздействия организмов на среду обитания описывает другой экологический закон (Куражковский Ю.Н.): каждый вид организмов, потребляя из окружающей среды необходимые ему вещества и выделяя в нее продукты своей жизнедеятельности, изменяет ее таким образом, что среда обитания становится непригодной для его существования. 1.1.2. Экологические факторы среды и их классификация. Множество отдельных элементов среды обитания, влияющих на организмы хотя бы на одной из стадий индивидуального развития, называются экологическими факторами. По природе происхождения выделяют абиотические, биотические и антропогенные факторы. (Слайд 1) Абиотические факторы - это свойства неживой природы (температура, свет, влажность, состав воздуха, воды, почвы, естественный радиационный фон Земли, рельеф местности) и др., которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Биотические факторы - это все формы воздействия живых организмов друг на друга. Действие биотических факторов может быть как прямым, так и косвенным, выражаясь в изменении условий окружающей среды, например, изменение состава почвы под влиянием бактерий или изменение микроклимата в лесу. Взаимные связи между отдельными видами организмов лежат в основе существования популяций, биоценозов и биосферы в целом. Раньше к биотическим факторам относили и воздействие человека на живые организмы, однако в настоящее время выделяют особую категорию факторов, порождаемых человеком. Антропогенные факторы - это все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания и других видов и непосредственно сказываются на их жизни. Деятельность человека на планете следует выделять в особую силу, оказывающую на природу как прямое, так и косвенное воздействие. К прямому воздействию относят потребление, размножение и расселение человеком как отдельных видов животных и растений, так и создание целых биоценозов. Косвенное воздействие осуществляется путем изменения среды обитания организмов: климата, режима рек, состояния земель и др. По мере роста народонаселения и технической вооруженности человечества удельный вес антропогенных экологических факторов неуклонно возрастает. Экологические факторы изменчивы во времени и пространстве. Некоторые факторы среды считаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени в эволюции видов. Например, сила тяготения, солнечная радиация, солевой состав океана. Большинство экологических факторов — температура воздуха, влажность, скорость движения воздуха — очень изменчивы в пространстве и во времени. В соответствии с этим, в зависимости от регулярности воздействия, экологические факторы делят на (Слайд 2): • регулярно-периодические, меняющие силу воздействия в связи со временем суток, сезоном года или ритмом приливов и отливов в океане. Например: понижение температуры в умеренном климатическом поясе северной широты с наступлением зимы года и т.д. • нерегулярно-периодические, явления катастрофического характера: бури, ливни, наводнения и т.д. • непериодические, возникающие спонтанно, без четкой закономерности, разово. Например, возникновение нового вулкана, пожары, деятельность человека. Таким образом, каждый живой организм испытывает влияние неживой природы, организмов других видов, в том числе и человека, и, в свою очередь, оказывает воздействие на каждую из этих составляющих. По очередности факторы делятся на первичные и вторичные. Первичные экологические факторы существовали на планете всегда, еще до появления живых существ, и все живое к этим факторам приспособилось (температура, давление, приливы, сезонная и суточная периодичность). Вторичные экологические факторы возникают и изменяются благодаря изменчивости первичных экологических факторов (мутность воды, влажность воздуха и др.). По действию на организм все факторы подразделяются на факторы прямого действия и косвенные. По степени воздействия их подразделяют на летальный (приводящий к гибели), экстремальный, лимитирующий, беспокоящий, мутагенный, тератогенный, приводящий к уродствам в ходе индивидуального развития). Каждый экологический фактор характеризуется определенными количественными показателями: силой, давлением, частотой, интенсивностью и др. 1.1.3. Закономерности действия экологических факторов на организмы. Лимитирующий фактор. Закон минимума Либиха. Закон толерантности Шелфорда. Учение об экологических оптимумах видов. Взаимодействие экологических факторов. Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы. Любой экологический фактор может воздействовать на организм следующим образом (Слайд): • изменять географическое распространение видов; • изменять плодовитость и смертность видов; • вызывать миграцию; • способствовать появлению у видов приспособительных качеств и адаптаций. Наиболее эффективно действие фактора при некотором значении фактора, оптимальном для организма, а не при его критических значениях. Рассмотрим закономерности действия фактора на организмы. (Слайд). Зависимость результата действия экологического фактора от его интенсивности благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения (пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно. Диапазон действия фактора между критическими точками называется зоной толерантности (выносливости) организма по отношению к данному фактору. Точка на оси абсцисс, которая соответствует наилучшему показателю жизнедеятельности организма, означает оптимальную величину фактора и называется точкой оптимума. Так как трудно определить точку оптимума, то обычно говорят о зоне оптимума или зоне комфорта. Таким образом, точки минимума, максимума и оптимума составляют три кардинальные точки, которые определяют возможные реакции организма на данный фактор. Условия среды, в которых какой-либо фактор (или совокупность факторов) выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии называют экстремальными. Рассмотренные закономерности носят название «правило оптимума». Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Т.о. лимитирующий фактор – экологический фактор, значение которого выходит за границы выживаемости вида. Например, заморы рыб зимой в водоемах вызваны нехваткой кислорода, карпы не живут в океана (соленая вода), миграцию почвенных червей вызывает избыток влаги и недостаток кислорода. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химик-органик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха. (Бочка Либиха). В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В. Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору Принцип лимитирующих факторов справедлив для всех типов живых организмов - растений, животных, микроорганизмов и относится как к абиотическим, так и к биотическим факторам. Например, лимитирующим фактором для развития организмов данного вида может стать конкуренция со стороны другого вида. В земледелии лимитирующим фактором часто становятся вредители, сорняки, а для некоторых растений лимитирующим фактором развития становится недостаток (или отсутствие) представителей другого вида. Например, в Калифорнию из средиземноморья завезли новый вид инжира, но он не плодоносил, пока оттуда же не завезли единственный для него вид пчел-опылителей. В соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду началом. Так, избыток воды даже в засушливых районах вреден и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в оптимальных количествах она просто необходима. В частности, избыток воды препятствует нормальному почвообразованию в черноземной зоне. Широкую экологическую валентность вида по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки "эври", узкою «стено». Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными, а виды, приспосабливающиеся к экологической обстановке с широким диапазоном изменения параметров, - эврибионтными. Например, животные, способные выносить значительные колебания температуры, называются эвритермными, узкий диапазон температур характерен для стенотермных организмов. (Слайд). Небольшие изменения температуры мало сказываются на эвритермных организмах и могут оказаться гибельными для стенотермных (рис. 4). Эвригидроидные и стеногидроидные организмы различаются реакцией на колебания влажности. Эвригалинные и стеногалинные – обладают разной реакцией на степень засоленности среды. Эвриойкные организмы способны жить в разных местах, а стеноойкные – проявляют жесткие требования к выбору местообитания. По отношению к давлению все организмы подразделяются на эврибатные и стенобатные или стопобатные (глубоководные рыбы). По отношению к кислороду выделяют эвриоксибионты (карась, карп) и стенооксибионты (хариус). По отношению к территории (биотопу) – эвритопные (большая синица) и стенотопные (скопа). По отношению к пище – эврифаги (врановые) и стенофаги, среди которых можно выделить ихтиофагов (скопа), энтомофаги (осоед, стриж, ласточка), герпетофаги (Птица – секретарь). Экологические валентности вида по отношению к разным факторам могут быть весьма разнообразными, что создает многообразие адаптаций в природе. Совокупность экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида. Предел толерантности организма изменяется при переходе из одной стадии развития в другую. Часто молодые организмы оказываются более уязвимыми и более требовательными к условиям среды, чем взрослые особи. Наиболее критическим с точки зрения воздействия разных факторов является период размножения: в этот период многие факторы становятся лимитирующими. Экологическая валентность для размножающихся особей, семян, эмбрионов, личинок, яиц обычно уже, чем для взрослых неразмножающихся растений или животных того же вида. Например, многие морские животные могут переносить солоноватую или пресную воду с высоким содержанием хлоридов, поэтому они часто заходят в реки вверх по течению. Но их личинки не могут жить в таких водах, так что вид не может размножаться в реке и не обосновывается здесь на постоянное местообитание. Многие птицы летят выводить птенцов в места с более теплым климатом и т.п. До сих пор речь шла о пределе толерантности живого организма по отношению к одному фактору, но в природе все экологические факторы действуют совместно. Оптимальная зона и пределы выносливости организма по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность получила название взаимодействия экологических факторов (констелляция). Например, известно, что жару легче переносить при сухом, а не влажном воздухе; угроза замерзания значительно выше при низкой температуре с сильным ветром, чем в безветренную погоду. Для роста растений необходим, в частности, такой элемент, как цинк, именно он часто оказывается лимитирующим фактором. Но для растений, растущих в тени, потребность в нем меньше, чем для находящихся на солнце. Происходит так называемая компенсация действия факторов. Однако взаимная компенсация имеет определенные пределы и полностью заменить один из факторов другим нельзя. Полное отсутствие воды или хотя бы одного из необходимых элементов минерального питания делает жизнь растений невозможной, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий. Отсюда следует вывод, что все условия среды, необходимые для поддержания жизни, играют равную роль и любой фактор может ограничивать возможности существования организмов - это закон равнозначности всех условий жизни. Известно, что каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Условия, оптимальные для одних процессов, например для роста организма, могут оказаться зоной угнетения для других, например для размножения, и выходить за пределы толерантности, то есть приводить к гибели, для третьих. Поэтому жизненный цикл, в соответствии с которым организм в определенные периоды осуществляет преимущественно те или иные функции - питание, рост, размножение, расселение, - всегда согласован с сезонными изменениями факторов среды, как например с сезонностью в мире растений, обусловленной сменой времен года. Среди законов, определяющих взаимодействие индивида или особи с окружающей его средой, выделим правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Оно утверждает, что вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям. Каждый вид живого возник в определенной среде, в той или иной степени приспособился к ней и дальнейшее существование вида возможно лишь в данной или близкой к ней среде. Резкое и быстрое изменение среды жизни может привести к тому, что генетические возможности вида окажутся недостаточными для приспособления к новым условиям. На этом, в частности, основана одна из гипотез вымирания крупных пресмыкающихся с резким изменением абиотических условий на планете: крупные организмы менее изменчивы, чем мелкие, поэтому для адаптации им нужно гораздо больше времени. В связи с этим коренные преобразования природы опасны для ныне существующих видов, в том числе и для самого человека. 1.1.4. Приспособление организмов к неблагоприятным условиям среды Экологические факторы могут выступать как: • раздражители и вызывать приспособительные изменения физиологических и биохимических функций; • ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях; • модификаторы, вызывающие анатомические и морфологические изменения организмов; • сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды. В процессе приспособления к неблагоприятным условиям среды организмы смогли выработать три основных пути избегания последних. Активный путь – способствует усилению сопротивляемости, развитию регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все жизненные функции организмов, несмотря на неблагоприятные факторы. Например, теплокровность у млекопитающих и птиц. Пассивный путь связан с подчинением жизненных функций организма изменению факторов среды. Например, явление скрытой жизни, сопровождающееся приостановлением жизнедеятельности при пересыхании водоема, похолодании и т.д., вплоть до состояния мнимой смерти или анабиоза. Например, высушенные семена растений, их споры, а также мелкие животные (коловраткиЮ, нематоды) способны выдерживать температуры ниже 200оС. Примеры анабиоза? Зимний покой растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве. Явление, при котором имеет место временный физиологический покой в индивидуальном развитии некоторых живых организмов, обусловленный неблагоприятными факторами внешней среды, называется диапаузой. Избегание неблагоприятных воздействий – выработка организмом таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии его развития завершаются в самые благоприятные по температурным и другим условиям периоды года. Обычный путь таких приспособлений – миграция. Эволюционно возникающие приспособления организмов к условиям среды обитания, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей носит название адаптации. Существуют различные типа адаптаций. Морфологические адаптации. У организмов возникают такие особенности внешнего строения, которые способствуют выживанию и успешной жизнедеятельности организмов в обычных для них условиях. Например, обтекаемая форма тела у водных животных, строение суккулентов, приспособления галофитов. Морфологический тип адаптации животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида. В процессе приспособления к одинаковым условиям среды разные виды могут иметь сходную жизненную форму. Например, кит, дельфин, акула, пингвин. Физиологические адаптации проявляются в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи. Например, обеспечение влагой за счет окисления жира у верблюдов. Поведенческие адаптации – проявляются в создании убежищ, передвижении с целью выбора наиболее благоприятных условий, отпугивание хищников, затаивание, стайное поведение и др. Адаптации каждого организма определяются его генетической предрасположенностью. Правило соответствия условий среды генетической предопределенности гласит: до тех пор, пока среда, окружающая определенный вид организмов, соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям, этот вид может существовать. Резкое и быстрое изменение условий среды обитания может привести к тому, что скорость приспособительных реакций будет отставать от изменения условий среды, что приведет к иллиминации вида. Сказанное в полной мере относится и к человеку. 1.1.5. Основные абиотические факторы. Напомним еще раз, что абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. На Слайде 3 приведена классификация абиотических факторов. Температура является наиболее важным климатическим фактором. От нее зависит интенсивность обмена веществ организмов и их географическое распространение. Любой организм способен жить в пределах определенного диапазона температур. И хотя для разных видов организмов (эвритермных и стенотермных) эти интервалы различны, для большинства из них зона оптимальных температур, при которых жизненные функции осуществляются наиболее активно и эффективно, сравнительно невелика. Диапазон температур, в которых может существовать жизнь, составляет примерно 300 С : от -200 до +100 С. Но большинство видов и большая часть их активности приурочены к еще более узкому диапазону температур. Некоторые организмы, особенно в стадии покоя, могут существовать по крайней мере некоторое время, при очень низких температурах. Отдельные виды микроорганизмов, главным образом бактерии и водоросли, способны жить и размножаться при температурах, близких к точке кипения. Верхний предел для бактерий горячих источников составляет 88 С, для сине-зеленых водорослей - 80 С, а для самых устойчивых рыб и насекомых - около 50 С. Как правило, верхние предельные значения фактора оказываются более критическими, чем нижние, хотя многие организмы вблизи верхних пределов диапазона толерантности функционируют более эффективно. У водных животных диапазон толерантности к температуре обычно более узок по сравнению с наземными животными, так как диапазон колебаний температуры в воде меньше, чем на суше. С точки зрения воздействия на живые организмы крайне важна изменчивость температуры. Температура, колеблющаяся от 10 до 20 С (в среднем составляющая 15 С), не обязательно действует на организм так же, как постоянная температура 15 С. Жизнедеятельность организмов, которые в природе обычно подвергаются воздействию переменных температур, подавляется полностью или частично или замедляется под действием постоянной температуры. С помощью переменной температуры удалось ускорить развитие яиц кузнечика в среднем на 38,6 % по сравнению с их развитием при постоянной температуре. Пока не ясно, обусловлен ли ускоряющий эффект самими колебаниями температуры или усиленным ростом, вызываемым кратковременным повышением температуры и не компенсирующимся замедлением роста при ее понижении. Таким образом, температура является важным и очень часто лимитирующим фактором. Температурные ритмы в значительной степени контролируют сезонную и суточную активность растений и животных. Температура часто создает зональность и стратификацию в водных и наземных местообитаниях. Вода физиологически необходима для любой протоплазмы. С экологической точки зрения она служит лимитирующим фактором как в наземных местообитаниях, так и в водных, где ее количество подвержено сильным колебаниям, или там, где высокая соленость способствует потере воды организмом через осмос. Все живые организмы в зависимости от потребности их в воде, а следовательно, и от различий местообитания, подразделяются на ряд экологических групп: водные или гидрофильные - постоянно живущие в воде; гигрофильные - живущие в очень влажных местообитаниях; мезофильные - отличающиеся умеренной потребностью в воде и ксерофильные - живущие в сухих местообитаниях. Количество осадков и влажность - основные величины, измеряемые при изучении этого фактора. Количество осадков зависит в основном от путей и характера больших перемещений воздушных масс. Например, ветры, дующие с океана, оставляют большую часть влаги на обращенных к океану склонах, в результате чего за горами остается "дождевая тень", способствующая формированию пустыни. Двигаясь в глубь суши, воздух аккумулирует некоторое количество влаги, и количество осадков опять увеличивается. Пустыни, как правило, расположены за высокими горными хребтами или вдоль тех берегов, где ветры дуют из обширных внутренних сухих районов, а не с океана, например, пустыня Нами в Юго-Западной Африке. Распределение осадков по временам года - крайне важный лимитирующий фактор для организмов. Условия, создающиеся в результате равномерного распределения осадков, совершенно иные, чем при выпадении осадков в течение одного сезона. В этом случае животным и растениям приходится переносить периоды длительной засухи. Как правило, неравномерное распределение осадков по временам года встречается в тропиках и субтропиках, где нередко хорошо выражены влажный и сухой сезоны. В тропическом поясе сезонный ритм влажности регулирует сезонную активность организмов аналогично сезонному ритму тепла и света в условиях умеренного пояса. Роса может представлять собой значительный, а в местах с малым выпадением дождей и очень важный вклад в общее количество осадков. Влажность - параметр, характеризующий содержание водяного пара в воздухе. Абсолютной влажностью называют количество водяного пара в единице объема воздуха. В связи с зависимостью количества пара, удерживаемого воздухом, от температуры и давления, введено понятие относительной влажности - это отношение пара, содержащегося в воздухе, к насыщающему пару при данных температуре и давлении. Так как в природе существуют суточный ритм влажности - повышение ночью и снижение днем, и колебание ее по вертикали и горизонтали, этот фактор наряду со светом и температурой играет важную роль в регулировании активности организмов. Влажность изменяет эффекты высоты температуры. Например, при условиях влажности, близких к критическим, температура оказывает более важное лимитирующее влияние. Аналогично влажность играет более критическую роль, если температура близка к предельным значениям. Крупные водоемы значительно смягчают климат суши, так как для воды характерна большая скрытая теплота парообразования и таяния. Фактически существуют два основных типа климата: континентальный с крайними значениями температуры и влажности и морской, которому свойственны менее резкие колебания, что объясняется смягчающим влиянием крупных водоемов. Доступный живым организмам запас поверхностной воды зависит от количества осадков в данном районе, но эти величины не всегда совпадают. Так, пользуясь подземными источниками, куда вода поступает из других районов, животные и растения могут получать больше воды, чем от поступления ее с осадками. И наоборот, дождевая вода иногда сразу же становится недоступной для организмов. Излучение Солнца представляет собой электромагнитные волны различной длины. Оно совершенно необходимо живой природе, так как является основным внешним источником энергии. Спектр распределения энергии излучения Солнца за пределами земной атмосферы (рис.6) показывает, что около половины солнечной энергии излучается в инфракрасной области, 40 % - в видимой и 10 % - в ультрафиолетовой и рентгеновской областях. Надо иметь в виду то, что спектр электромагнитного излучения Солнца весьма широк (рис. 7) и его частотные диапазоны различным образом воздействуют на живое вещество. Земная атмосфера, включая озоновый слой, селективно, то есть избирательно по частотным диапазонам, поглощает энергию электромагнитного излучения Солнца и до поверхности Земли доходит в основном излучение с длиной волны от 0,3 до 3 мкм. Более длинно и коротковолновое излучение поглощается атмосферой. С увеличением зенитного расстояния Солнца возрастает относительное содержание инфракрасного излучения (от 50 до 72 %). Для живого вещества важны качественные признаки света - длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия. Известно, что животные и растения реагируют на изменение длины волны света. Цветовое зрение распространено в разных группах животных пятнисто: оно хорошо развито у некоторых видов членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но у других видов тех же групп оно может отсутствовать. Интенсивность фотосинтеза варьируется с изменением длины волны света. Например, при прохождении света через воду красная и синяя части спектра отфильтровываются и получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Однако красные водоросли имеют дополнительные пигменты (фикоэритрины), позволяющие им использовать эту энергию и жить на большей глубине, чем зеленые водоросли. И у наземных, и у водных растений фотосинтез связан с интенсивностью света линейной зависимостью до оптимального уровня светового насыщения, за которым во многих случаях следует снижение интенсивности фотосинтеза при высоких интенсивностях прямого солнечного света. У некоторых растений, например у эвкалипта, фотосинтез не ингибируется прямым солнечным светом. В данном случае имеет место компенсация факторов, так как отдельные растения и целые сообщества приспосабливаются к различным интенсивностям света, становясь адаптированными к тени (диатомовые, фитопланктон) или к прямому солнечному свету. Продолжительность светового дня, или фотопериод, является "реле времени" или пусковым механизмом, включающим последовательность физиологических процессов, приводящих к росту, цветению многих растений, линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих и к наступлению диапаузы у насекомых. Некоторые высшие растения цветут при увеличении длины дня (растения длинного дня), другие зацветают при сокращении дня (растения короткого дня). У многих организмов, чувствительных к фотопериоду, настройку биологических часов можно изменить экспериментальным изменением фотопериода. Ионизирующее излучение выбивает электроны из атомов и присоединяет их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов. Его источником служат радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах, кроме того, оно поступает из космоса. Разные виды живых организмов сильно отличаются по своим способностям выдерживать большие дозы радиационного облучения. Например, доза 2 Зв (зивера) – вызывает гибель зародышей некоторых насекомых на стадии дробления, доза 5 Зв приводит к стерильности некоторых видов насекомых, доза 10 Зв абсолютно смертельна для млекопитающих. Как показывают данные большей части исследований, наиболее чувствительны к облучению быстро делящиеся клетки. Воздействие малых доз радиации оценить сложнее, так как они могут вызвать отдаленные генетические и соматические последствия. Например, облучение сосны дозой 0,01 Зв в сутки на протяжении 10 лет вызвало замедление скорости роста, аналогичное однократной дозе 0,6 Зв. Повышение уровня излучения в среде над фоновым приводит к повышению частоты вредных мутаций. У высших растений чувствительность к ионизирующему излучению прямо пропорциональна размеру клеточного ядра, а точнее объему хромосом или содержанию ДНК. У высших животных не обнаружено такой простой зависимости между чувствительностью и строением клеток; для них более важное значение имеет чувствительность отдельных систем органов. Так, млекопитающие очень чувствительны даже к низким дозам радиации вследствие легкой повреждаемости облучением быстро делящейся кроветворной ткани костного мозга. Даже очень низкие уровни хронически действующего ионизирующего излучения могут вызвать в костях и в других чувствительных тканях рост опухолевых клеток, что может проявиться лишь через много лет после облучения. Газовый состав атмосферы также является важным климатическим фактором (рис. 8). Примерно 3-3,5 млрд лет назад атмосфера содержала азот, аммиак, водород, метан и водяной пар, а свободный кислород в ней отсутствовал. Состав атмосферы в значительной степени определялся вулканическими газами. Из-за отсутствия кислорода не существовало озонового экрана, задерживающего ультрафиолетовое излучение Солнца. С течением времени за счет абиотических процессов в атмосфере планеты стал накапливаться кислород, началось формирование озонового слоя. Примерно в середине палеозоя потребление кислорода сравнялось с его образованием, в этот период содержание О2 в атмосфере было близко к современному - около 20 % . Далее, с середины девона, наблюдаются колебания в содержании кислорода. В конце палеозоя произошло заметное, примерно до 5 % современного уровня, снижение содержания кислорода и повышение содержания углекислого газа, приведшие к изменению климата и, по-видимому, послужившие толчком к обильному "автотрофному" цветению, создавшему запасы ископаемого углеводородного топлива. Затем последовало постепенное возвращение к атмосфере с низким содержанием углекислого газа и высоким содержанием кислорода, после чего отношение О2/СО2 остается в состоянии так называемого колебательного стационарного равновесия. В настоящее время атмосфера Земли имеет следующий состав: кислород ~21 %, азот ~78 %, углекислый газ ~0,03 %, инертные газы и примеси ~0,97 % . Интересно, что концентрации кислорода и углекислого газа являются лимитирующими для многих высших растений. У многих растений удается повысить эффективность фотосинтеза, повысив концентрацию углекислого газа, однако малоизвестно, что снижение концентрации кислорода также может приводить к увеличению фотосинтеза. В опытах на бобовых и многих других растениях было показано, что понижение содержания кислорода в воздухе до 5 % повышает интенсивность фотосинтеза на 50 % . Крайне важную роль играет также азот. Это важнейший биогенный элемент, участвующий в образовании белковых структур организмов. Ветер оказывает лимитирующее воздействие на активность и распространение организмов. Ветер способен даже изменять внешний вид растений, особенно в тех местообитаниях, например в альпийских зонах, где лимитирующее воздействие оказывают другие факторы. Экспериментально показано, что в открытых горных местообитаниях ветер лимитирует рост растений: когда построили стену, защищавшую растения от ветра, высота растений увеличилась. Большое значение имеют бури, хотя их действие сугубо локально. Ураганы и обычные ветры способны переносить животных и растения на большие расстояния и тем самым изменять состав сообществ. Атмосферное давление, по-видимому, не является лимитирующим фактором непосредственного действия, однако оно имеет прямое отношение к погоде и климату, которые оказывают непосредственное лимитирующее воздействие. Рассмотрим далее факторы водной среды. Водные условия создают своеобразную среду обитания организмов, отличающуюся от наземной прежде всего плотностью и вязкостью. Плотность воды примерно в 800 раз, а вязкость примерно в 55 раз выше, чем у воздуха. Вместе с плотностью и вязкостью важнейшими физико-химическими свойствами водной среды являются: температурная стратификация, то есть изменение температуры по глубине водного объекта и периодические изменения температуры во времени, а также прозрачность воды, определяющая световой режим под ее поверхностью: от прозрачности зависит фотосинтез зеленых и пурпурных водорослей, фитопланктона, высших растений. Как и в атмосфере, важную роль играет газовый состав водной среды. В водных местообитаниях количество кислорода, углекислого газа и других газов, растворенных в воде и потому доступных организмам, сильно варьируется во времени. В водоемах с высоким содержанием органических веществ кислород является лимитирующим фактором первостепенной важности. Несмотря на лучшую растворимость кислорода в воде по сравнению с азотом, даже в самом благоприятном случае в воде содержится меньше кислорода, чем в воздухе, примерно 1 % по объему. На растворимость влияют температура воды и количество растворенных солей: при понижении температуры растворимость кислорода растет, при повышении солености - снижается. Запас кислорода в воде пополняется благодаря диффузии из воздуха и фотосинтезу водных растений. Кислород диффундирует в воду очень медленно, диффузии способствует ветер и движение воды. Как уже упоминалось, важнейшим фактором, обеспечивающим фотосинтетическую продукцию кислорода, является свет, проникающий в толщу воды. Таким образом, содержание кислорода меняется в воде в зависимости от времени суток, времени года и местоположения. Содержание углекислого газа в воде также может сильно варьироваться, но по своему поведению углекислый газ отличается от кислорода, а его экологическая роль мало изучена. Углекислый газ хорошо растворяется в воде, кроме того, в воду поступает СО2, образующийся при дыхании и разложении, а также из почвы или подземных источников. В отличие от кислорода углекислый газ вступает в реакцию с водой: с образованием угольной кислоты, которая реагирует с известью, образуя карбонаты СО22- и гидрокарбонаты НСО3-. Эти соединения поддерживают концентрацию водородных ионов на уровне, близком к нейтральному значению. Небольшое количество углекислого газа в воде повышает интенсивность фотосинтеза и стимулирует процессы развития многих организмов. Высокая же концентрация углекислого газа является лимитирующим фактором для животных, так как она сопровождается низким содержанием кислорода. Например, при слишком высоком содержании свободного углекислого газа в воде погибают многие рыбы. Кислотность - концентрация водородных ионов (рН) - тесно связана с карбонатной системой. Значение рН изменяется в диапазоне 0 ? рН ? 14: при рН=7 среда нейтральная, при рН<7 - кислая, при рН>7 - щелочная. Если кислотность не приближается к крайним значениям, то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора - толерантность сообщества к диапазону рН весьма значительна. Кислотность может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества. В водах с низким рН содержится мало биогенных элементов, поэтому продуктивность здесь крайне мала. Соленость - содержание карбонатов, сульфатов, хлоридов и т.д. - является еще одним значимым абиотическим фактором в водных объектах. В пресных водах солей мало, из них около 80 % приходится на карбонаты. Содержание минеральных веществ в мировом океане составляет в среднем 35 г/л. Организмы открытого океана обычно стеногалинны, тогда как организмы прибрежных солоноватых вод в общем эвригалинны. Концентрация солей в жидкостях тела и тканях большинства морских организмов изотонична концентрации солей в морской воде, так что здесь не возникает проблем с осморегуляцией. Течение не только сильно влияет на концентрацию газов и питательных веществ, но и прямо действует как лимитирующий фактор. Многие речные растения и животные морфологически и физиологически особым образом приспособлены к сохранению своего положения в потоке: у них есть вполне определенные пределы толерантности к фактору течения. Гидростатическое давление в океане имеет большое значение. С погружением в воду на 10 м давление возрастает на 1 атм (105 Па) . В самой глубокой части океана давление достигает 1000 атм (108 Па) . Многие животные способны переносить резкие колебания давления, особенно, если у них в теле нет свободного воздуха. В противном случае возможно развитие газовой эмболии. Высокие давления, характерные для больших глубин, как правило, угнетают процессы жизнедеятельности. Рассмотрим далее эдафические факторы. Почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных пород земной коры. Русский ученый - естествоиспытатель Василий Васильевич Докучаев в 1870 году первым рассмотрел почву как динамическую, а не инертную среду. Он доказал, что почва постоянно изменяется и развивается, а в ее активной зоне идут химические, физические и биологические процессы. Почва формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. Советский академик почвовед Василий Робертович Вильямс дал еще одно определение почвы - это рыхлый поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений. Рост растений зависит от содержания необходимых питательных веществ в почве и от ее структуры. В состав почвы входят четыре основных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50-60 % общего состава почвы), органическое вещество (до 10 %), воздух (15-25 %) и вода (25-30 %). Минеральный скелет почвы - это неорганический компонент, который образовался из материнской породы в результате ее выветривания. Свыше 50 % минерального состава почвы занимает кремнезем SiO2, от 1 до 25 % приходится на глинозем Al2О3, от 1 до 10 % - на оксиды железа Fe2О3, от 0,1 до 5 % - на оксиды магния, калия, фосфора, кальция. Минеральные элементы, образующие вещество почвенного скелета, различны по размерам: от валунов и камней до песчаных крупинок - частиц диаметром 0,02-2 мм, ила - частиц диаметром 0,002-0,02 мм и мельчайших частиц глины размером менее 0,002 мм в диаметре. Их соотношение определяет механическую структуру почвы. Она имеет большое значение для сельского хозяйства. Глины и суглинки, содержащие примерно равное количество глины и песка, обычно пригодны для роста растений, так как содержат достаточно питательных веществ и способны удерживать влагу. Песчаные почвы быстрее дренируются и теряют питательные вещества из-за выщелачивания, но их выгоднее использовать для получения ранних урожаев, так как их поверхность высыхает весной быстрее, чем у глинистых почв, что приводит к лучшему прогреванию. С увеличением каменистости почвы уменьшается ее способность удерживать воду. Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей и экскрементов. Не полностью разложившиеся органические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения - аморфное вещество, в котором уже невозможно распознать первоначальный материал, - называется гумусом. Благодаря своим физическим и химическим свойствам гумус улучшает структуру почвы и ее аэрацию, а также повышает способность удерживать воду и питательные вещества. Одновременно с процессом гумификации жизненно важные элементы переходят их органических соединений в неорганические, например: азот - в ионы аммония NH4+, фосфор - в ортофосфатионы H2PO4-, сера - в сульфатионы SO42-. Этот процесс называется минерализацией. Почвенный воздух так же как и почвенная вода, находится в порах между частицами почвы. Порозность возрастает от глин к суглинкам и пескам. Между почвой и атмосферой происходит свободный газообмен, в результате чего газовый состав обеих сред имеет сходный состав. Обычно в воздухе почвы из-за дыхания населяющих ее организмов несколько меньше кислорода и больше углекислого газа, чем в атмосферном воздухе. Кислород необходим для корней растений, почвенных животных и организмов-редуцентов, разлагающих органическое вещество на неорганические составляющие. Если идет процесс заболачивания, то почвенный воздух вытесняется водой и условия становятся анаэробными. Почва постепенно становится кислой, так как анаэробные организмы продолжают вырабатывать углекислый газ. Почва, если она небогата основаниями, может стать чрезвычайно кислой, а это наряду с истощением запасов кислорода неблагоприятно воздействует на почвенные микроорганизмы. Длительные анаэробные условия ведут к отмиранию растений. Почвенные частицы удерживают вокруг себя некоторое количество воды, определяющей влажность почвы. Часть ее, называемая гравитационной водой, может свободно просачиваться в глубь почвы. Это ведет к вымыванию из почвы различных минеральных веществ, в том числе азота. Вода может также удерживаться вокруг отдельных коллоидных частиц в виде тонкой прочной связанной пленки. Эту воду называют гигроскопической. Она адсорбируется на поверхности частиц за счет водородных связей. Эта вода наименее доступна для корней растений и именно она последней удерживается в очень сухих почвах. Количество гигроскопической воды зависит от содержания в почве коллоидных частиц, поэтому в глинистых почвах ее намного больше - примерно 15 % массы почвы, чем в песчанистых - примерно 0,5 % . По мере того, как накапливаются слои воды вокруг почвенных частиц, она начинает заполнять сначала узкие поры между этими частицами, а затем распространяется во все более широкие поры. Гигроскопическая вода постепенно переходит в капиллярную, которая удерживается вокруг почвенных частиц силами поверхностного натяжения. Капиллярная вода может подниматься по узким порам и канальцам от уровня грунтовых вод. Растения легко поглощают капиллярную воду, которая играет наибольшую роль в регулярном снабжении их водой. В отличие от гигроскопической влаги эта вода легко испаряется. Тонкоструктурные почвы, например глины, удерживают больше капиллярной воды, чем грубоструктурные, такие, как пески. Вода необходима всем почвенным организмам. Она поступает в живые клетки путем осмоса. Вода также важна как растворитель для питательных веществ и газов, поглощаемых из водного раствора корнями растений. Она принимает участие в разрушении материнской породы, подстилающей почву, и в процессе почвообразовния. Химические свойства почвы зависят от содержания минеральных веществ, которые находятся в ней в виде растворенных ионов. Некоторые ионы являются для растений ядом, другие - жизненно не-обходимы. Концентрация в почве ионов водорода (кислотность) рН>7, то есть в среднем близка к нейтральному значению. Флора таких почв особенно богата видами. Известковые и засоленные почвы имеют рН = 8...9, а торфяные - до 4. На этих почвах развивается специфическая растительность. В почве обитает множество видов растительных и животных организмов, влияющих на ее физико-химические характеристики: бактерии, водоросли, грибы или простейшие одноклеточные, черви и членистоногие. Биомасса их в различных почвах равна (кг/га): бактерий 1000-7000, микроскопических грибов - 100-1000, водорослей 100-300, членистоногих - 1000, червей 350-1000. В почве осуществляются процессы синтеза, биосинтеза, протекают различные химические реакции преобразования веществ, связанные с жизнедеятельностью бактерий. При отсутствии в почве специализированных групп бактерий их роль выполняют почвенные животные, которые переводят крупные растительные остатки в микроскопические частицы и таким образом делают органические вещества доступными для микроорганизмов. Органические вещества вырабатываются растениями при использовании минеральных солей, солнечной энергии и воды. Таким образом, почва теряет минеральные вещества, которые растения взяли из нее. В лесах часть питательных веществ вновь возвращается в почву через листопад. Культурные растения за какой-то период времени изымают из почвы значительно больше биогенных веществ, чем возвращают в нее. Обычно потери питательных веществ восполняются внесением минеральных удобрений, которые в основном прямо не мо-гут быть использованы растениями и должны быть трансформированы микроорганизмами в биологически доступную форму. При отсутствии таких микроорганизмов почва теряет плодородие. Основные биохимические процессы протекают в верхнем слое почвы толщиной до 40 см, так как в нем обитает наибольшее количество микроорганизмов. Одни бактерии участвуют в цикле превращения только одного элемента, другие - в циклах превращения многих элементов. Если бактерии минерализуют органическое вещество - разлагают органическое вещество на неорганические соединения, то простейшие уничтожают избыточное количество бактерий. Дождевые черви, личинки жуков, клещи разрыхляют почву и этим способствуют ее аэрации. Кроме того, они перерабатывают трудно расщепляемые органические вещества. К абиотическим факторам среды обитания живых организмов относятся также факторы рельефа (топография). Влияние топографии тесно связано с другими абиотическими факторами, так как она может сильно сказываться на местном климате и развитии почвы. Главным топографическим фактором является высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастают количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижаются атмосферное давление и концентрации газов. Все эти факторы влияют на растения и животных, обуславливая вертикальную зональность. Горные цепи могут служить климатическими барьерами. Горы служат также барьерами для распространения и миграции организмов и могут играть роль лимитирующего фактора в процессах видообразования. Еще один топографический фактор - экспозиция склона. В северном полушарии склоны, обращенные на юг, получают больше солнечного света, поэтому интенсивность света и температура здесь выше, чем на дне долин и на склонах северной экспозиции. В южном полушарии имеет место обратная ситуация. Важным фактором рельефа является также крутизна склона. Для крутых склонов характерны быстрый дренаж и смывание почв, поэтому здесь почвы маломощные и более сухие. Если уклон превышает 35Ь, почва и растительность обычно не образуются, а создаются осыпи из рыхлого материала. Среди абиотических факторов особого внимания заслуживает огонь или пожар. В настоящее время экологи пришли к однозначному мнению, что пожар надо рассматривать как один из естественных абиотических факторов наряду с климатическими, эдафическими и другими факторами. Пожары как экологический фактор бывают различных типов и оставляют после себя различные последствия. Верховые или дикие пожары, то есть очень интенсивные и не поддающиеся сдерживанию, разрушают всю растительность и всю органику почвы, последствия же низовых пожаров совершенно иные. Верховые пожары оказывают лимитирующее действие на большинство организмов - биотическому сообществу приходится начинать все сначала, с того немногого, что осталось, и должно пройти много лет, пока участок снова станет продуктивным. Низовые пожары, напротив, обладают избирательным действием: для одних организмов они оказываются более лимитирующим, для других - менее лимитирующим фактором и таким образом способствуют развитию организмов с высокой толерантностью к пожарам. Кроме того, небольшие низовые пожары дополняют действие бактерий, разлагая умершие растения и ускоряя превращение минеральных элементов питания в форму, пригодную для использования новыми поколениями растений. Если низовые пожары случаются регулярно раз в несколько лет, на земле остается мало валежника, это снижает вероятность возгорания крон. В лесах, не горевших более 60 лет, накапливается столько горючей подстилки и отмершей древесины, что при ее воспламенении верховой пожар почти неизбежен. Растения выработали специальные адаптации к пожару, так же, как они сделали по отношению к другим абиотическим факторам. В частности, почки злаков и сосен скрыты от огня в глубине пучков листьев или хвоинок. В периодически выгорающих местообитаниях эти виды растений получают преимущества, так как огонь способствует их сохранению, избирательно содействуя их процветанию. Широколиственные же породы лишены защитных приспособлений от огня, он для них губителен. Таким образом, пожары поддерживают устойчивость лишь некоторых экосистем. Листопадным и влажным тропическим лесам, равновесие которых складывалось без влияния огня, даже низовой пожар может причинить большой ущерб, разрушив богатый гумусом верхний горизонт почвы, приведя к эрозии и вымыванию из нее биогенных веществ. Вопрос "жечь или не жечь" непривычен для нас. Последствия выжигания могут быть очень разными в зависимости от времени и интенсивности. По своей неосторожности человек нередко бывает причиной увеличения частоты диких пожаров, поэтому необходимо активно бороться за пожарную безопасность в лесах и зонах отдыха. Частное лицо ни в коем случае не имеет права намеренно или случайно вызывать пожар в природе. Вместе с тем необходимо знать, что использование огня специально обученными людьми является частью правильного землепользования. Для абиотических условий справедливы все рассмотренные законы воздействия экологических факторов на живые организмы. Знание этих законов позволяет ответить на вопрос: почему в разных регионах планеты сформировались разные экосистемы? Основная причина - своеобразие абиотических условий каждого региона. Популяции концентрируются на определенной территории и не могут быть распространены повсюду с одинаковой плотностью, поскольку имеют ограниченный диапазон толерантности по отношению к факторам окружающей среды. Следовательно, для каждого сочетания абиотических факторов характерны свои виды живых организмов. Множество вариантов сочетаний абиотических факторов и приспособленных к ним видов живых организмов обуславливают разнообразие экосистем на планете. 1.1.6. Основные биотические факторы. Ареалы распространения и численность организмов каждого вида ограничиваются не только условиями внешней неживой среды, но и их отношениями с организмами других видов. Непосредственное живое окружение организма составляет его биотическую среду, а факторы этой среды называются биотическими. Представители каждого вида способны существовать в таком окружении, где связи с другими организмами обеспечивают им нормальные условия жизни. Выделяют следующие формы биотических отношений. Если обозначить положительные результаты отношений для организма знаком "+", отрицательные результаты - знаком "-", а отсутствие результатов - "0", то встречающиеся в природе типы взаимоотношений между живыми организмами можно представить в виде табл. 1. Эта схематичная классификация дает общее представление о разнообразии биотических отношений. Рассмотрим характерные особенности отношений различных типов. Конкуренция является в природе наиболее всеохватывающим типом отношений, при котором две популяции или две особи в борьбе за необходимые для жизни условия воздействуют друг на друга отрицательно. Конкуренция может быть внутривидовой и межвидовой. Внутривидовая борьба происходит между особями одного и того же вида, межвидовая конкуренция имеет место между особями разных видов. Конкурентное взаимодействие может касаться: • жизненного пространства, • пищи или биогенных элементов, • света, • места укрытия и многих других жизненно важных факторов. Преимущества в конкурентной борьбе достигаются видами различными способами. При одинаковом доступе к ресурсу общего пользования один вид может иметь преимущество перед другим за счет: • более интенсивного размножения, • потребления большего количества пищи или солнечной энергии, • способности лучше защитить себя, • адаптироваться к более широкому диапазону температур, освещенности или концентрации определенных вредных веществ. Межвидовая конкуренция, независимо от того, что лежит в ее основе, может привести либо к установлению равновесия между двумя видами, либо к замене популяции одного вида популяцией другого, либо к тому, что один вид вытеснит другой в иное место или же заставит его перейти на использование иных ресурсов. Установлено, что два одинаковых в экологическом отношении и потребностях вида не могут сосуществовать в одном месте и рано или поздно один конкурент вытесняет другого. Это так называемый принцип исключения или принцип Гаузе. Популяции некоторых видов живых организмов избегают или снижают конкуренцию переселением в другой регион с приемлемыми для себя условиями либо переходом на более труднодоступную или трудноусваиваемую пищу, либо сменой времени или места добычи корма. Так, например, ястребы питаются днем, совы - ночью; львы охотятся на более крупных животных, а леопарды - на более мелких; для тропических лесов характерна сложившаяся стратификация животных и птиц по ярусам. Из принципа Гаузе следует, что каждый вид в природе занимает определенное своеобразное место. Оно определяется положением вида в пространстве, выполняемыми им функциями в сообществе и его отношением к абиотическим условиям существования. Место, занимаемое видом или организмом в экосистеме, называется экологической нишей. Образно говоря, если местообитание - это как бы адрес организмов данного вида, то экологическая ниша - это профессия, роль организма в месте его обитания. Вид занимает свою экологическую нишу, чтобы выполнять отвоеванную им у других видов функцию только ему присущим способом, осваивая таким образом среду обитания и в то же время формируя ее. Природа очень экономна: даже два вида, занимающих одну и ту же экологическую нишу, не могут устойчиво существовать. В конкурентной борьбе один вид вытеснит другой. Экологическая ниша как функциональное место вида в системе жизни не может долго пустовать - об этом говорит правило обязательного заполнения экологических ниш: пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена. Экологическая ниша как функциональное место вида в экосистеме позволяет форме, способной выработать новые приспособления, заполнить эту нишу, однако иногда это требует значительного времени. Нередко кажущиеся специалисту пустующие экологические ниши - лишь обман. Поэтому человек должен быть предельно осторожен с выводами о возможности заполнения этих ниш путем акклиматизации (интродукции). Акклиматизация - это комплекс мероприятий по вселению вида в новые места обитания, проводимый в целях обогащения естественных или искусственных сообществ полезными для человека организмами. Расцвет акклиматизаторства пришелся на двадцатые - сороковые годы двадцатого столетия. Однако по прошествии времени стало очевидно, что либо опыты акклиматизации видов были безуспешны, либо, что хуже, принесли весьма негативные плоды - виды стали вредителями или распространяли опасные заболевания. Например, с акклиматизированной в европейской части дальневосточной пчелой были занесены клещи, явившиеся возбудителями заболевания варроатоза, погубившего большое число пчелосемей. Иначе и не могло быть: помещенные в чужую экосистему с фактически занятой экологической нишей новые виды вытесняли тех, кто уже выполнял аналогичную работу. Новые виды не соответствовали нуждам экосистемы, иногда не имели врагов и поэтому могли бурно размножаться. Классическим примером тому является интродукция кроликов в Австралию. В 1859 году в Австралию из Англии для спортивной охоты завезли кроликов. Природные условия оказались для них благоприятными, а местные хищники - динго - не опасными, так как бегали недостаточно быстро. В результате кролики расплодились настолько, что на обширных территориях уничтожили растительность пастбищ. В некоторых случаях введение в экосистему естественного врага заносного вредителя приносило успех в борьбе с последним, но здесь не все так просто, как кажется на первый взгляд. Завезенный враг совершенно необязательно сосредоточится на истреблении своей привычной добычи. Например, лисы, интродуцированные в Австралию для уничтожения кроликов, нашли в изобилии более легкую добычу - местных сумчатых, не доставляя запланированной жертве особых хлопот. Конкурентные отношения отчетливо наблюдаются не только на межвидовом, но и на внутривидовом (популяционном) уровне. При росте популяции, когда численность ее особей приближается к насыщению, вступают в действие внутренние физиологические механизмы регуляции: возрастает смертность, снижается плодовитость, возникают стрессовые ситуации, драки. Изучением этих вопросов занимается популяционная экология. Конкурентные отношения являются одним из важнейших механизмов формирования видового состава сообществ, пространственного распределения видов популяций и регуляции их численности. Поскольку в структуре экосистемы преобладают пищевые взаимодействия, наиболее характерной формой взаимодействия видов в трофических цепях является хищничество, при котором особь одного вида, называемая хищником, питается организмами (или частями организмов) другого вида, называемого жертвой, причем хищник живет отдельно от жертвы. В таких случаях говорят, что два вида вовлечены в отношения хищник - жертва. Виды-жертвы выработали целый ряд защитных механизмов, чтобы не стать легкой добычей для хищника: умение быстро бегать или летать, выделение химических веществ с запахом, отпугивающим хищника или даже отравляющим его, обладание толстой кожей или панцирем, защитной окраской или способностью изменять цвет. У хищников тоже есть несколько способов добычи жертвы. Плотоядные, в отличие от травоядных, обычно вынуждены преследовать и догонять свою жертву (сравните, например, растительноядных слонов, бегемотов, коров с плотоядными гепардами, пантерами и т.п.). Одни хищники вынуждены быстро бегать, другие достигают своей цели, охотясь стаями, третьи отлавливают преимущественно больных, раненых и неполноценных особей. Другой путь обеспечения себя животной пищей - это путь, по которому пошел человек, - изобретение орудий лова и одомашнивание животных. Еще один тип взаимодействия видов - паразитизм. Паразиты питаются за счет другого организма, называемого хозяином, однако в отличие от хищников они живут на хозяине или внутри его организма на протяжении значительной части их жизненного цикла. Паразит использует для своей жизнедеятельности питательные вещества хозяина, тем самым постоянно ослабляя, а нередко убивая его. Отметим, что когда два вида связаны отношениями паразитизма или хищничества, разрушительный эффект оказывается в общем небольшим в случае, когда популяции развивались вместе в стабильной в течение длительного времени среде. Однако действие окажется совершенно разрушительным, приводящим к полному исчезновению хозяина или жертвы, если два вида стали контактировать недавно или резко изменилась среда обитания. Например, распахивая и возделывая новые территории, а также сознательно или бессознательно перевозя организмы на большие расстояния, человек оказался главной причиной исчезновения многих видов. От паразитизма отличается аменсализм, при котором один вид причиняет вред другому, не извлекая при этом для себя никакой пользы. Чаще всего это те случаи, когда причиняемый вред заключается в изменении среды. Так поступает человек, разрушая и загрязняя окружающую среду. Симбиоз - это длительное, неразделимое и взаимовыгодное отношение двух или более видов организмов. Например, жвачные животные - коровы, олени - переваривают клетчатку с помощью бактерий. Стоит только удалить этих симбионтов, и животные погибнут от голода. Другим вариантом положительных отношений между двумя видами является комменсализм. Извлекая из хозяина значительную пользу (пища, убежище), виды-комменсалы не приносят ему никакой выгоды или заметного вреда. Например, многочисленные виды насекомых встречаются исключительно в муравейниках, норах грызунов, гнездах птиц, используя их как местообитание с более благоприятным микроклиматом. Нейтрализм - это такой тип отношений, при котором ни одна из популяций не оказывает на другую никакого влияния: никак не сказывается на росте его популяций, находящихся в равновесии, и на их плотности. В действительности бывает, однако, довольно трудно при помощи наблюдений и экспериментов в природных условиях убедиться, что два вида абсолютно независимы один от другого. Обобщая рассмотрение форм биотических отношений, можно сделать следующие выводы: 1) отношения между живыми организмами являются одним из основных регуляторов численности и пространственного распределения организмов в природе; 2) негативные взаимодействия между организмами проявляются на начальных стадиях развития сообщества или в нарушенных природных условиях; в недавно сформировавшихся или новых ассоциациях вероятность возникновения сильных отрицательных взаимодействий больше, чем в старых ассоциациях; 3) в процессе эволюции и развития экосистем обнаруживается тенденция к уменьшению роли отрицательных взаимодействий за счет положительных, повышающих выживание взаимодействующих видов. Иногда животных, например, многих насекомых, поедающих растения, а также паразитов, хищников рассматривают в качестве естественных врагов тех организмов, за счет которых они существуют. Такой подход в принципе неверен. Паразиты и хищники, зоофаги и фитофаги являются факторами среды по отношению к своим хозяевам, жертвам и т.п. Следовательно, с общеэкологических позиций все они необходимы друг другу. В естественных условиях ни один вид не стремится и не может привести к уничтожению другого. Более того, исчезновение какого-либо естественного "врага" из экологической системы может привести к вымиранию того вида, на котором развивается этот "враг". Все эти обстоятельства человек должен учитывать при проведении мероприятий по управлению экологическими системами и отдельными популяциями с целью использования их в своих интересах, а также предвидеть косвенные последствия, которые могут при этом иметь место. 1.1.7. ??? Антропогенный фактор. 1.3. Тема Среды жизни. Приспособление организмов к среде жизни 1.1.1. Среды обитания и их влияние на живые организмы На нашей планете существуют 4 среды жизни: 1. Водная 2. Воздушно – наземная 3. Почвенная 4. Организменная 3 из них соответствуют минеральным оболочкам Земли: литосфере, атмосфере и гидросфере. Водная среда была первой средой, в которой возникла жизнь. Затем произошло заселение наземно-воздушной среды, появились растения и животные, имеющие адаптации к новым условиям жизни. Функционирование живого вещества на суше привело к постепенному преобразованию поверхностного слоя литосферы в почву. Четвертой средой жизни стали сами организмы, каждый из которых является целым миром для населяющих его симбионтов и паразитов. 1.1.2. Наземно – воздушная среда жизни и ее особенности. Адаптации организмов к обитанию в наземно-воздушной среде 1.Воздушно – наземная среда – характеризуется непостоянством действия факторов. Ярко выражены климатические факторы: лучистая E; t ; влажность; воздух; свет. Температура – этот фактор первичный, периодический. Выработались четкие адаптации у организмов. По отношению к температуре организмы относятся: • термофиллы (теплолюбиваые) • креофиллы (организмы умеренных и северных широт) Для температуры характерны суточные и сезонные колебания. Он важнейший для существования растительных и животных организмов. Температура на растения оказывает больше влияния , чем на животных, т.к. они не подвижны. Пшеница сохраняет способность к выживанию от 0 и до + 42С; тыква от +14 до +46С; водоросли красного снега от –30 до +4С; водоросли горячих источников от +70 до +90С. В процессе эволюции вырабатываются адаптации: • процесс транспирации, который идет с поглощением Q и охраняет организм от ожогов • не поглощение хлорофилом солнечных лучей • у растений в плазме накапливаются соли и органические соединения, которые способствуют не свертываемости плазмы. Адаптация к холоду – обезвоживание плазмы клеток, накопление плазмы и жиров в плазме. По отношению к температуре выделяют экологические группы растений: По отношению к низким температурам: • нехолодостойкие – гибнут при низких положительных температурах (водоросли теплых морей) • неморозостойкие – переносят низкие температуры, но если образуется лед в клетках, то гибнут (вечнозеленые тропические виды) • морозоустойчивые, льдоустойчивые растения проходят закалку По отношению к высоким температурам: • нежаростойкие; t= +30 до 40С, гибнут водные цветковые • жаровыносливые - растения сухих мест обитания: степи, пустыни, саванны – до +50 - +60С • жароустойчивые – организмы горячих источников: +80 - +95С Пирофиты – негорящие, способны перенести пожар, в пустыни. Температура и животные Животные менее зависимы от температуры т.к. подвижны. Большинство животных термофилы Н: рыбка циприподон пятнистый – до +52С; бабочки, жуки в пустыне – до +50С; рептилии, птицы, пингвины в Антарктике до – 70С; ногохвостки или снежные блохи от +50 до -70С Анатомо-морфологические приспособленности: Запасание жира, масла, гликогена Например, у тюлений и моржей до 40% веса запас жира вокруг желудка у сибирского и у монгольского скота. Адаптации которые выражены в правилах В. Бергмана и Д. Аллена Правило Бергмана отражает закономерность: крупные виды теплокровных животных живут в наиболее холодных климатах; мелкие в теплом климате. Например, Пингвины королевские (1,5 м) – Антарктика – самые маленькие Галапогосские острова (у тропиков) Белый медведь – Антарктика; бамбуковый медведь – тропик. При большой массе тела не велико выделяется меньше; у маленьких животных выделяется больше. Из этого правила вытекает следствие Аллена в которой отражается закономерность, выражающаяся в уменьшении выступающих частей тела у жителей холодного климата удлинения этих частей у жителей теплого климата. Например, заяц беляк – уши короткие русак – наш степной – уши длинные Животным свойственны спячки и миграции в странах с неблагоприятным климатом Два типа спячек: 1. Летние , в связи с высокими температурами и влажностью (степи , пустыни) грызуны, личинки стрекоз, яйца комаров 2. Зимние, в связи с низкими температурами и отсутствием пищи: медведь, барсук, енотовидная собака, почвенные животные. (у растений те же причины зимней спячки) Миграции – сложные адаптации на уровне физиологии и поведения Например, американский северный олень – ежегодно путешествует до 800км; Синий кит – 500км; Летучие мыши (наши) в Белоруссию. Причина отсутствие пищи Поведенческие адаптации: изготовление гнёзд, убежищ, логова. - как адаптации к низким температурам игры у детенышей крупных животных - так согреваются У животных неблагоприятного климата смена питания по сезонам Например, дрозд – летом – насекомоядное зимой – рябина Щеглы, чижи, чечётки – летом – насекомоядное зимой – семена пища, содержащая больше калорий У животных холодного климата рацион наиболее разнообразный 1.1.3. Водная среда жизни. Адаптации организмов к водной среде Общая характеристика. Водной средой называют такую среду, в которой вода играет важную роль, как наружная среда. Вода занимает приблизительно 71% поверхность земного шара. Более 98 % - солёная вода, 1.2% - льды полярных областей. ~0,45% реки, озера, болота, родники, подземная пресная вода и т.д. В океана различают 2 экологические области: • пелагиаль – толщу воды; • бенталь – дно, которая в свою очередь в зависимости от глубины делится на: – сублиторальную зону – зона шельфа или материковой отмели, область плавного понижения суши до 200 – 500 м.; – батиальную зону – область крутого склона до глубины 3 км.; – абиссальную зону – океаническое ложе со средней глубиной – 3-6 км; – ультраабиссаль – океанические впадины, 6 – 10 км; – талассобатиаль – склоны океанических гор, вулканов, Кромка берега, заливаемая в период приливов называется литоралью. Часть берега выше уровня прилива, увлажняемая брызгами прибоя и штормами называется супралиторалью. Пелагиаль подразделяется на: – эпипелагиаль – область воды до глубины до 200м.; – мезопелагиаль – область воды от глубины 200м до глубины до 1 км.; – батипелагиаль – область воды глубиной от 1 до 2-3 км.; – абиссопелагиаль – область воды от 3 до 6 км; – ультраабиссаль – глубоководные впадины. В воде обитают примерно 150000 видов животных – около 7% от известных ныне и 10000 видов растений – 8%. Наибольшее разнообразие видов в тропических, субтропических морях на глубине не превышающей 200 – 500 м. Характерными чертами водной среды обитания является следующие. • Подвижность воды: приливы и отливы, морские течения, движение волн и др.; • Плотность среды и ее вязкость. Плотность воды в 800 раз больше плотности воздушной среды. Пресная вода обладает максимальной плотностью при 4оС. В среднем в водной толще на каждые 10м глубины давление возрастает на 1 атмосферу. Плотность воды обеспечивает возможность живым организмам опираться на нее, что особенно важно для бесскелетных форм. Опорность воды служит условием парения в воде; • Наличие поверхностного натяжения в результате которого образуется тонкая пленка – результат притягивания молекул жидкости. Этим пользуются для передвижения водные беспозвоночные (водомерки, вертячки), скользящие по водной поверхности лишь прогибая воду, образуя вогнутый мениск; • Температурный фактор – отличается меньшим притоком тепла, относительно постоянен, обитатели воды – стенотермы, очень опасно тепловое загрязнение. Часть тепловой энергии, поступающей на поверхность воды, отражается, часть идет на испарение. В озерах и прудах в зависимости от температуры выделяют три слоя воды: – верхний – эпилимнион, температура которого испытывает резкие сезонные и суточные колебания; – средний, металимнион, слой температурного скачка, где отмечается резкий перепад температур; глубоководный (придонный) – гиполимнион, где температура в течение всего года изменяется незначительно. Летом наиболее теплые слои располагаются у поверхности, холодные – на глубине – прямая стратификация. Зимой наоборот – обратная стратификация. Период относительно постоянного температурного состояния водной среды зимой и летом носит название стагнация (летняя и зимняя). Термическая стратификация характерна и для морской среды, где также выделяют 3 слоя: – поверхностный, до глубины 400 метров (морская термосфера); – промежуточный (постоянный термоклин), до глубины 1500 м. – глубоководный, с температурой 1-3оС. Исключение составляют термальные источники с температурой до 100 оС. Термодинамические особенности среды, такие как высокая удельная теплоемкость, большая теплопроводность и расширение при замерзании (при этом лед образуется только сверху, а основная масса воды не промерзает) создают благоприятные условия для живых организмов. • Кислотность среды важный фактор, нередко сказывающийся на распределении организмов. В пресных водоемах кислотность нередко испытывает значительные колебания в течение суток. Морская вода более щелочная и ее колебания менее значимы. С глубиной РН уменьшается. Водоемы с РН 3,7 – 4, 7 – кислые, 6,95 – 7,3 – нейтральные, более 7,8 – щелочные. Большинство пресноводных рыб выдерживают РН от 5 до 9. • Световой режим и прозрачность воды зависят от общего количества солнечного света, падающего на водную поверхность. Часть его отражается, часть поглощается толщей воды. С глубиной изменяется спектральный состав воды, поскольку волны разной длинны по разному поглощаются водой. Первыми исчезают красные лучи, затем зеленые, синие. Растения приспосоабливаются к этому вырабатывая специальные пигменты: фикофеинф, фукоксантины, фикоэритрины и др., т.е. происходит хроматическая ааптация. Для водных растений и частично погруженных характерна гетерофилия, т.е. различие строения надводных и подводных органов у одного растения. Например, стрелолист, лютик водный разнолистный, кувшинки, кубышки, поручейник. Поглощение света в воде тем сильнее, чем меньше ее прозрачность. Прозрачность воды в свою очередь обусловлена наличием в ней частиц минеральных веществ (глина, ил). Уменьшается прозрачность воды при бурном разрастании водной растительности в летний период или при массовом размножении мелких организмов, находящихся в поверхностных слоях во взвешенном состоянии. Самые прозрачные воды в Саргассовом море – 66, 5 м, а прозрачность Сырдарьи и Амударьи – несколько см. • Солевой режим формируется под влиянием естественно-исторических и геологических условий, а также при антропогенном воздействии. Определяется содержанием солей в воде, выражается в г/л или в промилле О/ОО. По общей минерализации воды подразделяются на: – пресные – до 1 г/л; – солоноватые – 1 – 25 г/л; – морской солености – 26 – 50 г/л; – рассолы – более 50 г/л. Наиболее важными из растворенных веществ являются карбонаты, сульфаты, хлориды. Среди катионов – кальций, магний, натрий, калий. В зависимости от содержания ионов кальция в пресной воде, воды подразделяют на мягкие (менее 9мг на 1 литр) и жесткие (более 25 мг. На литр). Соленость является ограничивающим фактором. • Газовый режим определяется в первую очередь концентрациями кислорода и углекислого газа. Кроме них в воде имеются сероводород, метан и др. Кислород поступает в воду из воздуха и выделяется растениями в процессе фотосинтеза. Содержание кислорода обратно пропорционально температуре: при повышении температуры содержание кислорода в воде уменьшается. Наиболее богаты кислородом холодные, подвижные воды водопадов, горных рек. Содержание кислорода в воде – лимитирующий фактор. Например, заморы рыб зимой. Среди животных встречаются как эвриоксибионты, так и стенооксибионты. Многие виды живых организмов способны при недостатке кислорода впадать в неактивное состояние аноксибиоз. Дыхание гидробионтов осуществляется как через всю поверхность тела, так и через специализированные органы: жабры, легкие, трахеи. У некоторых встречаются комбинированные органы дыхания, например у двоякодышащих рыб. Вторичноводные животные сохраняют обычно атмосферный тип дыхания, как энергетически более выгодный, и поэтому нуждаются в контактах с воздушной средой. Углекислый газ поступает в воду в результате растворения из воздуха, в результате дыхания гидробионтов, разложения органических остатков, высвобождения из карбонатов. Он лучше растворяется в воде, чем кислород. Содержание углекислого газа в воде в 700 раз больше, чем в воздухе.. Морская вода – главный резервуар углекислого газа на планете. Углекислый газ принимает участие в формировании известковых скелетных образований беспозвоночных животных, обеспечивает фотосинтез водных растений. • Относительное постоянство факторов, и как следствие большое количество стенобионтных видов; Экологические группы гидробионтов. В водной среде обитания выделяют 3 экологических группы организмов: • Нектон – совокупность свободноплавающих животных, не имеющих связи с дном водоема – рыбы, кальмары, китообразные. Представлен крупными животными, которые способны пересекать большие расстояния и преодолевать сопротивление воды. Имеют обтекаемую форму тела и хорошо развитые органы движения. Скорость передвижения кальмаров – 50 км/ч, парусники – 100-150 км/ч, меч-рыба – 130 кмч. • Планктон – совокупность пелагических организмов, которые не обладают способностью к активному передвижению. Как правило это мелкие животные, которые переносятся течениями. Планктон подразделяется на зоопланктон, фитопланктон, водные бактерии. • Нейстон – организмы, населяющие поверхностную пленку воды на границе с воздушной средой. Как правило, это организмы в личиночной стадии развития. Взрослея они покидают поверхностный слой, служащий убежищем и перемещаются жить в другие слои. К гипонейстону относят крупных беспозвоночных, личинки и мальки рыб. • Плейстон – организмы, часть которых расположена над поверхностью, а часть в воде. Например, ряска. • Бентос – совокупность организмов, обитающих на дне водоема, в грунте: фитобентос, зообентос. Особой группой водных организмов являются глубоководные животные. Они как правило незрячи или имеют телескопические глаза, усиленно развиты осязательные рецепторы, окрашены в красный цвет или бесцветны, не имеют плавательного пузыря, как правило имеют причудливую форму, большие рты, светящиеся органы, растягивающиеся животы, все, что способствует поглощению пищи в темноте. Их разнообразие связано со стабильностью экосистем в течение длительного исторического времени, что позволило сохраниться древним видам. Еще одна специфическая водная экосистема образуется у черных курильщиков, где температура растворов гидротерм достигает 350оС. Там отмечено обилие хемо-лито-автотрофных бактерий, «заросли» животных вестимминифер, гигантские крабы, моллюски. По подвижности все гидробионты подразделяются на: • Малоподвижные; • Неподвижные; • Подвижные. По способу питания подразделяются на: • Автотрофы; • Гетеротрофы. По размерам на: • Микро; • Макро; • Мезо. Особенности адаптации растений к водной среде. • Слабое развитие проводящей ткани, т.к. воду и минеральные вещества растение поглощает всей поверхностью тела. • Слабое развитие корневой системы, которая служит только для прикрепления к субстрату. У водорослей корней нет, есть ризоиды. У некоторых имеются корневища, в которых запасаются питательные вещества. Так же они служат для вегетативного размножения. • Слабое развитие механических тканей, из-за высокой плотности среды, поддерживающей побег или слоевище. • Наличие придатков, увеличивающих плавучесть. • Наличие воздухоносной паренхимы, увеличивающей плавучесть и запасающей газы для дыхания и фотосинтеза. • Большая поверхность листьев при малом объеме растения – приспособление к улучшению газообмена при недостатке кислорода. • Разнолистность (гетерофилия) – сальвиния плавающая, чилим. Погруженные в воду – минеральное питание, поверхностные фотосинтез. • Листья, погруженные в воду – тонкие, хлорофилл расположен в клетках эпидермиса – приспособление к фотосинтезу при слабом освещении. • Наличие слизи и толстостенных клеток эндодермы – защита от вымывания минеральных солей. • Интенсивное размножение вегетативным путем из за затруднения переноса пыльцы и низкой температуры воды, неблаготворно действующей на генеративные органы растения. При размножении половым путем цветоносы часто выносятся в воздушную среду. • Пыльца, семена, плоды распространяются течениями – гидрохория. Часто они имеют полости, заполненные воздухом, выросты, обеспечивающие плавучесть. Особенности адаптации животных к водной среде. У нектона и планктона – приспособления, увеличивающие плавучесть, у бентоса – приспособления к донному образу жизни. Анатомо-морфологические: • У мелких форм, живущих в толще воды – редукция скелета, образование полостей в скелетных образованиях, раковинах (радиолярии, ризоподы). • Наличие большого количества воды в тканях – медузы. • Скопление капелек жира в теле (ночесветки, радиолярии), крупные скопления жира – ракообразные, рыбы, китообразные. • Наличие плавательных пузырей, наполненных газом у рыб. • Развитие воздухоносных полостей. • Увеличение площади поверхности тела у планктона. • Расположение дыхательного отверстия. Например, у дельфинов в теменной части головы, что позволяет сделать вдох не замедляя движения. • Использование поверхностного натяжения воды для движения – водомерки, жуки-вертячки. • Активное плавание при помощи ресничек (инфузория туфелька, инфузория- трубач), жгутиков (эвглена зеленая), изгибания тела (миноги, миксины, угорь), реактивным способом за счет энергии выбрасываемой струи (головоногие моллюски, наутилус), перемещение при помощи ложноножек (саркодовые), специализированных плавательных конечностей (плавники рыб, ласты млекопитающих). • Обтекаемая форма тела у активно плавающих. • Покрытие тела слизью, уменьшающей трение. • Некоторые рыбы способны к полету (летучая рыба, клинобрюшка) на расстояние до 400 м. • Только в водной среде встречаются неподвижные, ведущие прикрепленный образ жизни животные: гидроиды, коралловые полипы, морские лилии, двустворчатые моллюски и др. У них разветвленная форма тела, хорошо развитые жабры, незначительная плавучесть. • У глубоководных специфические черты, о которых говорилось ранее. • Приспособления формы тела, маскирующие под предметы окружающей среды (рыба-игла, морской конек, рыба-лист, скорпеновые). • Наличие срединной линии у рыб – орган, специализированный для водной среды. Физиологические. • Сложный механизм водно-солевого обмена. Наличие специальных органов для удаления избытка воды: пульсирующие вакуоли, органы выделения. • Удаление солей у морских организмов через жаберные лепестки. • Ротовой аппарат цедильного типа (кишечнополостные, моллюски, ланцетник, иглокожие, ракообразные). Выполняют важную роль в очистке водоемов. • Способность улавливать звуки (до ультразвука). Способность к эхолокации. • Способность к генерированию электричества (электрический скат, электрический угорь). • Наличие развитых хеморецепторов. Поведенческие. • Вертикальные перемещения (суточные, для нереста, охоты). • Горизонтальные перемещения (нерестовые, зимовальные, нагульные). • Способность к строительству (паук-серебрянка, осьминоги, личинка ручейника). • Специфическое поведение жителей пересыхающих водоемов, способных переносить длительные периоды без воды в состоянии гипобиоза (пониженной жизнедеятельности). 1.1.4. Почвенная среда жизни. Почвенные организмы. Общая характеристика. Почва - является продуктом жизнедеятельности организмов, включая и микроорганизмы, как современных, так и принадлежащих "былым биосферам". Почва - важнейший компонент любой экологической системы суши, на базе которого происходит развитие растительных сообществ, в свою очередь составляющих основу пищевых цепей всех остальных организмов, образующих экологические системы Земли, ее биосферу. Люди не составляют здесь исключения: благополучие любого человеческого общества определяется наличием и состоянием земельных ресурсов, плодородием почв. Между тем, за историческое время на нашей планете было утрачено до 20 млн. км2 земель сельскохозяйственного назначения. На каждого жителя Земли нынче приходится в среднем всего 0,35-0,37 га, тогда как в 70-х годах эта величина составляла 0,45-0,50 га. Если современная ситуация не изменится, то через столетие, при таких темпах потерь, общая площадь угодий, пригодных для земледелия сократится с 3,2 до 1 млрд. га. В.В. Докучаевым было выявлено 5 главных почвообразующих факторов: • климат; • материнская порода (геологическая основа); • топография (рельеф); • живые организмы; • время. В настоящее время еще одним фактором почвообразования можно назвать деятельности человека. Почвообразование начинается с первичной сукцессии, проявляющейся в физическом и химическом выветривании, ведущем к разрыхлению с поверхности материнских горных пород, таких как базальты, гнейсы, граниты, известняки, песчаники, сланцы. Этот слой выветривания постепенно заселяется микроорганизмами и лишайниками, которые преобразуют субстрат и обогащают его органическими веществами. В результате деятельности лишайников в первичной почве накапливаются важнейшие элементы питания растений, такие как фосфор, кальций, калий и другие. На этой первичной почве теперь могут поселиться растения и сформировать растительные сообщества, определяющие лицо биогеоценоза. Постепенно в процесс почвообразования вовлекаются более глубокие слои земли. Поэтому большинство почв имеет более или менее выраженный слоистый профиль, разделяемый на почвенные горизонты. В почве поселяется комплекс почвенных организмов - эдафон: бактерии, грибы, насекомые, черви и роющие животные. Эдафон и растения участвуют в образовании почвенного детрита, который через свой организм пропускают детритофаги - черви и личинки насекомых. Например, дождевые черви на гектаре земли за год перерабатывают около 50 т почвы. При разложении растительного детрита образуются гуминовые вещества - слабые органические гуминовые и фульвокислоты - основа почвенного гумуса. Его содержание обеспечивает структурность почвы и доступность растениям минеральных элементов питания. Мощность богатого гумусом слоя определяет плодородие почвы. В состав почвы входят 4 важных структурных компонента: • минеральная основа (50-60% общего состава почвы); • органическое вещество (до 10%); • воздух (15-20%); • вода (25-35%). Минеральная основа – неорганический компонент, образовавшийся из материнской породы в результате ее выветривания. Минеральные фрагменты различны по размерам (от валунов до песчинок и мельчайших частиц глины). Это скелетный материал почвы. Его разделяют на коллоидные частицы (меньше 1 мкм), мелкий грунт (меньше 2 мм) и крупные фрагменты. Механические и химические свойства почвы определяются мелкими частицами. Структура почвы определяется относительным содержанием в ней песка и глины. Наиболее благоприятна для роста растений почва, содержащая песок и глину в равном количестве. В почве, как правило, выделяют 3 основных горизонта, различающихся по механическим и химическим свойствам: • Верхний перегнойно-аккумулятивный горизонт (А), в котором накапливается и преобразуется органическое вещество и из которого промывными водами часть соединений выносится вниз. • Горизонт вымывания или иллювиальный (В), где оседают и преобразуются вымытые сверху вещества. • Материнскую породу или горизонт (С), материал, который преобразуется в почву. В пределах каждого слоя выделяют более дробные горизонты, различающиеся по своим свойствам. Основными свойствами почвы как экологической среды являются ее физическая структура, механический и химический состав, кислотность, окислительно-восстановительные условия, содержание органических веществ, аэрация, влагоемкость и увлажненность. Различные сочетания этих свойств образуют множество разновидностей почв. На Земле по распространенности ведущее положение занимают пять типологических групп почв: 1. почвы влажных тропиков и субтропиков, преимущественно красноземы и желтоземы, характеризующиеся богатством минерального состава и большой подвижностью органики; 2. плодородные почвы саванн и степей - черноземы, каштановые и коричневые почвы с мощным гумусовым слоем; 3. скудные и крайне неустойчивые почвы пустынь и полупустынь, относящиеся к различным климатическим зонам; 4. относительно бедные почвы лесов умеренного пояса - подзолистые, дерново-подзолистые, бурые и серые лесные почвы; 5. мерзлотные почвы, обычно маломощные, подзолистые, болотные, глеевые, обедненные минеральными солями со слабо развитым гумусовым слоем. По берегам рек встречаются пойменные почвы; Отдельной группой стоят засоленные почвы: солончаки, солонцы,и т.д. на которые приходится 25 % почв. Солончаки – почвы постоянно сильно увлажненные солеными водами вплоть до поверхности, например, вокруг горько-соленых озер. Летом поверхность солончаков высыхает, покрываясь коркой соли. Солонцы – с поверхность не засолены, верхний слой выщелоченный, бесструктурный. Нижние горизонты уплотнены, насыщены ионами натрия, при высыхании растрескиваются на столбы, глыбы. Водный режим нестабильный – весной – застаивание влаги, летом – сильное пересыхание. Солончаковые Соланчаковатые солонцы Солонцеватые почвы (слабо засоленные) Органическое вещество почвы. Каждому типу почв соответствует определенный растительный, животный мир и совокупность бактерий – эдафон. Отмирающие или отмершие организмы накапливаются на поверхности и внутри почвы, образуя органическое вещество почвы, называемое гумусом. Процесс гумификации начинается с разрушения и измельчения органической массы позвоночными животными, а затем преобразуется грибами и бактериями. К таким животным относятся фитофаги, питающиеся тканями живых растений, сапрофаги, потребляющие мертвые вещества растений, некрофаги, питающиеся трупами животных, копрофаги, уничтожающие экскременты животных. Все они составляют сложную систему, получившую название сапрофильного комплекса животных. Гумус различается по виду, форме и характеру составляющих его элементов, которые подразделяются на гуминовые и негуминовые вещества. Негуминовые вещества образуются из соединений, входящих в ткани растений и животных, например, белков и углеводов. При разложении данных веществ выделяется углекислый газ, вода, аммиак. Энергия, образующаяся при этом используется почвенными организмами. При этом происходит полная минерализация элементов питания. Гуминовые вещества в результате жизнедеятельности микроорганизмов перерабатываются в новые, обычно высокомолекулярные соединения – гуминовые кислоты или фульвокислоты. Гумус подразделяется на питательный, который легко перерабатывается и служит источником питания микроорганизмов и устойчивый, который выполняет физические и химические функции, контролируя баланс питательного вещества, количество воды и воздуха в почве. Гумус плотно склеивает минеральные частицы почвы, улучшая ее структуру. Структура почв также зависит от количества соединений кальция. Выделяют следующие структуры почвы: • мучнистую, • пороховатую, • зернистую, • ореховатую, • комковатую, • глинистую. Темный цвет гумуса способствует лучшему прогреванию почвы, а его высокая влагоемкость – удержанию воды почвой. Главное свойство почвы – ее плодородие, т.е. способность обеспечивать растения водой, минеральными солями, воздухом. Мощность гумусового слоя определяет плодородие почвы. Влажность и аэрация. Вода почвы подразделяется на: • гравитационную, • гигроскопическую, • капиллярную, • парообразную Гравитационная вода – подвижная, является основной разновидностью подвижной воды, заполняет широкие промежутки между частицами почвы, просачивается вниз под действием силы тяжести, пока не достигнет грунтовых вод. Растения легко усваивают ее. Гигроскопическая вода в почве удерживается за счет водородных связей вокруг отдельных коллоидных частиц в виде тонкой, прочной связанной пленки. Высвобождается только при температуре 105 – 110оС и практически недоступна для растений. Количество гигроскопической воды зависит от содержания в почве коллоидных частиц. В глинистых почвах ее до 15%, в песчаных – 5%. По мере накопления количества гигроскопической воды она переходит в капиллярную, удерживающуюся в почве силами поверхностного натяжения. Капиллярная вода легко поднимается к поверхности по порам от грунтовых вод, легко испаряется, свободно поглощается растениями. Парообразная влага занимает все свободные от воды поры. Существует постоянный обмен почвенных, грунтовых и поверхностных вод, меняющий свою интенсивность и направленность в зависимости от климата, сезонов. Все поры, свободные от влаги заполнены воздухом. На легких (песчаных) почвах аэрация лучше, чем на тяжелых (глинистых). Воздушный режим и режим влажности связан с количеством атмосферных осадков. Экологические группы почвенных организмов. В среднем почва содержит 2-3 кг/м2 живых растений и животных, или 20-30 т/га. При этом в умеренном поясе корни растений составляют 15 т/га, насекомые 1т, дождевые черви – 500кг, нематоды – 50кг, ракообразные – 40кг, улитки, слизни – 20кг, змеи, грызуны – 20гк, бактерии – 3т, грибы – 3т, актиномицеты – 1,5т, простейшие – 100кг, водоросли – 100кг. Неоднородность почвы приводит к тому, что для разных организмов она выступает как разная среда. По степени связи с почвой как средой обитания животных объединяют в 3 группы: • Геобионты – животные, постоянно обитающие в почве (дождевые черви, первично-бескрылые насекомые). • Геофиллы – животные, часть цикла которых обязательно проходит в почве (большинство насекомых: саранчовые, ряд жуков, комары-долгоножки). • Геоксены – животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища (таракановые, многие полужесткокрылые, жесткокрылые, грызуны и др. млекопитающие). В зависимости от размеров почвенных обитателей можно разделить на следующие группы. • Микробиотип, микробиота – почвенные микроорганизмы, основное звено детритной цепи, промежуточное звено между растительными остатками и почвенными животными. Это зеленые, сине-зеленые водоросли, бактерии, грибы, простейшие. Почва для них – система микроводоемов. Они живут в почвенных порах. Способны переносить промерзание почвы. • Мезобиотип, мезобиота – сравнительно мелкие, легко извлекающиеся из почвы, подвижные животные (нематоды, мелкие личинки насекомых, клещи, ногохвостки). Питаются в основном детритом и бактериями. Часто хищники и паразиты. Для них почва – система пещер. Дышат насыщенным влагой почвенным воздухом, но чувствительны к пересыханию. При переувлажнении переживают период в пузырьках воздуха. Способны переносить промерзание почвы. • Макробиотип, макробиота – крупные почвенные животные, размером до 20мм (личинки насекомых, многоножки, дождевые черви и т.д.). почва для них – плотная среда, оказывающая сильное механическое сопротивление при движении. Они передвигаются в почве расширяя естественные скважины путем раздвижения почвенных частиц либо роя новые ходы. В связи с этим у них выработались приспособления к рытью. Часто имеются специализированные органы дыхания. Также дышат через покровы тела. На зиму и в засушливый период перемещаются в глубокие почвенные слои. • Мегабиотип, мегабиота – крупные землерои, главным образом из числа млекопитающих. Многие из них проводят в почве всю жизнь (златокроты, слепушонки, цокоры, кроты Евразии, сумчатые кроты Австралии, слепыши и др.). Прокладывают в почве систему нор, ходов. У них недоразвиты глаза, компактное, вальковатое тело с короткой шеей, короткий густой мех, сильные компактные конечности, роющие конечности, крепкие когти. • Обитатели нор – барсуки, сурки, суслики, тушканчики и др. Кормятся на поверхности, размножаются, зимуют, отдыхают, спят, спасаются от опасности в почвенных норах. Строение характерно для наземных, однако имеют приспособления норных –крепкие когти, сильная мускулатура на передних конечностях, узкая голова, небольшие ушные раковины. • Псаммофилы – жители сыпучих песков. Имеют своеобразные конечности, нередко в форме «лыж», покрытых длинными волосками, роговыми выростами (тонкопалый суслик, гребнепалый тушканчик). • Галлофилы – жители засоленных почв. Имеют приспособления к защите от избытка солей: плотные покровы, приспособления для удаления солей из организма (личинки пустынных жуков-чернотелок). Растения подразделяются на группы в зависимости от требовательности к плодородию почвы. • Эутотрофные или эвтрофные – растут на плодородных почвах. • Мезотрофные – менее требовательные к плодородию почвы. • Олиготрофные – довольствующиеся небольшим количеством питательных веществ. В зависимости от требовательности растений к отдельным микроэлементам почвы выделяют следующие группы. • Нитрофилы – требовательны к наличию в почве азота, поселяются там, где есть дополнительные источники азота – растения вырубок (малина, хмель, вьюнок), мусорные (крапива щирица, зонтичные), растения пастбищ. • Кальциефилы – требовательны к наличию в почве кальция, поселяются на карбонатных почвах (венерин башмачок, лиственница сибирская, бук, ясень). • Кальциефобы – растения, избегающие почв с большим содержанием кальция (сфагнумовые мхи, болотные, вересковые, береза бородавчатая, каштан). В зависимости от требований к РН почвы все растения подразделяются на 3 группы. • Ацидофилы – растения, предпочитающие кислые почвы (вереск, белоус, щавель, щавелек малый). • Базифиллы – растения, предпочитающие щелочные почвы (мать-и-мачеха, горчица полевая). • Нейтрофилы – растения, предпочитающие нейтральные почвы (лисохвост луговой, овсяница луговая). Растения, произрастающие на засоленных почвах называются галофиты(солерос европейский, сарсазан шишковатый), а растения не выдерживающие избыточного засоления – гликофиты. Галофиты имеют высокое осмотическое давление, позволяющее использовать почвенные растворы, способны выделять избыток солей через листья или накапливать их в своем организме. Растения, адаптированные к сыпучим пескам называются псаммофиты. Они способны образовывать придаточные корни при засыпании их песком, на корнях образуются придаточные почки при их обнажении, часто имеют высокую скорость роста побегов, летучие семена, прочные покровы, имеют воздушные камеры, парашюты, пропеллеры – приспособления к незасыпанию песком. Иногда целое растение способно оторваться от грунта, высохнуть и вместе с семенами перенестись ветром в другое место. Всходы быстро прорастают, споря с барханом. Имеются приспособления к перенесению засухи – чехлы на корнях, опробковение корней, сильное развитие боковых корней, безлистные побеги, ксероморфную листву. Растения, произрастающие на торфяных болотах, называются оксилофитами. Они приспособлены к высокой кислотности почвы, сильному увлажнению, анаэробным условиям (багульник, росянка, клюква). Растения, обитающие на камнях, скалах, каменистых осыпях относятся к литофитам. Как правило, это первые поселенцы на скальных поверхностях: автотрофные водоросли, накипные лишайники, листовые лишайники, мхи, литофиты из высших растений. Их называют растениями щелей – хасмофитами. Например, камнеломка, можжевельник, сосна. 1.1.5. Живой организм как особая среда обитания. Средообразующая роль живых организмов. Использование одними организмами других для удовлетворения своих потребностей – распространенное в природе явление. Нет практически ни одного многоклеточного организма, не имеющего внутренних обитателей. Чем выше организация организма, тем разнообразнее его внутренняя среда, ткани и органы и тем более разнообразные условия может он предоставить для проживания своим сожителям. Джонатан Свифт писал: Под микроскопом он открыл, что на блохе Живет блоху кусающая блошка; На блошке той – блошинка-крошка, В блошинку же вонзает зуб сердито Блошиночка… и так ad infinitum. Единственные существа, не подвергающиеся нашествию паразитов – сами паразиты, представляющие конечное звено в цепи питания. Чем проще организация животных, тем больше среди них видов-паразитов. Среди позвоночных паразитизм редок, а среди простейших встречается очень часто. Среди растений это соотношение также справедливо. Много паразитов среди грибов. Для паразитов организм-хозяин – специфическая среда обитания. Между паразитом и хозяином возникли сложные экологические отношения. Пути возникновения паразитизма: • Через квартиранство. • Через хищничество. • Случайное проникновение будущего паразита в организм хозяина (например через заглатывание крупными животными мелких). По месту паразитирования паразитов делят на 2 группы: • Эктопаразиты – наружные паразиты, обитающие на поверхности тела хозяина (клещи, пиявки, блохи). У растений внутрь хозяина внедряются только органы питания – присоски или гаустории (повилика). • Эндопаразиты – внутренние паразиты. Это большинство гельминтов, бактерии, вирусы, простейшие. У растений-эндопаразитов внутри хозяина располагаются все органы, снаружи остаются только органы размножения (виды рода Раффлезия, петров крест). Грибы и бактерии располагаются в межклетниках и в клетках хозяина. Паразитизм подразделяется на стационарный и временный. • Стационарный, когда паразит в течение всей жизни связан с хозяином. При стационарном паразитизме паразиты могут быть приурочены к одному хозяину (постоянные): вши, пухоеды, чесоточные зудни или развитие происходит со сменой хозяев (периодические): ленточные черви, сосальщики, малярийный плазмодий. При смене хозяев паразиты наиболее уязвимы и у них появились защитные приспособления: оболочка цисты, способность к анабиозу, прочные оболочки яиц. • Временный, когда паразит лишь часть времени проводит на хозяине (кровососущие насекомые). Паразитизм имеет свои плюсы и минусы. +: – практически неограниченные пищевые ресурсы; – защищенность от внешних условий; – защищенность от внешних врагов; – постоянные условия жизни. Из-за этого многие паразиты пошли по пути регресса, вторичного упрощения внутренней организации (исчезает пищеварительная система, ротовые органы превращаются в крючки, присоски, необходимые для удержания на хозяине; у растений редуцируется корневая система, листья). Для паразитов характерна большая плодовитость. Так, человеческая аскарида продуцирует в сутки 250 тыс. яиц, а за всю жизнь свыше 50млн. это явление получило название «закона большого числа яиц». –: – замкнутое пространство, поэтому появились приспособления к удалению потомства из организма хозяина; – недостаток кислорода, у многих анаэробный тип обмена; – трудно найти хозяина и поэтому малая выживаемость потомства; – трудно найти партнера для спаривания, поэтому развит партеногенез, полиэмбриония (из 1 яйцеклетки много зародышей), бесполое размножение. Иногда паразитические растения выделяют вещества, изменяющие направление роста органа хозяина, для того, чтобы произошло заражение; – хозяин имеет защитные приспособления против паразита. Специфической группой являются полупаразиты – растения, утратившие корневую систему и способность поглощать из почвы воду и минеральные вещества, но имеющие листья в которых находится хлорофилл, а значит способные к фотосинтезу (погремки большой и малый, мытник, очанки, омела белая, ремнецветник европейский). Важная адаптация паразитов – синхронизация их жизненного цикла с жизненным циклом хозяина. Это позволяет заразить хозяина в нужный момент. В ряде случаев паразиты сами становятся средой обитания других видов – возникает явление сверхпаразитизма или гиперпаразитизма. Организмы энергично реагируют на воздействие паразита. Эта реакция носит название активного иммунитета. • Выработка гуморального иммунитета; • Выделение смолы, млечного сока; • Разрастание окружающих тканей, образование галл у растений, а у животных зооцецидий. Отношения между паразитом и хозяином в природе уравновешены в процессе эволюции. 1.4. Тема Основы демэкологии (экологии популяций) 1.1.1. Вид и его экологическая характеристика Вид — элементарная структурная единица в системе живых организмов, качественный этап в их эволюции. Это совокупность особей, обладающих сходством внутреннего и внешнего строения, биохимических и физиологических функций, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни, обладающих определенным типом взаимоотношений с абиотической (косной) и биотической средой и занимающих в природе определенную область — ареал. Виды отличаются друг от друга многими признаками. Характерные для вида признаки и свойства называют критериями. Как видно из определения, среди критериев различают: морфологический, физиологический, цитогенетический, экологический и географический. Экологический критерий или экологическая характеристика вида - это совокупность факторов внешней среды, в которой существует вид. Среда обитания определяется совокупностью факторов (абиотических, биотических и антропогенных) и элементов, воздействующих на вид в месте обитания. Благодаря многообразию экологических факторов наблюдается закономерное расселение видов по планете. Колебания интенсивности экологических факторов проявляются в исчезновении некоторых видов с определенных территорий, изменении их плотности, показателей рождаемости, смертности. Под влиянием экологических факторов в эволюции сложились такие адаптивные модификации, как зимняя спячка или летняя спячка, диапауза. Любая особь, сообщество испытывают одновременное воздействие многих факторов, но лишь некоторые из них являются жизненно важными – лимитирующими. Отсутствие этих факторов или их концентрации выше или ниже критических уровней делает невозможным освоение среды особями определенного вида. Благодаря наличию лимитирующих экологических факторов для каждого биологического вида существует оптимум и пределы выносливости. Например, устрицы наилучшим образом развиваются в воде с концентрацией солей 1,5 — 1,8%. При снижении концентрации солей до 1,0% более 90% личинок погибает в течение двух недель, а при концентрации 0,25% все поголовье их гибнет за одну неделю. Повышение концентрации солей по сравнению с оптимальной величиной также оказывает неблагоприятное воздействие на устриц. Взаимоотношение нескольких экологических факторов делает условия среды еще более сложными. Способность вида осваивать разные среды обитания выражается величиной экологической валентности, в зависимости от которой выделяют виды стенотопные или эвритопными. Эвритопные виды могут быть представлены несколькими экотипами — разновидностями, приспособленными к выживанию в средах, различающихся по некоторым факторам. Например, сложноцветное растение тысячелистник образует равнинные и горные экотипы; это же свойство характерно и для многих других растений, например, зверобоя. Каждая особь вида связана со старыми и молодыми поколениями, с хищниками или жертвами, объектами питания, вступает в конкурентные отношения с соседями или связана с ними взаимопомощью. Существование ареала вида не означает, что все особи вида способны свободно перемещаться по всей его территории. Степень подвижности особей выражается расстоянием, на которое может перемещаться животное или расстоянием, на которое способны перемещаться генеративные и вегетативные части растения и называется радиусом активности. Например, для улитки он составляет несколько десятков метров, для бобра – несколько сотен метров, для северного оленя – несколько сотен метров. Вследствие этого организмы, обитающие на противоположных участках ареала часто имеют мало шансов встретиться, хотя их встреча и вероятность возникновения потомства все же существует. Это приводит к тому, что отдельные особи вида, приспосабливаясь к конкретным условиям местообитания объединяются в естественные группировки (совокупности) или популяции. Например, все окуни в небольшом озере или все деревья одного вида в лесу. До конца 18в. Существовало учение о монотипическом виде, т.е. считалось, что вид внутри себя однороден. В настоящее время общепринятым является учение о полиморфном виде, подразделяющимся на подвиды, внутри которых выделяются популяции. 1.1.2. Популяция как форма существования вида. Правило объединения в популяции было сформулировано в 1903г. С.С. Четвериковым: индивиды любого вида живого всегда представлены в природной среде на изолированными отдельностями, а только их определенным образом организованными совокупностями. Особи любого живого вида распределены в пределах ареала неравномерно, образуя сгущения и относительно разреженные участки. «Центры плотности « каждого вида и образуют, как правило, популяции, которые являются элементарной структурой вида, формой в которой вид существует в природе. По определению академика С.С. Шварца, популяция – это элементарная группировка организмов определенного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды. В современном представлении популяция — это минимальная самовоспроизводящаяся совокупность особей одного вида, длительно существующая на определенной территории (ареале), отделенная от других популяций той или иной формой изоляции, образующая генетическую систему и формирующая собственную экологическую нишу. У растений совокупность особей одного вида среди особей другого вида называют ценопопуляцией. При половом размножении обмен генами превращает популяцию в относительно целостную генетическую систему. Если перекрестное оплодотворение отсутствует и преобладает вегетативное размножение, генетические связи слабее и популяция представляет собой систему клонов или чистых линий, совместно использующих среду. Такие популяции объединены в основном экологическими связями. Генетическая цель популяции – оставление жизнестойкого потомства при максимальном использовании ограниченных ресурсов среды. Популяция является элементарной микроэволюционной структурой. Под действием факторов окружающей среды в популяции постоянно происходят наследственные изменения (мутации). Поскольку мутации передаются потомству, в результате скрещивания они распространяются в популяции и насыщают ее, популяция становится неоднородной. В результате действия факторов эволюции выживают и оставляют потомство те особи, которые приобрели наследственные изменения, полезные в данных условиях среды. Так формируется экологический критерий популяции и вида в целом. Основным экологическим свойством популяции является способность к беспрерывному изменению, движению, динамике, что сильно влияет на другие экологические характеристики популяции: • структурно-функциональную организованность; • численность и ее динамику; • биологическое разнообразие; • величину занимаемого пространства; • устойчивость системы. Характеристики популяции, внутрипопуляционные группировки и их взаимоотношения, условия при которых формируются популяции изучает раздел экологии, называемый демэкология (от греч. демос – народ). При этом приоритетной для демэкологии проблемой являются биотические взаимоотношения. 1.1.3. Показатели популяций. Являясь групповыми объединениями особей, популяции обладают рядом специфических показателей, которые не присущи каждой отдельно взятой особи. Основными количественными характеристиками популяции являются: • плотность, • численность, • рождаемость, • смертность, • возрастной состав, • характер распределения в пределах территории, • темп роста. При этом выделяют 2 группы показателей – статические и динамические (эмерджентные). Состояние популяции в данный момент времени характеризуют статические показатели. К ним относятся следующие. Численность — это общее число особей на выделяемой территории или в данном объеме. Этот показатель популяции никогда не бывает постоянным, а изменяется в пределах определенного диапазона. В соответствии с правилом максимума размера колебаний численности (плотности) популяционного населения Ю Одума, существуют определенные верхние и нижние пределы для размеров численности (плотности) популяции, которые соблюдаются в природе или которые теоретически могли бы существовать в течение сколь угодно длительного отрезка времени в условиях стабильности среды обитания. Численность различна у разных видов и в значительной мере зависит от стабильности экологической ситуации, что сказывается на соотношении интенсивности размножения (плодовитости) и смертности. К. Фридерихсом в 1927 г. была сформулирована теория биоценотической регуляции численности популяции: регулирование численности популяции есть результат комплекса воздействий абиотической и биотической среды в местообитании вида. Размеры популяции возрастают за счет иммиграции из соседних популяций и за счет размножения особей. Общая численность (и плотность) населения популяции регулируется правилом максимальной рождаемости (воспроизводства): в популяции имеется тенденция к образованию теоретически максимально возможного количества новых особей. Максимальная рождаемость возможна только в идеальной системе, т.е. при отсутствии факторов среды, сдерживающих рост численности и размножение ограничено только физиологическими особенностями вида. В реальных условиях существует экологическая или реализуемая рождаемость. Уменьшение размеров популяции происходит в результате смертности и эмиграции особей. Таким образом (слайд), Численность не может быть ниже определенных пределов, сокращение численности за эти пределы может привести к вымиранию популяции. Во всех случаях в популяциях действуют законы, позволяющие использовать даже ограниченные ресурсы среды для оставления потомства. У растений, как правило, учитывают не число особей, а биомассу, т.е. общее количество органического вещества всей совокупности тех или иных организмов с заключенной в нем энергией, выражаемое в единицах массы или энергии в пересчете на живое или сухое вещество, а также отнесенное к единице площади или объема. Плотность популяции определяется числом особей, приходящихся на единицу площади или объема, занимаемого популяцией пространства. Плотность популяции также изменчива, она зависит от численности, что отражено в правиле максимума размера колебаний численности (плотности) популяционного населения Ю Одума и в правиле максимальной рождаемости. В случае возрастания последней плотность популяции не увеличивается лишь в том случае, если возможно расселение, т.е. расширение ареала. Территория, занимаемая разными популяциями одного вида, колеблется и зависит от степени подвижности особей. Каждому виду присуща определенная плотность популяции, отклонения от которой в обе стороны отрицательно сказываются на темпах воспроизводства и жизнедеятельности особей. К динамическим (эмерджентным) показателям относятся следующие. Рождаемость (плодовитость) — это число новых особей, появившихся в результате размножения за единицу времени. Живые организмы обладают огромной способностью к размножению. Она характеризуется так называемым биотическим потенциалом, представляющим собой скорость, с которой при беспрерывном размножении (возможном только теоретически при идеальных экологических условиях существования) особи одного вида могут покрыть земной шар ровным слоем. Это важнейший, хотя и условный показатель. Например, биотический потенциал: • у слона – 0,3 м/с; • для некоторых бактерий – несколько сот м/с. • Самка косули способна произвести за жизнь 10-15 козлят. • Один одуванчик менее, чем за 10 лет способен заселить своими потомками земную поверхность, если все семена прорастут Р. Дажо, 1975г.). • Рыба-луна откладывает за жизнь до 3 млрд икринок. На практике такая громадная плодовитость никогда не реализуется. Рождаемость определяется многими факторами: • биологическим положением вида: низкая плодовитость характерна для тех видов, которые проявляют большую заботу о потомстве; • скоростью полового созревания, • числом генераций в году, • соотношением в популяции самцов и самок. • обеспеченностью пищей, • возможностью выкормить потомство, • влиянием природных условий. Смертность — показатель, отражающий количество погибших в популяции особей за определенный отрезок времени. Она бывает очень высокой и изменяется в зависимости от условий среды, возраста и состояния популяции. У большинства видов смертность в раннем возрасте всегда бывает выше, чем у взрослых особей. Факторы смертности очень разнообразны. Она может быть вызвана: • влиянием абиотических факторов среды (низкие и высокие температуры, ливневые осадки, град, избыточная или недостаточная влажность), • биотическими факторами (отсутствие корма, инфекционные заболевания), • антропогенными факторами (загрязнение окружающей среды, уничтожение животных, деревьев). Прирост популяции — это разница между рождаемостью и смертностью, прирост популяции может быть как положительным, так и отрицательным. Темп роста популяции — это средний прирост популяции за единицу времени. 1.1.4. Возрастная и половая структуры популяций. Любой популяции присуща определенная организация. Распределение особей по территории, соотношение групп особей по полу, возрасту, морфологическим, физиологическим, поведенческим и генетическим особенностям отражают соответствующую структуру популяции: пространственную, половую, возрастную и т.д. Структура формируется с одной стороны на основе общих биологических свойств видов, а с другой – под влиянием абиотических факторов среды и популяций других видов. Структура популяции имеет, таким образом, приспособительный характер. Разные популяции одного вида имеют как сходные особенности, так и отличительные, характеризующие специфику экологических условий в местах их обитания. В целом, кроме адаптивных возможностей отдельных особей, на определенных территориях формируются приспособительные черты групповой адаптации популяции как надиндивидуальной системы, что говорит о том, что приспособительные особенности популяции гораздо выше, чем у слагающих ее индивидов. Возрастной состав — имеет важное значение для существования популяции. Средняя продолжительность жизни организмов и соотношение численности (или биомассы) особей различного возраста характеризуется возрастной структурой популяции. Формирование возрастной структуры происходит в результате совместного действия процессов размножения и смертности. В любой популяции условно выделяются 3 возрастные экологические группы: • Предрепродуктивную; • Репродуктивную; • Пострепродуктивную. К предрепродуктивной группе относятся особи, еще не способные к воспроизведению. Репродуктивная – особи, способные к размножению. Пострепродуктивная – особи, утратившие способность к размножению. Длительность этих периодов сильно варьируется в зависимости от вида организмов. При благоприятных условиях в популяции имеются все возрастные группы и поддерживается более или менее стабильный возрастной состав. В быстро растущих популяциях преобладают молодые особи, а в сокращающихся — старые, уже не способные интенсивно размножаться. Такие популяции малопродуктивны, недостаточно устойчивы. Имеются виды с простой возрастной структурой популяций, которые состоят из особей практически одного возраста. Например, все однолетние растения одной популяции весной находятся в стадии проростков, затем почти одновременно зацветают, а осенью дают семена. У видов со сложной возрастной структурой популяций одновременно живут несколько поколений. Например, в стажах слонов имеются молодые, зрелые и стареющие животные. Популяции, включающие много генераций (разных возрастных групп) более устойчивы, менее подвержены влиянию факторов, воздействующих на размножение или смертность в конкретном году. Экстремальные условия могут привести к гибели наиболее уязвимых возрастных групп, но самые устойчивые выживают и дают новые генерации. Например, человек рассматривается как биологический вид, имеющий сложную возрастную структуру. Устойчивость популяций вида проявилось, например, во время второй мировой войны. Для исследования возpастных стpуктуp популяций используют гpафические пpиемы, напpимеp возpастные пиpамиды популяции, шиpоко используемые в демогpафических исследованиях (рис.3.9). Рис.3.9. Возрастные пирамиды популяции. А - массовое размножение, В - стабильная популяция, С - сокращающаяся популяция Устойчивость популяций вида в значительной степени зависит и от половой структуры, т.е. соотношения особей разных полов. Половые группировки внутри популяций формируются на базе различий в морфологии (форма и строение тела) и экологии различных полов. Например, у некоторых насекомых самцы имеют крылья, а самки нет, у самцов некоторых млекопитающих имеются рога, но они отсутствуют у самок, у самцов птиц яркое оперение, а у самок маскирующее. Экологические различия выражаются в пищевых предпочтениях (самки многих комаров сосут кровь, а самцы питаются нектаром). Генетический механизм обеспечивает примерно равное соотношение особей обоих полов при рождении. Однако исходное соотношение вскоре нарушается в результате физиологических, поведенческих и экологических различий самцов и самок, вызывающих неравномерную смертность. Анализ возрастной и половой структуры популяций позволяет прогнозировать ее численность на ряд ближайших поколений и лет. Это важно при оценке возможностей промысла рыбы, отстрела животных, спасения урожая от нашествий саранчи и в других случаях. 1.1.5. Пространственная и этологическая структуры популяций. Каждая популяция занимает пространство, обеспечивающее условия жизни для ограниченного числа особей. При этом важно не только численность популяции, но и распределение особей в пространстве. При изучении пространственной структуры популяций различают случайное (1), равномерное (диффузное) (2) и неравномерное (мозаичное) (3) распределение особей. Но возможны и переходные структуры. Случайное распределение в природе наблюдается редко, когда среда очень однородна, а организмы не стремятся объединяться в группы. Равномерное распределение бывает там, где между особями сильная конкуренция или существует антагонизм. Встречается в чистых зарослях некоторых растений Неравномерное (групповое) распределение – образование различных скоплений – наиболее часто встречающееся. Например, гнездовья грачей в рощах и парках. Активность особей, групп, пар в популяции обычно бывает ограничена пространством, называемым индивидуальным (или семейным) участком и у высших животных регулируется инстинктом. Им свойственно территориальное поведение – реакция на нахождение других членов группы. В зависимости от характера использования пространства подвижных животных подразделяют на оседлых и кочевых. Оседлые в течение всей жизни используют довольно ограниченный участок среды. Им присущи инстинкты привязанности к своему участку, регулярное возвращение на этот участок, при вынужденном перемещении. Такое чувство дома получило название «хоминг». Например, занимание одной парой скворцов одного скворечника в течение ряда лет, возвращение аистов на свое гнездо. Преимущества оседлого образа жизни: • свободная ориентация на знакомой территории; • меньше времени на поиск корма; • быстрее найти убежище от врага; • создание при необходимости запасов пищи; Недостатки: • быстрое истощение запасов пищи при большой плотности популяции. Для оседлых животных все варианты пространственной структуры сводятся к 4 основным типам: диффузный, мозаичный, пульсирующий (характерен для популяций с резкими нециклическими колебаниями численности) и циклический (встречается у популяций с закономерным попеременным использованием территории в течение года, например, зимой и летом). Кочевые животные совершают постоянные передвижения в пространстве, так как это вызвано изменением кормовой базы. Кочевой образ жизни характерен чаще для стад и стай. Масштабы и длительность таких миграций зависят от обилия пищи и численности стада. Например, стада зебр в Серенгети в период сухого сезона кочуют на участке в 400 – 600 км. Преимущества кочевого образа жизни: • независимость от запасов пищи на конкретной территории; Недостатки: • Возрастание частоты гибели молодых и ослабленных особей от хищников. В зависимости от размеров занимаемой популяциями территории Н.П. Наумов ввел понятия элементарные, географические и экологические популяции. Элементарная (локальная) популяция является совокупностью особей вида, которые занимают какой-то небольшой участок однородной по условиям обитания площади. Число элементарных популяций зависит от степени разнородности условий среды обитания. Чем они разнообразнее, тем больше элементарных популяций можно выделить. Границы между элементарными популяциями размыты. Совокупность элементарных популяций образует экологическую популяцию. Экологические популяции различаются предпочтениями в пище, времени кормления, времени размножения, режимах сна и бодрствования и др. Например, в средней полосе России на покосных лугах сформировалось три экологических популяции погремка, отличающихся временем цветения. Географическая популяция – группа особей одного вида, занимающая территорию с географически сходными условиями. Размер географической популяции будет зависеть от величины занимаемой территории и эколого-биологических особенностей своего вида. У географических популяций могут быть различны: • сроки размножения, • количество яиц в кладке (у северян больше), • расстояние кочевки, • взаимоотношения с соседями в биоценозе, • структура гнезда, • объекты питания птенцов, • эврибионтность и стенобионтность и др. Например, у тихоокеанских лососевых рыб выделяют 3 основных популяции: 1. зимуют к югу от западной части алеутской гряды, а нерестится в реках Камчатки, которые впадают в Охотское море 2. живут к югу от Курильских островов, нерестятся в реках Восточного Сахалина; 3. зимуют к югу от Алеутской гряды, нерестятся в реках Канады. Соболь имеет 2 популяции: соболь европейский и соболь сибирский. Этологическая (поведенческая) структура популяции отражает разнообразные формы совместного существования особей. Относительно одиночный образ жизни в природе достаточно редок и как правило характерен для определенных периодов онтогенеза. Например, молодые самцы у львов ведут одиночный образ жизни до образования своего прайда. При семейным образе жизни усиливаются связи между родителями и потомством, начинает заметнее проявляться территориальное поведение животных. Происходит ограничивание участка, достаточного для выкармливания потомства путем пахучих меток, угроз, различных звуковых сигналов, ритуального поведения и т.д. Стая – временное объединение животных, проявляющих биологически полезную организацию действий (для защиты от врагов, добычи пищи, миграции и т.п.). Например, стаи рыб (килька, салака, корюшка), птиц (гуси, утки), млекопитающих (собаки). Стадо – длительное или постоянное объединение животных, в котором осуществляются все основные жизненные функции: добывание корма, защита от хищников, миграция, размножение, воспитание молодняка. В стаде развито доминирование лидера (вожака) которому подчиняются остальные особи и строгая иерархия остальных. Иерархически организованному стаду свойственен определенный порядок перемещения, определенные позиции при защите от врагов, расположение на отдых, поглощение пищи и др. Колония – групповое поселение оседлых животных на длительное время или на период размножения. По сложности взаимоотношений между особями колонии очень разнообразны. Наиболее сложные отношения в колониях общественных насекомых (термитов, муравьев, пчел), возникают на основе сильно разросшейся семьи. Члены колонии постоянно общаются друг с другом, обмениваются информацией, выполняют экологические функции, способствующие выживанию колонии. 1.1.6. Динамика популяций. Динамика популяций – это процессы изменения ее основных биологических показателей (численности, биомассы, структуры) во времени в зависимости от экологических факторов. Динамика численности популяций. Любая популяция теоретически способна к неограниченному росту численности, если ее не лимитируют факторы внешней среды. В этом случае скорость роста популяции будет определяться величиной биотического потенциала. Эта динамика описывается дифференциальным уравнением А. Лотки: , где N – число особей в популяции, τ (тау) – время, r – биотический потенциал, d – дифференциал. Если r > 0, то со временем численность популяции возрастает сначала медленно, а затем стремительно, согласно экспоненциальному закону, т.е. кривая роста популяции принимает J-образный вид – экспоненциальная кривая (слайд). Такая модель основывается на допущении, что рост популяции не зависит от ее численности и будет увеличивать ее до заселения всей Земли. Эта идея была выдвинута еще на рубеже 18-19 веков английским экономистом Томасом Р. Мальтусом, основоположником теории мальтузианства. Типы кривых роста численности популяции (модель роста популяции). Значение биотического потенциала различно у разных видов, однако, каким бы он ни был, в реальных условиях существуют пределы, регулирующие рост популяции: ограничение пищевых ресурсов, скопление токсичных продуктов метаболизма. Например, для дрожжей лимитирующим фактором является накопление спирта, образующегося в процессе метаболизма. Эти пределы называют емкостью среды. Она различна для разных популяций. Например, еловый лес более емкая среда для клестов - еловиков, чем смешанный, поскольку их основная пища – семена ели. Модель динамики численности популяции при ограниченных (лимитирующих) ресурсах предложили Р. Пирл и А. Ферхюльст: , где К – емкость среды. Первоначальный экспоненциальный рост в исходных благоприятных условиях со временем продолжаться не может и постепенно замедляется и кривая выходит на некий стабильный уровень. Графически динамику роста популяции при ограниченных ресурсах отражает логистическая кривая S (слайд). Выражение – характеризует сопротивление среды, т.е. совокупность всех лимитирующих рост популяции факторов. Уравнение Пирла – Ферхюльста лежит в основе многих математических моделей биотических отношений в популяциях, описывают рост численности популяции при влиянии на популяцию совокупности факторов внешней среды. Экологические исследования выявили следующую закономерность – чем крупнее организмы, тем ближе к логистическому типу имеет характер роста плотности их популяций. Популяция приспосабливается к изменением условий среды обитания путем обновления и замещения особей. Если интенсивность рождаемости и смертности, эмиграции и иммиграции сбалансированы, то формируется стабильная популяция и ее численность и ареал обитания сохраняются на одному уровне. В реальных условиях в природе нет ни одной популяции не изменяющейся во времени. Если наблюдается превышение рождаемости над смертностью, тогда численность популяции растет, и популяция называется растущей. Например, популяция колорадского жука, популяция элодеи канадской. Однако, при чрезмерном развитии популяции ухудшаются условия существования , что вызывается переуплотнением. Согласно правилу пищевой корреляции (Уинни-Эдвардс), в ходе эволюции сохраняются только те популяции, скорость размножения которых скоррелирована с количеством пищевых ресурсов среды их обитания. Отступление от этого правила ведет к сокращению популяции, т.е. популяция становится сокращающейся. При резком сокращение пищевых ресурсов может наступить крах популяции в результате которого популяция может прекратить свое существование. Согласно принципу В. Олли, агрегация (скопление) особей, как правило, усиливает конкуренцию между ними за пищевые ресурсы и жизненное пространство, но приводит к повышению способности группы в целом к выживанию. Отсюда вытекает, что для развития популяции лимитирующим фактором является как «перенаселение», так и «недоселенность». Современная теория динамики численности популяций рассматривает колебания численности популяции как авторегулируемый процесс. Выделяют две принципиально разные стороны популяционной динамики: модификацию и регуляцию. Для любой популяции организмов в конкретных условиях свойственен определенный средний уровень численности, вокруг которого происходят колебания. Отклонения от этого среднего уровня имеют разный размах, но в норме после каждого отклонения численность популяции начинает изменяться с обратным знаком. Модификация — это случайные отклонения численности, возникающие в результате действия самых разнообразных факторов, не связанных с плотностью популяции. Модифицирующие факторы, вызывая изменение численности популяций, сами не испытывают влияния этих изменений. Действие их, таким образом, одностороннее. К факторам, модифицирующим численность популяций, относятся все абиотические воздействия на сами организмы, качество и количество их корма, активность врагов и т.п. Благоприятная погодная обстановка может послужить причиной массовой вспышки размножения вида и перенаселения занимаемой им территории. Отрицательное воздействие модифицирующих факторов, наоборот, снижает численность популяции иногда до полного ее исчезновения. Регуляция — это возврат популяции после отклонения к исходному состоянию, который совершается под влиянием факторов, сила действия которых определяется плотностью популяции. Регулирующие факторы не просто изменяют численность популяции, а сглаживают ее колебания, приводя после очередного отклонения от оптимума к прежнему уровню. Это происходит потому, что эффект их воздействия тем сильнее, чем выше плотность популяции. В качестве регулирующих сил вступают межвидовые и внутривидовые отношения организмов. Разные типы этих отношений определяют быстроту ответных реакций на изменения численности популяций. Поддержание численности, оптимальной в данных условиях, называется гомеостазом популяции. Гомеостатические возможности популяций различны и осуществляются они через взаимоотношения особей между собой и с окружающей средой. Колебания численность популяции могут носить регулярный и нерегулярный характер. В 1928г. Н.В. Тимофеев – Ресовский для обозначения колебаний численности особей популяции ввел понятие «популяционные волны» или «волны жизни». В сообществах, искусственно создаваемых человеком или упрощенных в результате антропогенных воздействий, регуляторные связи ослаблены, и поэтому в них возможны как катастрофические для биоценоза размножения отдельных видов — вредителей сельскохозяйственных растений и лесных насаждений, грызунов, паразитов, возбудителей болезней, так и уменьшение численности и распространенности других. Таким образом, как масштабы, так и ход колебания численности любого вида в природных сообществах исторически обусловлены естественным отбором в зависимости от особенностей биологии, характера внутривидовых связей и межвидовых отношений, к которым приспособлен вид в определенных условиях среды. Для каждого биологического вида существует оптимум экологических факторов, который характеризуется наибольшей степенью благоприятности для существования вида. Максимальной степени благоприятности воздействия факторов на организм соответствует умеренная скорость развития организмов при минимальной затрате энергии и наименьшая смертность, а также наибольшая продолжительность существования взрослых особей и их высокая плодовитость. 1.1.7. ???. Методы количественного учета в популяциях, их специфика у растений и животных. 1.5. Тема Основы синэкологии (экологии сообществ и экосистем) 1.1.1. Экосистемы и принципы их функционирования В современной науке доминирует системная парадигма. Исходя из этого, основным объектом изучения экологии являются экологические системы. Под системой понимается совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, то есть структурно-функциональное единство. Система с одной стороны рассматривается как единое целое, с другой - как совокупность элементов. Причем целое имеет новые, особые свойства, которые отсутствуют у его составляющих элементов (например, популяция обладает иными свойствами, чем составляющие ее индивидуумы). Это закон эмерджентности (неожиданное появление, англ.) известный с древности, как “целое больше суммы его частей”. Очевидно, что никакая система не может сформироваться из абсолютно идентичных элементов. Даже в кристаллической решетке алмаза положение атомов углерода делает их функционально различными. Это закон необходимого разнообразия. Нижний предел - не менее двух элементов, а верхний - бесконечность. В экологических системах все элементы взаимосвязаны переносами (потоками) вещества, энергии и информации и называются динамическими. Основными характеристиками любой системы будут: а) границы, б) свойства элементов и системы в целом, в) структура, г) характер связей и взаимодействия между элементами системы, а также между системой и ее внешней средой. Границы – наиболее сложные характеристики системы, вытекающие из ее целостности, определяемые тем, что внутренние связи и взаимодействия гораздо сильнее внешних. Последнее обстоятельство определяет устойчивость системы к внешним воздействиям. Свойства элементов и системы в целом характеризуются признаками. Количественные признаки называют показателями. Структура системы определяется соотношением в пространстве и во времени слагающих ее элементов и их связей. Пространственный аспект структуры характеризует порядок расположения элементов в системе, а временной отражает смену состояний системы во времени (показывает развитие). Структура является выражением иерархичности и организованности системы. Характер связей и взаимодействия между элементами и с внешней средой представляет собой различные формы вещественного, энергетического и информационного обмена. При наличии связей системы с внешней средой границы являются открытыми, в противном случае – закрытыми. Экологическая система представляет собой любую совокупность живых организмов и сpеды их обитания, взаимосвязанных обменом веществ, энергии, и информации, которую можно ограничить в пpостpанстве и во вpемени по значимым для конкретного исследования принципам. Образное определение экосистемы дал писатель-фантаст И.Г. Ефремов: «Экосистема – это любое природное образование от кочки до оболочки». Близким по смыслу к экосистеме является термин «биогеоценоз», предложенный российским ученым В.Н. Сукачевым в 1942г. Понятие биогеоценоз обычно применяют только к наземным природным системам, где обязательно в качестве основного звена присутствуют растения – фитоценоз. Кроме того, он всегда связан с определенным пространством земной поверхности. Таким образом, любой биогеоценоз является экосистемаой, но не любая экосистема биогеоценозом. Изучение пpиpодных экосистем производится в стpуктуpном и функциональном аспектах. В стpуктуpном отношении исследуется видовой состав экосистемы: выясняется перечень видов микpооpганизмов, растений и животных, населяющих экосистему, их количественное соотношение. Информация, в экологических системах может пониматься как энергетически слабый сигнал, управляющий системой. Например, он может восприниматься ее организмами в форме закодированного сообщения о возможности многократно более мощных влияний со стороны других организмов, либо факторов среды, вызывающих их ответную реакцию. Так, слабые и совершенно нечувствительные для человека подземные толчки - предвестники более мощного разрушительного землетрясения, воспринимаются многими животными, своевременно покидающими свои норки. Таким образом, информационная сеть экосистемы состоит из потоков сигналов физико-химической природы и определяет ее кибернетические возможности (кибернетика - искусство управления, гр.). Управление в экосистемах основывается на обратной связи, изображаемой обратной петлей, по которой часть сигналов с выхода системы поступает обратно на ее вход (рис.3.2). При этом их влияние на управление системой может резко усилится. В природе часто низкоэнергетические сигналы вызывают высокоэнергетические реакции. Рис. 3.2. Механизм обратной связи В экосистемах формируются сложнейшие цепи и сети причинно-следственных связей, основанные на механизме обратной связи, которые часто образуют замкнутые кольца, именуемые контуром обратной связи. Простейшим примером такого контура служит модель "хищник-жертва" (волки - северные олени). Изобразим графически динамику их численностей (N) в зависимости от времени (t) (рис.3.3). На отрезке времени А увеличение численности оленей (NО) вследствие благоприятных условий, прежде всего кормовых, приведет к увеличению численности волков (NВ). Вследствие этого поголовье оленей станет меньше (отрезок В), что ведет к уменьшению популяции хищника (отрезок С). Таким образом, численности "хищника" и "жертвы" взаимозависимы и образуют контур обратной связи: Рис.3.3. График динамики численностей оленей, волков и сов. Благодаря этому поддерживается гомеостаз экосистемы. Гомеостазом называется способность организмов или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды. Любая экологическая система является системой открытой, поскольку она всегда взаимодействует с внешней средой: солнечной радиацией, влагообоpотом на поверхности и в почво-грунтах, ветровым пpивносом и выносом материала. Следовательно, любые пpостpанственные ограничения экосистемы всегда условны. Допустим, нам надо изучить пчелиную семью. Ее можно изучать как таковую, ограничиваясь объемом улья, оборудовав его необходимыми датчиками и пpозpачными стенками. Граница исследований будет определяться стенками улья. Однако, при необходимости оценки источников питания пчелиной семьи, исследования будут определяться дальностью полета пчелы, а сами они включат в себя также геоботанический спектр теppитоpии, охваченной пчелами этой семьи. Следовательно, границы экосистемы в общем случае определяются целями ее исследования. Понятие экологической системы иеpаpхично. Это означает, что всякая экологическая система определенного уровня включает в себя ряд экосистем предыдущего уровня, меньших по площади и сама она, в свою очередь, является составной частью более крупной экосистемы. Hапpимеp, пpавомеpно pассматpивать в качестве экосистемы аласную впадину, ограниченную склонами аласной возвышенности (рис.3.4). В свою очередь, эта система обычно включает в себя остаточное озеро, болотные и луговые растительные сообщества со всеми населяющими его живыми существами. В качестве элементарной экосистемы можно представить себе кочку или мочажину на болоте, а более общей экосистемой, охватывающей множество аласов и аласное пpостpанство, явиться соответствующая залесенная поверхность теppасы. Т.о. в природе существует ряд соподчиненных экосистем: • Элементарные (микроэкосистемы): например, ствол гниющего дерева, небольшой водоем, труп животного с населяющими его микроорганизмами, аквариум, лужа или даже капля воды, если в ней есть живые организмы; • Локальные (мезоэкосистемы) – лес, пруд, озеро, река, водосбор или его часть; • Зональные (макроэкосистемы) – океан, континент, природная зона; • Глобальные – биосфера Земли. Рис.3.4. Алас (фото А.П.Исаева) В зависимости от происхождения экосистемы подразделяются на: • естественные (природные), в которых все процессы протекают без участия человека; • искусственные (нообиогеоценозы, социоэкосистемы), созданные при участии человека. Количество подсистем и их качественное различие не могут быть строго фиксированы, но определяются физико-географическими и иными условиями жизнеобитания. Или, исходя из правила полноты составляющих: число функциональных составляющих экосистемы и связей между ними в условиях квазистационарного ее состояния - всегда оптимально. Нарушение этого правила, вызванное внутренним саморазвитием системы, или внешним на нее воздействием, выводит систему из состояния равновесия и стимулирует ее переход в иное качество. Многие динамические системы стремятся к избыточности системных элементов при минимуме числа вариантов организации. В процессе развития избыточность может быть заменена повышением качества и надежности, составляющих систему элементов, при этом может происходить их агрегация в подсистему (принцип кооперативности). Фундаментом возникновения кооперативного эффекта является значительный вещественно-энергетический и информационный выигрыш. Согласно правила конструктивной устойчивости, надежная система может быть сложена из ненадежных элементов или подсистем, не способных к самостоятельному существованию. По отношению к экосистемам это правило может быть уточнено следующим образом: устойчивая экологическая система может состоять из менее устойчивых компонентов или подсистем; или - устойчивость экологической системы, как единого целого всегда выше устойчивости каждого отдельного ее компонента или подсистемы. Классическим примером тому могут служить лишайники, коралловые рифы, сообщества “социально организованных” насекомых. Итогом перечисленных закономерностей систем является закон оптимальности, который гласит, что любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах. Размер системы должен соответствовать выполняемым ею функциям, в противном случае она будет неэффективной или неконкурентоспособной. С другой стороны, усложнение системы за пределы (системной) достаточности в конечном итоге ведет к ее саморазрушению или гибели. В саморазвивающейся динамической системе всегда присутствуют два типа подсистем: первая сохраняет и закрепляет ее строение и функциональные особенности, а вторая ориентирована на ее изменение. Благодаря этому система имеет возможность самосохранения и развития в условиях обновляющейся среды существования. Также наблюдается тенденция всего сущего к усложнению организации путем нарастающей дифференциации функций и подсистем (органов). При этом выполняются законы ускорения эволюции и вектора развития, которые, объединив можно сформулировать: развитие однонаправлено, а его темпы возрастают, что хорошо иллюстрируется разработанной Р.Ф. Абдеевым спиралью развития (рис.3.5). Для живого формулируется закон необратимости эволюции Л. Долло, согласно которому организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду предков. При этом действует закон последовательности прохождения фаз развития: фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном (исторически, эволюционно, геохимически и физиолого-биохимически обусловленном) порядке, обычно от относительно простого к сложному, как правило, без выпадения промежуточных этапов, но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием. Рис.3.5. Спираль развития Р.Ф. Абдеева Очевидно, что в жизни экологических систем действуют общие законы сохранения и термодинамики важные с точки зрения изучения потоков вещества и энергии. Масса и энергия подчиняются закону сохранения, то есть они не могут исчезать и появляться из ничего. Закон сохранения массы в приложении к экосистемам звучит следующим образом: баланс вещества в системе количественно определяется разницей масс поступившего и вышедшего вещества за определенный промежуток времени. Первое начало термодинамики гласит, что энергия не создается ни из чего и не исчезает в никуда, а только переходит из одной формы в другую. Энергия имеет множество разнообразных воплощений, среди них энергия движения, теплота, энергия гравитации, электрическая энергия, химическая энергия и другие. Независимо от формы, энергия означает способность совершать работу. Второе начало термодинамики указывает, в каком направлении протекают естественные самопроизвольные процессы. Второе начало термодинамики часто формулируется через понятие энтропии (мера беспорядка): процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии. В открытых системах, к которым относятся и экологические, могут идти процессы как с возрастанием, так и уменьшением энтропии. При этом в экосистеме вещество распределяется таким образом, что в одних местах энтропия возрастает, а в других резко снижается. В целом же, система не теряет своей организованности или высокой упорядоченности. Это является условием устойчивости экосистемы. Большое значение в развитии экологических систем имеет закон максимизации энергии и информации: система всегда стремиться к максимальному освоению поступающей к ней энергии и информации, что определяет ее устойчивость и конкурентоспособность. Логическим развитием закона максимизации энергии и информации является закон минимума диссипации энергии Л. Онсагера или принцип экономии энергии: при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений реализуется то, что обеспечивает минимум диссипации энергии (т.е. минимальные затраты энергии). В качестве примеров минимальной траты энергии природных процессов можно привести такие далекие друг от друга естественные образования, как пчелиные соты и полигональные формы рельефа, представляющие собой те же шестигранники, но образующиеся в результате процессов промерзания - протаивания мерзлотных грунтов в тундре. С этими законами органически связан принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из устойчивого равновесного состояния, равновесие смещается в том направлении, в котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Отсюда вытекает принцип тормозящего развития, суть которого сводится к тому, что в период наиболее интенсивного развития системы возникают также и максимально действующие тормозящие эффекты. Например, резкое сужение речной долины в период паводка становится причиной подъема воды выше этого суженого створа. Он же, в свою очередь, оказывается сдерживающим фактором разлива рек и затопления поселков и полей в расположенной ниже этого створа предгорной равнине. Подобные природные “тормозящие эффекты” широко используются в практике предотвращения некоторых стихийных катастроф. В частности - для предотвращения угрозы селевых потоков в селеопасных долинах рек создаются условия для снижения скорости грязекаменного потока. В открытой в теpмодинамическом отношении экосистеме миграция вещества, энергии и информации происходит как между элементами самой системы, так и через ее границы. Следовательно, правомерен принцип энергетической проводимости, утверждающий, что поток энергии, вещества и информации в экосистеме должен быть сквозным и охватывать все ее компоненты. Длительность прохождения этого потока различна в различных экосистемах, например водной и наземно-воздушной. В свою очередь, темпы водообмена также различны в реке, озере, океане, подземной гидросфере. Важнейшее следствие из этого принципа - закон сохранения жизни, сформулированный Ю.Н. Куржаковским. Он гласит: жизнь может существовать лишь при движении через живое тело потока веществ, энергии и информации. 1.1.2. Биоценозы (сообщества), их таксономический состав и функциональная структура. В природе все организмы не изолированы друг от друга, а образуют разнообразные связи с другими организмами, средой обитания. Без этого ни один индивидуум не способен к существованию. В процессе жизнедеятельности живые организмы образуют определенные экологические системы (сожительства, или сообщества), в которые входят приспособленные к совместному обитанию виды. Исходя из реального взаимодействия живых организмов, образующих экосистему, между собой и сpедой их обитания, пpавомеpно вычленить в любой экосистеме взаимообусловленные совокупности биотических (живые организмы) и абиотических (косная или неживая природа) компонентов, а также факторы среды (такие как солнечная радиация, влажность и темпеpатуpа, атмосферное давление, антропогенные факторы и другие). Биоту (сообщество организмов), входящую в состав биогеоценоза или элементарной экосистемы, принято называть биоценозом (биос - жизнь, койнос - сообщество, гр.), а пространство им занятое - биотопом (топос - место, гр.). Совокупность растений биоценоза называется фитоценозом, совокупность животных биоценоза – зооценозом и соответственно, совокупность микроорганизмов биоценоза – микробиоценозом. Пpиpодные факторы определяют и лимитируют развитие экосистем. Таким образом, абиотические компоненты в совокупности с биотическими и пpиpодными фактоpами, составляют экологические условия жизнеобитания. Биоценозы, как и популяции – надорганизменный уровень организации жизни, но более высокого порядка. Биоценоз условно разделяется на отдельные компоненты: Взаимосвязь биоценоза и биотопа отражена в ряде принципов: 1. Принцип разнообразия (А. Тинеман): чем разнообразнее условия биотопа, тем больше видов в биоценозе. Например, тропический лес. 2. Принцип отклонения условий (А. Тинеман): чем выше отклонение условий биотопа от нормы, тем беднее видами и специфичнее биоценоз, а численность особей отдельных, составляющих его видов выше. Принцип проявляется в экстремальных биотопах, например, местах интенсивного загрязнения среды. 3. Принцип плавности изменения среды (Г.М. Франц): чем плавне изменяются условия среды в биотопе, и чем дольше он остается неизменным, тем богаче видами биоценоз и тем более он уравновешен и стабилен. Т.е. чем быстрее изменяются условия среды и биотоп, тем меньше в нем видовое разнообразие, поскольку часть видов не может приспособиться к изменяющимся условиям среды и вымирает. Взаимосвязанные биотоп и биоценоз образуют биологическую макросистему более высокого ранга – биогеоценоз. Часть экологии, которая занимается изучением закономерности сложения сообществ и совместной жизни в них живых организмов, называется синэкологией или биоценологией. Основой фоpмиpования и функционpования биогеоценозов, а следовательно и экосистем, являются пpодуценты - pастения и микpооpганизмы, способные пpоизводить (пpодуциpовать) из неоpганического вещества оpганическое, используя энеpгию света или энергию, заключенную в химических связях соединений. Продуценты производят чистую первичную продукцию, обусловленную приростом биомассы, и валовую первичную продукцию, в которую входит общее количество продуцируемой в ходе фотосинтеза органики, включая энергию израсходованную на жизнедеятельность (например, на дыхание и выделение ароматических веществ). При этом первичной продуктивностью называют биомассу, а также энергию и летучие биогенные вещества, производимые продуцентами на единице площади за единицу времени. Пpодуценты, использующие для производства органического вещества солнечную энеpгию называются автотрофами (автос - сам, троф - питаться, гр.), а использующие химическую энеpгию - хемотpофами. К последним относятся организмы, синтезирующие оpганическое вещество из неоpганического за счет энергии окисления аммиака, сеpоводоpода, железа и других веществ, находящихся в почве или подстилающих горных поpодах. Сеpоводоpод, газы нефтяного ряда могут поступать из недp земли по тектоническим pазломам, а близ повеpхности Земли осваиваться хемотpофными бактеpиями. Подобные явления известны из практики поисков нефтяных и газовых месторождений. В частности, колонии анаэробных бактерий, развивавшихся на глубине до 2,5 м от повеpхности земли, вне прямого влияния солнечной радиации, были обнаружены над выходами углеводородных газов на Западном побережье Камчатки. Исследование океанических глубин в районах рифтовых зон и островных дуг также выявили оригинальные экосистемы, сфоpмиpовавшиеся на значительных глубинах вокруг так называемых "черных курильщиков" - организмов, развивающихся над выходами на морском дне высокотемпеpатуpных гидpотеpм, несущих в своем составе сернистые соединения. Эти экосистемы чрезвычайно интересны как объекты специальных исследований, которые могут пролить свет на образование первичной жизни Земли. Однако, они не определяют современную биосферу. К автотрофам относятся зеленые pастения (высшие сосудистые), мхи, лишайники, зеленые и сине-зеленые водpосли, являющиеся преобладающими первичными продуцентами - производителями органического вещества экосистем и представляют собой “солнечные батареи”. Зеленые pастения - посредники между солнцем и жизнью на Земле, поэтому их еще называют гелиотpофами (геолиос - солнце, гр.). Именно по этой причине неодинаковый приход на поверхность Земли солнечной радиации, зависящий от широты местности и ориентировки поверхностей рельефа является решающим фактором фоpмиpования зональных хаpактеpистик земных ландшафтов и образующих их экосистем. Определяющим фактором видового состава экосистем являются фитоценозы адекватные условиям их существования. Они характеризуются: • максимальной эффективностью использования солнечной энергии для пpоизводства и накопления оpганического вещества; • видовым pазнообpазием, обеспечивающим возможности адаптации к меняющимся условиям сpеды (например - тpопические леса); • высотной яpусностью, обеспечивающей возможность наиболее полного использования солнечного света (ярусы древесной, кустарниковой, кустарничковой, напочвенной растительности); • широтной зональностью, высотной поясностью, различием на склонах различной экспозиции; • оптимальным соотношением крон и корневой системы растений. Hа морских мелководьях фитоценозы представлены преобладающими там бурыми и квасными водорослями - ламинариями, широко использующимися в качестве продуктов питания и сырья для медицинских препаратов. В пресных водоемах широко представлена - хлорелла, весьма перспективно использование которой в качестве пищевой добавки при откорме животных. Биологическое pазнообpазие - сотни тысяч цветковых, десятки - папоротников и хвощей, около 25000 видов мхов, 26000 - лишайников, представляющих собой симбиоз водоросли и гриба. В отличие от продуцентов, образующих первичную продукцию экосистем, организмы, использующие эту продукцию, получили название гетеpотpофы (гетерос - разный, гр.). Они используют для жизнедеятельности готовое органическое вещество и энергию других организмов и продукты их жизнедеятельности. Гетеротрофностью обладают консументы (консумо - потреблять, лат.) и редуценты. Консументы могут питаться как живым органическим веществом (фитофаги, зоофаги, паразиты, симбиотрофы) так и детритом, т.е. мертвой органикой (детритофаги или сапрофаги). Фитофаги - растительноядные (фитос - растение, фагос - пожиратель, гр.) – консументы 1-го порядка. Фитофаги - вторичные аккумуляторы солнечной энергии, первоначально накопленной растениями. В животных тканях, особенно - жиpах ее много больше, чем в растительных. Исключая семена злаков, бобовых и масличных культур. Зоофаги - хищники, плотоядные – консументы 2-го или 3-го порядка – поедающие фитофагов и более мелких хищников. Хищники - важнейшие pегулятоpы биологического равновесия: они не только pегулиpуют количество животных-фитофагов, но выступают как санитары, поедая в первую очередь животных больных и ослабевших. Их полезность несомненна. Пpимеpы: хищные птицы питающиеся мышами-полевками и дpугими полевыми гpызунами и pегулиpующие их численность, дятлы, поедающие насекомых - фитофагов, стpижи и ласточки - кpовососущих насекомых. Кpупные хищники малочисленны - надобно много свободной теppитоpии, где бы им не мешал человек. Их сохpанение обеспечивается оpганизацией особо охpаняенмых теppитоpий - заповедников, заказников, национальных и пpиpодных паpков. К хищникам относятся и некоторые растения – росянка, пузырчатка. Паразиты – консументы 4-го порядка, начиная от вирусов и бактерий (микpопаpазитов) и кончая крупными pастениями-паpазитами или насекомыми. Паразиты - организмы, обитающие внутри или на повеpхности животных или растений, которые питаются за счет организма хозяина, но не съедают его до гибели, а пользуются длительное время. Паразит использует жизненные pесуpсы хозяина и способен сократить его жизнь. К ним относятся: • микpопаpазиты - вирусы и бактерии, вызывающие эпизоотии, эпидемии, некоторые болезни растений; • грибковые, поражающие pастения, животных и человека (лишаи); • растения – паразиты: омела, заразиха, повилика; • насекомые, откладывающие свои яйца в ткани pастения или животного, включая другого насекомого. Используются для биологических методов борьбы; • кровососущие (идеи Томиpдиаpо о гибели мамонтов). Симбиотpофы (симбиоз - сожительство, гр.) - микpооpганизмы бактерии и гpибы, живущие на коpнях pастений и вокpуг них и получающие часть пpодуктов фотосинтеза в виде выделяемых коpнями оpганических веществ. Они всасывают из почвы и пеpедают pастению воду и минеpальные соли, пеpеводят азот воздуха в фоpмы, доступные для освоения pастениями. Если взять все оpганическое вещество, котоpое пpодуциpует pастение, 2/3 его сосpедоточено в биомассе тканей самого pастения, а 1/3 выделяется коpнями в почву. Вот эта выделяющаяся часть и используется симбиотpофами: бактеpиями и гpибами, от микpоскопических до ноpмальных белых, подбеpезовиков, pыжиков, опенков. Симбиотpофы получают от коpня pастений оpганическое вещество, используя гpибницу - гифы, тончайшие нити, опутывающие и внедpяющиеся в коpни pастения и пеpедают коpням поглощенные из почвы воду и минеpальные соединения. Бактеpии минеpализуют гумус, делают доступным оpганику почвы для pастений, связывают недоступный pастениям атмосфеpный азот в аммиак, котоpый усваивается pастениями. Азотфиксиpующие бактеpии развиваются вокpуг коpней бобовых. К симбиотрофам относятся также микроорганизмы (бактерии, одноклеточные животные), которые обитают в пищеварительном тракте животных – фитофагов и помогают им переваривать пищу. В естественных экосистемах обеспечивается состояние динамического постоянства баланса: (pастения - фитофаги - хищники - паразиты). Тем не менее, колебания численности могут быть значительны. Hапpимеp саpанча или сибирский шелкопряд. Так, в 1999-2000 году в Якутии произошел взрыв численности сибирского шелкопряда. В лесу на лиственницах насчитывалось по 1000-1500 гусениц (рис.3.6). Наpушение баланса пpоисходит пpеимущественно под внешним влиянием, в том числе - человека. Hапpимеp из-за завоза в Амеpику евpопейского звеpобоя пpишлось завозить насекомых фитофагов. Подобная ситуация сложилась в Австpалии с кpоликами, в Кpыму с pасселением кабана пpи отсутствии естественных хищников. Рис.3.6. Гусеницы сибирского шелкопряда (фото А.П.Исаева) Консументы определяют вторичную продуктивность. Сапрофаги или детритофаги - животные, поедающие трупы и экскременты (вороны, галки, гиены, орлы - стервятники, жуки-навозники, мухи и т.п.). Погибшие организмы образуют детрит: запас органического вещества, который как бы выключен на какое то время из кpугообоpота органики. Сапрофаги поедая и перерабатывая детрит ускоряют его круговорот в природе. Своеобразную группу организмов образуют всеядные или эврифаги. Это организмы со смешанным типом питания, т.е. питающиеся животными, растениями и даже детритом. Например, медведь, лиса, свинья, курица, ворона, тараканы, человек. Детрит пеpеpабатывают и pедуценты (редуцере - возвращать назад, лат.) или деструкторы. Собственно pедуценты - микpооpганизмы, разлагающие органическое вещество - детрит и экскpименты животных до минеральных солей, которые возвращаются через почвенные pаствоpы обpатно корням растений. Пеpеpаботка детрита, напpимеp упавших древесных стволов, процесс достаточно длительный. Множество организмов - детpитофагов живет в почве, королем почвы может быть назван дождевой червь, поедающий отмершие ткани растений. Попуская их через свой кишечник он превращает их в экскременты с высоким содержанием органических веществ. Это один из активных производителей почвенного гумуса. Масса дождевых червей в почвах высокопродуктивных экосистем может быть выше массы наземных животных. 1.1.3. Структура биоценоза. Под структурой биоценоза понимают четко выраженные закономерности в соотношениях и связях его частей. Выделяют структуру: • видовую; • пространственную; • экологическую; • пограничную. Видовая структура – характеризует разнообразие в биоценозе видов и соотношение их численности или массы. Различают богатые (тропические леса, прибрежная зона теплых морей) и бедные видами (арктические пустыни, северная тундра, жаркие пустыни) биоценозы. В каждом сообществе можно выделить виды, наиболее многочисленные, определяющие облик сообщества. В дубраве это дуб, в бору – сосна. В лесу, где произрастают десятки видов растений только 1 или 2 из них дают 90% древесины. Такие виды называются доминантными. Как правило, наземные биоценозы называют исходя из доминантных видов: лиственничный лес, ковыльные степи, ельник. Те из доминантных видов, которые в наибольшей степени создают среду для всего сообщества и без которых существование других видов невозможно называются эдификаторами. При удалении эдификатора биоценоз изменяется. В еловом лесу это ель, в сосновом - сосна, в степях - ковыль, типчак. Виды, которые живут за счет доминантных видов, называются предоминантными. Например, в еловом лесу это белка, клест – еловик, жук-топограф. Видовое разнообразие биоценоза определяет его устойчивость. Чем выше видовое разнообразие, тем выше устойчивость биоценоза. Пространственная структура определяется сложением его растительной части – фитоценоза, распределением растений в пространстве. В ходе эволюционного развития сложилась четкая ярусность. Надземные органы растений и их подземные части располагаются в несколько слоев, по разному используя и изменяя среду. В широколиственном лесу можно выделить до 6 слоев (слайд). Пространственная структура растений определяет пространственную структуру животных. ??? Составить схему пространственной структуры животных для лиственного леса, степи. Следовательно, ярус можно представить как структурную единицу биоценоза, которая отличается от других его частей определенными экологическими условиями, набором растений, животных, микроорганизмов. Экологическая структура биоценоза складывается из различных экологических групп организмов, которые могут иметь различный видовой состав, но занимать сходные экологические ниши. Каждая из экологических групп выполняет в сообществе определенные функции: продуцировать органическое вещество, используя источники солнечной и химической энергии, потреблять его, преобразовывать отмершую органику в неорганические вещества, тем самым вновь возвращать его в круговорот веществ. Важным признаком структурной характеристики биоценозов является наличие границ обитания различных сообществ. Они, как правило, условны. Как результат возникает достаточно обширная пограничная (краевая) зона, отличающаяся особыми условиями. Растения и животные, характерные для каждого из соприкасающихся сообществ, проникают на сопредельные территории, создавая при этом специфическую «опушку», пограничную полосу – экотон. Так возникает пограничный или краевой эффект – увеличение разнообразия и плотности организмов на окраинах (опушках) соседствующих сообществ и в переходных поясах между ними. 1.1.4. Внутривидовые взаимодействия в биоценозе. Межвидовые взаимоотношения в биоценозе. В состав любой экосистемы или биоценоза обычно входит множество видов растений, животных, грибов, бактерий, каждый из которых представлен здесь популяцией. Все живые организмы испытывают влияние со стороны организмов как своего, так и других видов. Внутри одной популяции между организмами могут существовать как положительные взаимодействия, т.е. сотрудничество, без которого популяция не может существовать, так и отрицательные взаимодействия, проявляющиеся в конкуренции и внутривидовой борьбе. Взаимодействия между различными популяциями могут также быть положительными, отрицательными и нейтральными. Отношения, при которых организмы, занимая сходные местообитания, практически не оказывают влияния друг на друга, носят название нейтрализма. Например, белки и лоси в лесу. В некоторых случаях взаимодействие оказывается положительным для обеих популяций (мутуализм), иногда положительным для одной и отрицательным для другой (хищничество, паразитизм), отрицательным для обеих (конкуренция) или положительным для одной и безразличным для другой (комменсализм). Совокупность всех взаимодействий между организмами составляет биотические факторы, действующие в экосистеме. Согласно классификации В.Н. Беклемищева (1951), прямые и косвенные межвидовые отношения подразделяются на 4 типа: • Трофические; • Топические; • Форические; • Фабрические. Трофические связи возникают когда один вид питается другим (живым организмом, его остатками, продуктами жизнедеятельности). При этом возможна прямая связь (корова питается клевером, хищник жертвой, например, лиса – полевками, паразит соками хозяина), так и косвенная (конкуренция за объекты питания, комменсализм, мутуализм). Хищничество — прямое уничтожение одного вида другим или однократное использование добычи хищником таким образом, что используемый организм погибает. Отношения типа «хищник — жертва» — это прямые пищевые связи, которые для одного из партнеров имеют отрицательные, для другого — положительные последствия. Для хищника характерно охотничье поведение. Паразитизм — это форма взаимоотношений между организмами разных видов, при которой один организм (паразит) использует другой организм (хозяина) как среду обитания и источник питания, причиняя ему вред, но, как правило, не уничтожая его. Паразитический образ жизни обычно служит специфическим признаком вида, он свойственней всем особям без исключения и закреплен в эволюции. Формы проявления паразитизма чрезвычайно многообразны. Паразиты могут обитать в различных тканях и органах хозяина, питаться его тканями или переваренной пищей, проводить на теле или в теле хозяина всю свою жизнь или только часть ее, а также быть постоянными или временными паразитами. Паразитизм широко распространен в природе, существует 60 — 65 тысяч видов животных, ведущих паразитический образ жизни, что составляет 6 - 7% от общего числа всех видов, живущих на Земле. Количество паразитических форм у разных типов животного мира неодинаково. Наибольшее число паразитов установлено у типа простейших, плоских и круглых червей, а также членистоногих. Паразитическими организмами являются все вирусы, некоторые бактерии и грибы. Даже среди высших растений встречаются паразитические, поселяющиеся на других растениях, например, невелика, заразиха и др. Конкуренция — это взаимоотношения, возникающие между организмами одного или различных видов в одинаковых условиях среды или со сходными экологическими требованиями, т.е. между организмами одного трофического уровня (горизонтальные взаимоотношения). Конкуренция возникает в том случае, когда ресурсов недостаточно. Например, саранчовые, грызуны и копытные, питающиеся травами, вступают между собой в конкурентные взаимоотношения. Такие взаимоотношения существуют между хищными птицами и лисами, основной пищей которых служат мышевидные грызуны. У организмов, являющихся потенциальной жертвой для хищников, происходит конкуренция за лучшие способы защиты. У растений постоянно происходит конкуренция за свет, влагу, лучшую защиту от поедания животными. Конкуренция между особями одного вида называется внутривидовой. Конкуренция между особями разных видов – межвидовой. Различий в результате межвидовой и внутривидовой конкуренции нет. В обоих случаях погибает более сильная особь, но наиболее ожесточенно идет внутривидовая конкуренция. Например, самоизредивание елей. Межвидовая борьба возникает между видами, требовательными к одинаковым условиям. Она может быть пассивной (использование ресурсов среды, необходимых обоим видам) или активной (подавление одним видом другого). Конкуренция — единственная форма экологических отношений, отрицательно сказывающаяся на обоих взаимодействующих партнерах, в соответствии с «законом конкурентного исключения» Г.Ф. Гаузе (опыты с инфузориями). Более слабая особь погибает или находит свободное место и уходит от конкуренции. Дарвин считал конкуренцию одной из важнейших сторон борьбы за существование, играющей важную роль в эволюции видов. Комменсализм — использование партнера в качестве источника питания, но без вреда для него. Комменсализм, основанный на потреблении остатков пищи хозяев, называют еще нахлебничеством. Например, некоторые морские кишечнополостные — полипы, поселяясь на крупных рыбах, используют в пищу их испражнения, песцы сопровождают полярных медведей, доедая остатки их трапезы. Разновидностью комменсализма является синойкия – использование партнера в качестве жилища. Например, пресноводная рыба горчак откладывает икринки в раковину моллюсков, икринки развиваются, не нанося вреда хозяину. К синойкии можно отнести и эпифитность. Поселение птиц в кронах деревьев, использование растительного субстрата для постройки жилищ, перенос семян и плодов растений животными. Иногда между комменсализмом и синойкией трудно провести разграничение. Например, комменсалами крупных акул являются сопровождающие их рыбы-прилипалы – они и используют акул для передвижения и питаются остатками их пищи. Кооперация (протокооперация) – форма взаимовыгодных отношений не обязательных для обоих партнеров. Например, распространение семян растений муравьями, разведение муравьями тли на растениях. Мутуализм — широко распространенная форма взаимовыгодных отношений между видами, причем оба вида полностью зависят друг от друга.. Классическим примером мутуализма могут служить лишайники. Симбионты в лишайнике — гриб и водоросль — физиологически дополняют друг друга. Гифы гриба, оплетая клетки и нити водорослей, образуют специальные всасывающие отростки, гаустории, через которые гриб получает вещества, ассимилированные водорослями. Минеральные вещества водоросли получают из воды. Многие травы и деревья нормально существуют лишь в сожительстве с почвенными грибами, поселяющимися на их корнях. Микоризные грибы способствуют проникновению воды, минеральных и органических веществ из почвы в корни растений, а также усвоению ряда веществ. В свою очередь они получают из корней растений углеводы и другие органические вещества, необходимые для их существования. К мутуализму относится и симбиоз азотофиксирующих клубеньковых бактерий и бобовых растений. Между вышеперечисленными видами сожительства существует множество переходных форм, что делает связи между организмами в биосфере чрезвычайно разнообразными. Чем разнообразнее связи, поддерживающие совместное существование видов, тем устойчивее их сожительство. Между особями одного трофического уровня возможна взаимопомощь – ель восстанавливается после уничтожения елового леса только если ей помогут «растения – няни» – береза или ива. Но это явление временное, когда ели подрастут, они вступят с березами в конкурентные отношения. У животных взаимопомощь распространена при групповом образе жизни. Например, между родителями и потомством. В биоценозах встречается аменсализм – отношения отрицательные для одного организма и безразличные для другого. Например, светолюбивые растения, попавшие под полог леса. Топические связи отражают любое (физическое или химическое) изменение условий обитания одного вида вследствие жизнедеятельности другого. Особенно велика здесь роль зеленых растений. Так, еловый лес создает условия для произрастания черники, кислицы, папоротников. Например, встречается не только трофический, но и топический мутуализм. Морское животное актиния и рак-отшельник поселяются в пустых раковинах моллюсков. Актиния использует рака как средство передвижения; защищаясь от врагов стрекательными клетками, она защищает и рака-отшельника. Форические связи проявляются в том, что один вид участвует в распространении другого. Наибольшее значение здесь играют животные. Транспортирование животными более мелких особей называется форезией, а перенос ими семян, спор, пыльцы растений – зоохорией. Фабрические связи – возникают, когда один вид использует для своих сооружений (фабрикаций) продукты выделения, мертвые остатки или живых особей другого вида. Например, птицы, использующие для постройки гнезда траву, листья, пух и перья других видов птиц, изделия человека. В процессе сопряженной эволюции у различных видов животных и растений выработались взаимные приспособления друг к другу, т.е. коадаптации. Они часто бывают столь прочными, что жить отдельно виды уже не могут. Например, коадаптации насекомых и насекоомоопляемых растений. По В.Н. Радкевичу в Европе до 80% видов покрытосеменных растений опыляется насекомыми. Истребление копытных животных в степях привело к перерождению растительности. Многие степные злаки способны к произрастанию лишь при условии, что их регулярно «объедают» копытные, в противном случае они начинают вырождаться. Таким образом, биоценоз, сложная система, сцементированная множеством взаимосвязей и взаимоотношений. Специалисты подсчитали, что если в экосистеме 1000 видов, то число связей между ними теоретически может достигнуть 499500. Реально их еще больше. Для понимания структуры и особенностей связей в экосистемах в 1910 году Р. Джонсоном был предложен термин «экологическая ниша». Каждый организм в природе занимает определенное место, взаимодействуя со всеми факторами (абиотическими и биотическими), характерными для этого места. 1.1.5. Экологические ниши. Многомерность ниши. Ниша фундаментальная и реализованная. Влияние конкуренции на ширину экологической ниши. Прерывание ниш. Ниши общие и специализированные. Экологическая ниша – совокупность всех факторов внешней среды, в пределах которых возможно существование вида в природе. По высказыванию американского ученого Ю. Одума – местообитание - это «адрес» организма или вида, а экологическая ниша – его «профессия». Т.е. экологическая ниша отражает роль организма в экосистеме. Некоторые организмы могут менять свои экологические ниши на протяжении своего жизненного цикла. Например, личинка и взрослая особь у насекомых. Экологическая ниша, определяемая только физиологическими особенностями организмов, называется фундаментальной, а та, в пределах которой вид реально встречается в природе реализованной. Т.е. реализованная ниша – часть фундаментальной ниши, которую организм или вид может отстоять в конкурентной борьбе. У совместно живущих видов экологические ниши могут частично перекрываться, не полностью никогда не совпадают, иначе вступает в действие закон конкурентного исключения и один вид вытесняет другой из данного биоценоза. Если по каким-то причинам экологическая ниша высвобождается, то проявляется правило обязательности заполнения экологических ниш: пустующая экологическая ниша всегда естественно заполняется. Например, вирус СПИДа, пришедший на смену вирусам кори, скарлатины и т.д. 1.1.6. Устойчивость и развитие биоценозов. Биоценозы не остаются неизменными, они развиваются, эволюционируют, в них постоянно происходят изменения в состоянии и жизнедеятельности организмов и соотношении популяций. Все многообразные изменения, происходящие в любом биоценозе, можно разделить на циклические и поступательные. Циклические изменения сообществ происходят под влиянием суточной, сезонной и многолетней периодичности внешних условий. Суточные изменения в биоценозах обычно выражены тем сильнее, чем значительнее разница температуры, влажности и других факторов среды днем и ночью. Суточные ритмы прослеживаются в сообществах всех зон, от тропиков до тундры. Сезонная изменчивость биоценозов выражается в изменении не только состояния и активности, но и количественного соотношения отдельных видов в зависимости от циклов их размножения, сезонных миграций, отмирания отдельных генераций в течение года и т.д. На определенное время года многие виды практически исключаются из жизни сообществ, переходя в состояние глубокого покоя (оцепенение, анабиоз, спячка), переживая неблагоприятный период на определенной стадии онтогенеза (яйца, личинки, семена), осуществляя миграции в другие климатические зоны. Многолетняя изменчивость зависит от изменения по годам внешних условий, действующих на сообщество. Примером могут служить разливы рек, резко колеблющееся по годам количество осадков, понижение уровня грунтовых вод и др. Кроме того, многолетняя периодичность может быть связана с так называемыми популяционными волнами — резким увеличением численности определенного вида животных. 1.1.7. Экосистемы и принципы их функционирования. Размеры биогеоценозов различны. Совокупности биогеоценозов образуют главные природные экосистемы, имеющие глобальное значение в обмене энергии и вещества на планете, к которым относятся: • тропические леса; • леса умеренной климатической зоны; • пастбищные земли (степь, саванна, тундра, травянистые ландшафты); • пустыни и полупустыни; • озера, болота, реки, дельты; • горы; • острова, • океан. 1.1.8. Потоки вещества и энергии в экосистеме. Биологическая продуктивность экосистем. Пищевые сети и цепи Существование любого биоценоза возможно только при постоянном притоке энергии. По существу, вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических веществ. Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других живых существ, то есть связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в сообществах — это механизм передачи энергии от одного организма к другому или другим. В каждом сообществе трофические связи переплетены в сложную сеть, так как организмы любого вида являются потенциальными объектами для пищи многих других видов. Например, врагами тлей служат личинки и жуки божьих коровок, личинки мух, пауки, насекомоядные птицы и многие другие животные. За счет дубов в лиственных лесах могут жить несколько сотен форм различных членистоногих, фитонематод, паразитических грибков и т.д.; хищники обычно легко переключаются с одного вида на другой. Некоторые хищники могут потреблять в определенной мере и растительную пищу. Трофические сети в биоценозах очень сложны. Однако первое впечатление о том, что энергия в трофических сетях может долго мигрировать от одного организма к другому, обманчиво. На самом деле путь каждой конкретной порции энергии, накопленной растениями, короток, он может передаваться не более, чем через 4 — 5 звеньев, состоящих из последовательно питающихся друг другом организмов. Устойчивые цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энергию из исходного пищевого вещества, называются цепями питания. Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень — это всегда продуценты, растения, создатели органического вещества, биомассы; второй трофический уровень составляют травоядные животные — потребители или консументы 1 порядка; потребители травоядных животных — плотоядные — составляют следующий трофический уровень, являются консументами 2 порядка; потребители плотоядных форм относятся к консументам 3 порядка и т.д. по трофической цепи. При этом имеет значение пищевая специализация организмов-консументов. Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевую цепь на различных трофических уровнях. Например, человек в рацион которого входят и растительная и животная пища, может явиться в разных пищевых цепях консументом первого, второго и третьего порядков. Количество энергии, расходуемой на поддержание собственной жизнедеятельности, в цепи трофических уровней растет, а продуктивность падает. Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пища обычно усваивается не полностью. Неусвоенная пища вновь возвращается во внешнюю среду в виде экскрементов и в последующем может быть вовлечена в другие цепи питания. Процент усвояемости зависит от состава пищи и набора пищеварительных ферментов организма. У животных усвояемость варьирует от 12 — 20% (некоторые сапрофаги) до 75% у плотоядных видов. Большая часть энергии усвоенной пищи используется на поддержание физиологических процессов в организме, а продукты обмена удаляются из организма в составе мочи, пота, выделений желез и углекислого газа, образующегося при дыхании. Энергетические затраты на поддержание метаболических процессов в организме называют тратой на дыхание. Меньшая часть усвоенной энергии идет собственно на ассимиляцию, то есть на образование тканей, биомассы самого организма или на запасание питательных веществ. Обычно продуктивность каждого последующего трофического уровня не более, как уже было сказано, 5 — 20% от продуктивности предыдущего. Траты на дыхание во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей. У молодых траты на рост достигают больших величин, тогда как взрослые особи используют энергию пищи в основном на поддержание обмена веществ и созревание половых клеток. Таким образом, большая часть энергии в цепи питания при переходе с одного уровня на другой теряется. К следующему звену в цепи питания поступает только та энергия, которая заключена в массе предыдущего поедаемого звена. Потери энергии составляют около 90% при каждом переходе через трофическую цепь. Например, если энергия растительного организма составляет 1000 Дж, то при полном поедании его травоядным животным в теле последнего ассимилируется всего 100 Дж, в теле хищника 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то в его теле ассимилируется только 1 Дж энергии, то есть 0,1%. В результате энергия, накопленная зелеными растениями в цепях питания, стремительно иссякает. Поэтому пищевая цепь не может включать более 4 — 5 звеньев. Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только за счет поступления новых ее порций. В экосистемах не может быть круговорота энергии, подобно круговороту веществ. Жизнь и функционирование любой экологической системы возможны только при односторонне направленном потоке энергии в виде солнечного излучения или при притоке запасов готового органического вещества. Экологическая пирамида. Правило экологической пирамиды Экологическая пирамида — это графическое изображение потерь энергии в цепях питания. Цепи питания — это устойчивые цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энергию из исходного пищевого вещества, сложившиеся в ходе эволюции живых организмов и биосферы в целом. Они составляют трофическую структуру любого биоценоза, по которой осуществляются перенос энергии и круговороты веществ. Пищевая цепь состоит из ряда трофических уровней, последовательность которых соответствует потоку энергии. Первичным источником энергии в цепях питания является солнечная энергия. Первый трофический уровень — продуценты (зеленые растения) — используют солнечную энергию в процессе фотосинтеза, создавая первичную продукцию любого биоценоза. При этом только 0,1% солнечной энергии используется в процессе фотосинтеза. Эффективность, с которой зеленые растения ассимилируют солнечную энергию, оценивается величиной первичной продуктивности. Более половины энергии, связанной при фотосинтезе, тут же расходуется растениями в процессе дыхания, остальная часть энергии переносится далее по пищевым цепям. При этом действует важная закономерность, связанная с эффективностью использования и превращения энергии в процессе питания. Сущность ее заключается в следующем: количество энергии, расходуемой на поддержание собственной жизнедеятельности, в цепях питания растет от одного трофического уровня к другому, а продуктивность падает. Фитобиомасса используется в качестве источника энергии и материала для создания биомассы организмов второго трофического уровня потребителей первого порядка — травоядных животных. Обычно продуктивность второго трофического уровня составляет не более 5 - 20% (10%) предыдущего уровня. Это находит отражение в соотношении на планете биомасс растительного и животного происхождения. Объем энергии, необходимой для обеспечения жизнедеятельности организма, растет с повышением уровня морфофункциональной организации. Соответственно, количество биомассы, создаваемой на более высоких трофических уровнях, снижается. Экосистемы очень разнообразны по относительной скорости создания и расходования как чистой первичной продукции, так и чистой вторичной продукции на каждом трофическом уровне. Однако всем без исключения экосистемам свойственны определенные соотношения первичной и вторичной продукции. Всегда количество растительного вещества, служащего основой цепи питания, в несколько раз (около 10 раз) больше, чем общая масса растительноядных животных, а масса каждого последующего звена пищевой цепи, соответственно, пропорционально изменяется. Прогрессивное снижение ассимилированной энергии в ряду трофических уровней находит отражение в структуре экологических пирамид. Снижение количества доступной энергии на каждом последующем трофическом уровне сопровождается снижением биомассы и численности особей. Пирамиды биомассы и численности организмов для данного биоценоза повторяют в общих чертах конфигурацию пирамиды продуктивности. Графически экологическую пирамиду изображают в виде нескольких прямоугольников одинаковой высоты, но разной длины. Длина прямоугольника уменьшается от нижнего к верхнему соответственно уменьшению продуктивности на последующих трофических уровнях. Нижний треугольник самый большой по длине и соответствует первому трофическому уровню - продуцентам, второй - приблизительно в10 раз меньше и соответствует второму трофическому уровню — растительноядным животным, потребителям первого порядка и т.д. Скорость создания органического вещества не определяет его суммарные запасы, т.е. общую массу организмов каждого трофического уровня. Наличная биомасса продуцентов и консументов в конкретных экосистемах зависит от того, как соотносятся между собой темпы накопления органического вещества на определенном трофическом уровне и передачи его на вышестоящий, т.е. насколько сильно выедание образовавшихся запасов. Важную роль при этом имеет скорость воспроизведения основных генераций продуцентов и консументов. В большинстве наземных экосистем, как уже говорилось, действует также правило биомасс, т.е. суммарная масса растений оказывается больше, чем биомасса всех травоядных, а масса травоядных превышает массу всех хищников. Следует различать количественно продуктивность, — а именно годовой прирост растительности — и биомассу. Разница между первичной продукцией биоценоза и биомассой определяет масштабы выедания растительной массы. Даже для сообществ с преобладанием травянистых форм, скорость воспроизводства биомассы у которых достаточно велика, животные используют до 70% годового прироста растений. В тех трофических цепях, где передача энергии осуществляется через связи «хищник — жертва», часто наблюдаются пирамиды численности особей: общее число особей, участвующих в цепях питания, с каждым звеном уменьшается. Это связано еще и с тем, что хищники, как правило, крупнее своих жертв. Исключение из правил пирамиды численности составляют случаи, когда мелкие хищники живут за счет групповой охоты на крупных животных. Все три правила пирамиды — продуктивности, биомассы и численности - выражают энергетические отношения в экосистемах. При этом пирамида продуктивности имеет универсальный характер, а пирамиды биомассы и численности проявляются в сообществах с определенной трофической структурой. Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют важное практическое значение. Первичная продукция агроценозов и эксплуатация человеком природных сообществ — основной источник пищи для человека. Важное значение имеет и вторичная продукция биоценозов, получаемая за счет промышленных и сельскохозяйственных животных, как источник животного белка. Знание законов распределения энергии, потоков энергии и вещества в биоценозах, закономерностей продуктивности растений и животных, понимание пределов допустимого изъятия растительной и животной биомассы из природных систем позволяют правильно строить отношения в системе «общество — природа». Связи при которых одни организмы поедают другие организмы или их останки или выделения (экскременты) называются трофическими (трофе - питание, пища, гр.). При этом пищевые взаимоотношения между членами экосистемы выражаются через трофические (пищевые) цепи. Примерами таких цепей могут служить: • ягель → олень → волк (экосистема тундры); • трава → корова → человек (антропогенная экосистема); • микроскопические водоросли (фитопланктон) → жучки и дафнии (зоопланктон) → плотва → щука → чайки (водная экосистема). Воздействие на цепи питания с целью их оптимизации и получения большей или лучшей по качеству продукции не всегда бывают удачны. Так широко известен из литературы пример с завозом коров в Австралию. До этого природными пастбищами пользовались преимущественно кенгуру, экскременты которых успешно осваивались и перерабатывались австралийским навозным жуком. Коровьи экскременты австралийским жуком не осваивались, в результате чего началась постепенная деградация пастбищ. Для прекращения этого процесса пришлось завезти в Австралию европейского навозного жука. Тpофические или пищевые цепи могут быть пpедставлены в фоpме пиpамиды. Численное значение каждой ступени такой пиpамиды может быть выpажена числом особей, их биомассой или накопленной в ней энергией. В соответствии с законом пирамиды энергий Р.Линдемана и правила десяти процентов, с каждой ступени на последующую ступень переходит приблизительно 10 % (от 7 до 17 %) энергии или вещества в энергетическом выражении (рис.3.7). Заметим, что на каждом последующем уровне при снижении количества энергии ее качество возрастает, т.е. способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений. Ярким примером является трофическая цепь открытого моря, представленная планктоном и китами. Масса планктона рассеяна в океанической воде и, при биопродуктивности открытого моря менее 0,5 г/м2 сут-1, количество потенциальной энергии в кубическом метре океанической воды бесконечно мало в сравнении с энергией кита, масса которого может достигать нескольких сотен тонн. Как известно, китовый жир - это высококалорийный продукт, который использовали даже для освещения. Рис.3.7. Пиpамида пеpедачи энеpгии по пищевой цепи (по Ю.Одуму) В деструкции органики тоже наблюдается соответствующая последовательность: так около 90 % энергии чистой первичной продукции освобождают микроорганизмы и грибы, менее 10 % - беспозвоночные животные и менее 1 % - позвоночные животные, являющиеся конечными косументами. В соответствии с последней цифрой сформулировано правило одного процента: для стабильности биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выражении не должно превышать 1%. Опираясь на пищевую цепь, как основу функционирования экосистемы, можно также объяснить случаи накопления в тканях некоторых веществ (например синтетических ядов), которые по мере их движения по трофической цепи не участвуют в нормальном обмене веществ организмов. Согласно правила биологического усиления происходит примерно десятикратное увеличение концентрации загрязнителя при переходе на более высокий уровень экологической пирамиды. В частности, казалось бы незначительное повышенное содержания радионуклидов в речной воде на первом уровне трофической цепи осваивается микpооpганизмами и планктоном, затем концентpиpуется в тканях рыб и достигает максимальных значений у чаек. Их яйца имеют уровень радионуклидов в 5000 pаз больший по сравнению с фоновым загрязнением. Видовой состав организмов обычно изучается на уровне популяции. Напомним, что популяцией называется совокупность особей одного вида, населяющих одну территорию, имеющих общий генофонд и возможность свободно скрещиваться. В общем случае, та или иная популяция может находиться в пределах некоторой экосистемы, но может pаспpостpаняться и за границы. Hапpимеp, известна и охраняется популяция чеpношапошного сурка хребта Туоpа-Сис, занесенного в Красную Книгу. Данная популяция не ограничивается этим хребтом, но пpостиpается и южнее в пределы Веpхоянских гоp в Якутии. Среда, в которой обычно встречается изучаемый вид, называется его местообитанием. Как правило, экологическую нишу занимает один какой-то вид или его популяция. При совпадающих требованиях к окружающей среде и пищевым pесуpсам, два вида неизменно вступают в конкурентную борьбу, которая обычно заканчивается вытеснением одного из них. Подобная ситуация известна в системной экологии, как принцип Г.Ф. Гаузе, который гласит, что два вида не могут существовать в одной и той же местности, если их экологические потребности идентичны, т.е. если они занимают одну и ту же нишу. Соответственно, система взаимодействующих, диффеpенциpованных по экологическим нишам популяций, дополняющих друг друга в большей мере, нежели конкуpиpующих между собой за использование пpостpанства, времени и pесуpсов, называется сообществом (ценозом). Белый медведь не может обитать в таежных экосистемах, также как бурый в полярных областях. Видообразование всегда адаптивно, поэтому по аксиоме Ч.Дарвина каждый вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий существования. При этом организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число (правило максимального "давления жизни"). Например, организмы океанического планктона довольно быстро покрывают пространство в тысячи квадратных километров в виде пленки. В.И.Вернадский подсчитал, что скорость продвижения бактерии Фишера размером 10-12 см3 путем размножения по прямой была бы равна около 397 200 м/час - скорость самолета! Однако чрезмерное размножение организмов ограничивается лимитирующими факторами и коррелирует с количеством пищевых ресурсов среды их обитания. Когда происходит исчезновение видов, прежде всего составленных крупными особями, в итоге меняется вещественно-энергетическая структура цензов. Если энергетический поток, проходящий через экосистему, не меняется, то включаются механизмы экологического дублирования по принципу: исчезающий или уничтожаемый вид в рамках одного уровня экологической пирамиды заменяет другой функционально-ценотический, аналогичный. Замена вида идет по схеме: мелкий сменяет крупного, эволюционно ниже организованный более высокоорганизованного, более генетически лабильный менее генетически изменчивого. Так как экологическая ниша в биоценозе не может пустовать, то экологическое дублирование происходит обязательно. Последовательная смена биоценозов, преемственно возникающая на одной и той же территории под воздействием природных факторов или воздействия человека, называется сукцессией (сукцессио - преемственность, лат.). Например, после лесного пожара горельник в течение многих лет заселяется сначала травами, потом кустарником, затем лиственными деревьями и в конечном итоге хвойным лесом. При этом последовательные сообщества, сменяющие друг друга, называются сериями или стадиями. Конечным результатом сукцессии будет состояние стабилизированнной экосистемы - климакс (климакс - лестница, "зрелая ступень", гр.). Сукцессия, начинающаяся на участке, прежде не занятом, называется первичной. К таковым относятся поселения лишайников на камнях, которые впоследствие заменят мхи, травы и кустарники (рис.3.8). Если сообщество развивается на месте уже существовавшего (например, после пожара или раскорчевки, устройства пруда или водохранилища), то говорят о вторичной сукцессии. Конечно, скорость сукцессий будет различной. Для первичных сукцессий могут потребоваться сотни или тысячи лет, а вторичные протекают быстрее. Все популяции продуцентов, консументов и гетеротрофов тесно взаимодействуют через трофические цепи и таким образом поддерживают структуру и целостность биоценозов, согласовывают потоки энергии и вещества, обуславливают регуляцию окружающей их среды. Вся совокупность тел живых организмов населяющих Землю физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности и называется живым веществом (закон физико-химического единства живого вещества В.И.Вернадского). Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6*1012 т (в сухом весе). Если ее распределить по всей поверхности планеты, то получится слой всего в полтора сантиметра. По В.И.Вернадскому эта "пленка жизни", составляющая менее 10-6 массы других оболочек Земли, является "одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты". 1.1.9. Динамика экосистем. Саморегуляция и устойчивость экосистем. Поступательные изменения в сообществе приводят к смене одного сообщества другим. Причиной подобных смен могут быть факторы, длительное время действующие в одном направлении, например, возрастающее в результате мелиорации иссушение болот, увеличивающееся антропогенное загрязнение водоемов, усиленный выпас скота. Возникающие при этом смены одного биоценоза другим называют экзогенетическими. Если при этом упрощается структура сообщества, обедняется видовой состав, снижается продуктивность, то такая смена сообщества называется дигрессией. Однако смена одного биоценоза другим может произойти в результате процессов, происходящих внутри самого сообщества, в результате взаимодействия живых организмов между собой. Такая смена называется эндогенетической. Закономерный направленный процесс изменения сообществ в результате взаимодействия живых организмов между собой и окружающей их абиотической средой называется сукцессией. Сукцессия как последовательный переход одного биоценоза в другой в пространстве или во времени сопровождающийся сменой состояний и свойств всех его компонентов, может возникнуть как под воздействием природных факторов, так и под воздействием человека. В связи с этим различают несколько форм сукцессии: антропогенную, пирогенную, катастрофическую и др. Антропогенная сукцессия — это последовательная смена биоценозов, преемственно возникающая на одном и том же биотопе под влиянием хозяйственной деятельности человека, его прямым или косвенным влиянием на экосистему. Например, вырубки леса, загазованность атмосферы и т.д. Пирогенная сукцессия - это смена биоценозов в результате пожаров, вне зависимости от их причины (природные или по вине человека). Катастрофическая сукцессия — это сукцессия, происходящая вследствие катастрофических для экосистемы происшествий: выдувание сильными ветрами, необычный паводок, массовое размножение вредителей и др. Сукцессии в природе разномасштабны. Иерархичность в организации сообществ проявляется в иерархичности сукцессионых процессов: более крупные преобразования биогеоценозов складываются из более мелких. Даже в стабильных экосистемах с хорошо отрегулированным круговоротом веществ постоянно осуществляется множество локальных сукцессионных смен, поддерживающих сложную внутреннюю структуру сообществ. По мере развития экосистемы первопоселенцы постепенно сменяются новыми видами, более приспособленными к борьбе за существование. Например, под кронами лиственных деревьев вырастают медленно растущие и теневыносливые хвойные. Когда они становятся выше лиственных, то, закрывая им доступ к свету, вытесняют эти светолюбивые растения. Такая смена одних видов другими называется экологической сукцессией. Смена растительности сопровождается и сменой входящих в экосистему видов животных: сначала первичных потребителей, питающихся определенными видами растений, а затем потребителей последующих уровней в цепи питания. По мере развития экосистемы число составляющих ее видов возрастает, а связи между ними становятся все более сложными и разветвленными. Это приводит к все более полному использованию ресурсов среды, к увеличению устойчивости экосистемы. В конце концов, возникает устойчивая зрелая экосистема, находящаяся в равновесии со средой и способная сохраняться в течение длительного времени в относительно неизменном виде. Обычно в природе процесс сукцессии длится тысячи лет, но в отдельных случаях, например, после пожаров или при зарастании водоемов, можно наблюдать смену экосистем на глазах одного поколения людей. Несмотря на относительную устойчивость зрелых экосистем, они тоже могут заменяться другими. Это происходит, например, при резком изменении климата, а в последнее время — особенно под влиянием деятельности человека (вырубка лесов, осушение болот, распашка земель, строительство городов и поселков и т.д.). 1.1.10. Искусственные экосистемы. Искусственные экосистемы (нообиогеоценозы или социоэкосистемы) – это совокупность организмов, живущих в созданных человеком условиях. В отличие от экосистемы включает в себя дополнительное равноправное сообщество, называемое нооценозом. Нооценоз – это часть искусственной экосистемы, включающая в себя средства труда, общество и продукты труда. Агроценоз — это биоценоз, искусственно созданный человеком для своих целей с определенным уровнем и характером продуктивности. В настоящее время агроценозами занято около десяти процентов суши. Несмотря на то, что в агроценозе, как и в любой природной экосистеме, существуют обязательные трофические уровни — продуценты, консументы, редуценты, образующие типичные трофические сети, между этими двумя типами сообществ существуют довольно большие различия: 1) В агроценозах резко снижено разнообразие организмов. Однообразие и видовую бедность агроценозов человек поддерживает специальной сложной системой агротехнических мер. На полях обычно культивируют один вид растений, в связи с чем резко обедняется и животное население, и состав микроорганизмов почвы. Однако даже самые обедненные агроценозы включают несколько десятков видов организмов, принадлежащих к разным систематическим и экологическим группам. Например, в агроценоз пшеничного поля, кроме пшеницы, входят сорняки, насекомые - вредители пшеницы и хищники, беспозвоночные — обитатели почвы и напочвенного слоя, патогенные грибы и др. 2) Виды, культивируемые человеком, поддерживаются искусственным отбором и не могут выдерживать борьбу за существование без поддержки человека. 3) Агроэкосистемы получают дополнительную энергию благодаря деятельности человека, обеспечивающей дополнительные условия роста культивируемых растений. 4) Чистая первичная продукция агроценоза (биомасса растений) удаляется из экосистемы в виде урожая и не поступает в цепи питания. Частичное потребление ее вредителями всячески пресекается деятельностью человека. В результате этого почва обедняется минеральными веществами, необходимыми для жизнедеятельности растений. Следовательно, снова необходимо вмешательство человека в виде внесения удобрений. В агроценозах ослаблено действие естественного отбора и действует в основном искусственный отбор, направленный на максимальную продуктивность растений, нужных человеку, а не тех, которые лучше приспособлены к окружающим условиям. Таким образом, агроценозы, в отличие от природных систем, не являются саморегулирующимися системами, а регулируются человеком. Задачей такой регуляции является повышение продуктивности агроценоза. Для этого орошаются засушливые и осушаются переувлажненные земли; уничтожаются сорняки и поедающие урожай животные, меняются сорта культивируемых растений и вносятся удобрения. Все это создает преимущества только для культивируемых растений. В отличие от природной экосистемы агроценоз неустойчив, он быстро разрушается, т.к. культурные растения не выдержат конкуренции с дикорастущими и будут ими вытеснены. Для агробиоценозов также характерен краевой эффект в размещении насекомых вредителей. Они концентрируются в основном в краевой полосе, а центр поля заселяют в меньшей степени. Указанное явление связано с тем, что в переходной полосе резко обостряется конкуренция между отдельными видами растений, а это в свою очередь, снижает у последних уровень защитных реакций против насекомых. 2. Раздел Биосфера история ее становления, развития и современное состояние 2.1. Тема Основы учения о биосфере 1.1.1. Определение понятия «биосфера» Биосфера (греч. bios – жизнь, sphaira – шар, сфера) – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека. Термин биосфера ввел австрийский геолог Д. Зюсс в 1875 году. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько велики, что уже в начале XX века возникло новое фундаментальное научное направление естествознания – учение о биосфере, основоположником которого стал великий русский ученый В.И. Вернадский. Именно он разработал современные представления о биосфере и определил биосферу как «область существования живого вещества». Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылевого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля является открытой системой, получающей энергию от Солнца. Солнечная энергия достигает земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло – одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. В то же время, огромный тепловой поток исходит из глубин Земли. По новым данным, масса Земли составляет 6х1021 т, объем – 1,083х1012 км3, площадь поверхности – 510,2 млн км2. Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены. Строение оболочек Земли, их структура, зональность, динамика. Земля имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер), – внутренних и внешних. К внутренним относится ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка земли – биосфера. Классическое определение земных оболочек дал В.И. Вернадский: «… Более или менее правильные концентрические слои, охватывающие всю планету, меняющиеся с глубиной, в вертикальном разрезе планеты и отличающиеся друг от друга характерными для каждой, только ей свойственными особыми физическими, химическими и биологическими свойствами». Литосфера греч. «литос» – камень) – каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 км. (под океанами) до 80 км. под горными системами (рис. 6.1., стр. 151). Земная кора сложена горными породами. Доля различных горных пород в земной коре неодинакова. Более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы. Около 17% – на преобразованные давлением и высокой температурой породы и лишь чуть более 12% – на осадочные породы – глины и глинистые сланцы, пески и песчаники, карбонатные породы и др. (табл. 6.1., стр. 151). Земная кора состоит из огромных, плотно прилегающих друг к другу блоков (литосферные плиты), которые как бы «плавают» по поверхности мантии, медленно перемещаясь вместе с ней. Поверхность литосферы отличается значительными неравномерностями, которые и определяют рельеф Земли. Наиболее крупными формами рельефа являются океанические впадины (обширные понижения, заплоненные водой) и возвышающиеся массивы суши (континенты или материки) – Евразия, Африка, Австралия, Северная и Южная Америка, Антарктида. Земная кора – важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, торф, нефть, газ, горючие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, пески, гравий и др.). Гидросфера (греч. «гидрор» – вода) – водная оболочка Земли. Её подразделяют на поверхностную и подземную. Поверхностная гидросфера – водная оболочка поверхностной части Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Все эти воды постоянно или временно находятся на земной поверхности и носят название поверхностных. Поверхностная гидросфера не образует сплошного слоя, и прерывисто покрывает Землю на 70,8%. Подземная гидросфера – включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Их называют подземными. Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью земли, нижнюю ее границу проследить не удается, т.к. гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры. По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13%. Основную часть гидросферы занимает Мировой океан (табл. 6.2., стр. 152). Глубина океана, в среднем, составляет 4 км., а отдельные впадины до 11 км.. На долю подземных вод приходится 23, 4 млн км3, или 1,69% от общего объема гидросферы, остальное – воды озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др. Общий объем пресных вод на Земле равен 28, 25 млн км3, или около 2% общего объема гидросферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, используемых для водоснабжения, приходится 4,2 млн км3 воды, или всего лишь 0,3% объема гидросферы. Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты, воздействует на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой и т.д.). Атмосфера (греч. «атмос» – пар) – газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров, пыли и т.д. океан (табл. 6.2., по Н. Реймерсу, 1990 стр. 153). Общая масса атмосферы – 5,15 х1015 т. Она простирается над поверхностью литосферы и гидросферы и не имеет резкой верхней границы (до высоты 1000 км.), постепенно переходя в космическое пространство. Нижний слой атмосферы (до высоты 8-10 км. в полярных, 10-12 км. в умеренных и 16-18 км. в тропических широтах) называют тропосферой (от слова «тропос» – поворот). Её роль особенно велика в формировании природной среды Земли. В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений. Над тропосферой простирается стратосфера, область холодного, разреженного воздуха толщиной приблизительно 20 км. В стратосфере, на высоте 20-30 км. расположен «озоновый слой», отражающий губительные для жизни космические излучения и ультрафиолетовые излучения Солнца. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканическая пыль, а в прошлом и продукты ядерных взрывов в атмосфере. Выше стратосферы расположена мезосфера и ионосфера (термосфера) – слой разреженного газа из ионизированных молекул и атомов и, наконец, экзосфера (внешняя оболочка). Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, происходящими в литосфере и водной оболочке, показателем чего являются атмосферные явления. К атмосферным явлениям относят: осадки, облака, туман, грозу,, гололед, пыльную (песчаную) бурю, шквал, метель, изморозь, росу, иней, обледенение, полярное сияние и др. Практически все поверхностные (экзогенные) геологические процессы, обусловленные взаимодействием атмосферы, литосферы и гидросферы происходят, как правило в биосфере. Биосфера – внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы (до глубины 3 км). Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Крайних пределов биосферы достигают лишь низшие организмы – бактерии и представители царства вирусов. Биосфера состоит из абиотической части (воздуха, воды, горных пород) и биотической или биоты. Взаимодействие этих частей обусловило формирование почв и осадочных пород, которые по В.И. Вернадскому несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологические эпохи. Необходимыми условиями существования биосферы являются наличие воды в жидком состоянии и лучистой энергии Солнца. Ноосфера («ноо» – разум, «сфера разума») – новая геологическая оболочка Земли, главный определяющий фактор ее развития. Это понятие было введено франц. математиком и философом Э. Леруа в 1927г., развито в работах П. Тейярда де Шардена и обосновано в работах В.И. Вернадского в 1944 году. Ноосфера рассматривается как высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением в ней цивилизованного общества. В.И. Вернадский развил представление о ноосфере, как о качественно новой форме организованности, возникающей при взаимодействии природы и общества. В.И. Вернадский писал: «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупной геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше». При этом он так же отмечает, что человек неразрывно связан с биосферой, уйти от нее он не сможет, его существование есть ее функция, которую он несет с собой всюду, неизбежно изменяя ее. 1.1.2. Роль В.И. Вернадского в формировании современного учения о биосфере. Учение В.И. Вернадского о биосфере – целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем. Оно основано на следующих принципах. 1. Принцип целостности биосферы. «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы» (Вернадский В.И. Биосфера.). Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный механизм. «Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». Узкие пределы существования жизни подтверждаются физическими постоянными, уровнями радиации и т. п. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Какие условия и константы имеются в виду? Гравитационная постоянная или константа всемирного тяготения, определяет разметы звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакции. Если она будет чуть меньше, звезды станут не достаточно горячими для протекания в них термоядерного синтеза; если чуть больше, звезды превзойдут «критическую массу» и обратятся в черные дыры. Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до азота и углерода. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Вселенную мертвой. Это находится в соответствии с антропным принципом, по которому при создании моделей развития мира следует учитывать реальность существования человека. Экология также показала, что живой мир – единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимозависимостей. Если даже небольшая часть ее погибнет, разрушится и все остальное. 2. Принцип гармонии биосферы и её организованности. В биосфере всё учитывается и всё приспосабливается с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии. 3. Роль живого в эволюции Земли. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом… Все минералы верхних частей земной коры – свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Fe и Al (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других – непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни. Лик Земли фактически сформирован жизнью. 4.Космическая роль биосферы в трансформации энергии. Вернадский подчёркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии. Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли. 5.Принцип давления жизни. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня. 6.Принцип растекания жизни. Растекание жизни есть проявление её геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества. 7.Принцип автотрофности. Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих зелёных автотрофных организмов определяется областью проникновения солнечных лучей. 8.Принцип поля жизни. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зелёной растительности, а пределы жизни - физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определённых условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обуславливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433 градуса (от минус 252 до плюс 180 градусов по шкале Цельсия) является предельным тепловым полем. 9. Принцип постоянства жизни. Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только её форма. Само живое существо не является случайным созданием. 10.Принцип всюдности жизни. В биосфере существует всюдность жизни. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени. 11.Принцип нахождения живых элементов. Формы нахождения живых элементов: а) горные породы и минералы; б) магмы; в) рассеянные элементы; г) живое вещество. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов. 12.Принцип постоянства количества живого вещества в биосфере. Живое вещество является посредником между Солнцем и Землёй и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики в зависимости от внешних энергетических характеристик. 13.Принцип устойчивого равновесия. Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда её свободная энергия равняется или приближается к нулю, то есть когда вся возможная в условиях системы работа произведена. По В. И. Вернадскому вещество биосферы состоит из 7 взаимодействующих, геологически закономерных частей: 1. Живое вещество. Представляет собой совокупность всех живых организмов, населяющих планету Земля, выраженную в их элементарном химическом составе, биомассе, энергии. Общая масса живого вещества биосферы оценивается приблизительно в 1012 т. и распределено оно неравномерно. В гидросфере содержание живого вещества максимально на мелководьях (до 200 м.), минимально – в глубинных акваториях, на суше наиболее значительна биомасса тропических лесов; масса растений намного превышает массу животных. 2. Биогенное вещество – вещество, созданное живым веществом планеты (созданное жизнью).; оно возникло в результате разложения остатков организмов, но еще не полностью минерализовано (уголь, нефть, битумы, известняки и др.). Горючие ископаемые являются мощным источником энергии. 3. Косное вещество – неживое вещество, образованное процессами, в которых живое вещество не принимало участия, например, изверженные и глубинные горные породы. 4. Биокосное вещество – структура из живого и косного вещества, которая создается одновременно косными процессами и живыми организмами, например, кора выветривания, почвы и природные воды. 5. Радиоактивное вещество – вещество, в состав которого входят элементы, ядра атомов которых нестабильны: уран, радий, радон и др. 6. Рассеянные атомы – химические элементы, концентрация которых в земной коре низка и которые присутствуют как примеси в минералах и рудах, например, галлий Ga, рубидий Rb, таллий Tl и другие). 7. Вещество космического происхождения – метеориты, метеоритная пыль, все вещество космического происхождения, которое скорее всего абиогенно. Сущность учения В.И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. По словам Вернадского, «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Вторым важнейшим аспектом учения Вернадского является разработанное им представление об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему», 1930г. Вернадский обосновал важнейшие представления о формах представления вещества, путях биогенной миграции атомов, т.е. путях миграции атомов химических элементов при участии живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др. Важнейшей частью учения о биосфере Вернадского являются представления о ее возникновении и развитии. Венцом творчества Вернадского стало учение о ноосфере, т.е. сфере разума. В целом учение Вернадского о биосфере заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы. В настоящее время оно служит естественно-научной основой рационального природопользования и охраны окружающей среды. 1.1.3. Живое и биокосное вещество, их взаимовозникновение и перерождение в круговоротах веществ и энергии. Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой) как и любая экосистема состоит из абиотической и биотической части. Абиотическая часть представлена: • почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них есть еще живые организмы, вступающие во взаимодействие с веществом этих пород и физической средой порового пространства; • атмосферным воздухом до высот, на которых возможны проявления жизни; • водной средой. Биотическая часть включает всю совокупность живых организмов, осуществляющих свою основную экосистемную функцию – биогенный ток атомов, благодаря своему питанию, дыханию, размножению. Тем самым они обеспечивают обмен веществом между всеми частями биосферы. (рис. 6.2. стр. 155). В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа: • стремление к максимальному проявлению, к «всюдности жизни»; • обеспечение выживания организмов, гарантирующего саму биогенную миграцию атомов. «Всюдность жизни» в биосфере обуславливается потенциальными возможностями и приспособляемостью организмов, которые постепенно, захватив моря и океаны вышли на сушу и освоили ее. Вернадский считал, что этот захват продолжается. Но любая экосистема имеет границы. Имеет свои границы и биосфера. К биосфере относят прежде всего те участки, где есть условия для выживания и размножения живых существ – это поле существования жизни. К ним прилегают территории, где живые существа выживают, но не могут размножаться – поле устойчивости жизни. Поле существования жизни определяется: 1. оптимальным уровнем освешенности; 2. достаточным количеством кислорода, углекислого газа и жидкой воды; 3. благоприятной температурой; 4. прожиточным минимумом минеральных веществ; 5. оптимальным уровнем солености среды. Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов, разнообразных форм и размеров. Химический состав живого вещества подтверждает единство природы – он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих веществ различное и строение молекул иное. Все органические вещества строятся на основе 4-х валентного углерода и его способности присоединять к себе радикалы и образовывать разомкнутые и замкнутые цепочки атомов углерода. Живое вещество образует ничтожно малый слой в общей массе геосфер Земли. По подсчетам ученых его масса составляет 2420 млрд. т., что более чем в 2000 раз меньше массы биосферы, но оно встречается практически повсюду. Классификация живого вещества. Живое вещество биосферы делится на однородное и разнородное; по значению в обновлении жизни – на репродуктивное и соматическое; по способу питания – на автотрофное, гетеротрофное и миксотрофное. Однородное живое вещество образовано биомассой вещества, которое представлено особями одного вида или рода. Разнородное живое вещество образовано биомассой вещества, которое представлено особями разных видов, населяющих разнообразные экосистемы: леса, реки, болота и т.д. Соматическое живое вещество – совокупность всех клеток организма, кроме половых. Репродуктивное живое вещество – вещество, благодаря которому жизнь в биосфере постоянно воспроизводится. Все разнообразие видов биосферы связано между собой через питание. Автотрофы – первичные продуценты органического вещества в биосфере. Гетеротрофы – выполняют в экосистеме роль консументов и редуцентов, а биомассу, которую они создают, называют вторичной. Миксотрофы – организмы, со смешанным типом питания. Везде, где существуют организмы осуществляется биогенный ток атомов, обеспечивающий функциональную целостность биосферы. 1.1.4. Биотические процессы в биосфере. Жизнь на Земле зависит от двух фундаментальных процессов – однонаправленного потока энергии, исходящей от Солнца и круговорота в экосфере химических веществ, необходимых для поддержания жизни организмов. Солнце – источник энергии для жизни на Земле. Оно освещает, обогревает Землю, используется в процессах фотосинтеза, обеспечивающих жизнедеятельность растений и питающихся ими животных. Солнечная энергия поддерживает круговорот важнейших химических элементов и является движущей силой климатических и метеорологических явлений. Солнечные лучи примерно за 2 минуты пролетают расстояние в 150 миллионов километров до нашей планеты. Лучистая энергия Солнца на Земле расходуется на Земле следующим образом: • 34% – отражается обратно в космос с поверхности Земли, от облаков, пыли и др. веществ, находящихся в атмосфере. • 66% идут на нагревание атмосферы и суши, испарение и круговорот воды. • 0,023% – улавливаются зелеными растениями и используются в процессе фотосинтеза для образования органических веществ, которыми питаются различные живые организмы. Большая часть лучистой энергии, достигающая поверхности Земли, поступает в виде светового излучения и волн ближнего инфракрасного спектра. Основная часть вредного ионизирующего излучения солнца и ультрафиолетовая радиация поглощаются молекулами озона, находящимися в озоновом слое стратосферы и отражается магнитным полем Земли. Без такой защиты жизнь на Земле была бы невозможна. Исследуя проблемы биологической регуляции окружающей среды, В.В. Горшков, В.Г. Горшков, В.И. Данилов-Данильян и др. (1999) пришли к выводу, что в настоящее время в экологической науке известны две основные концепции взаимодействия биоты и окружающей ее среды. 1. Традиционная. Окружающая среда пригодна для жизни в силу уникальных условий на поверхности Земли, а естественная биота приспосабливается к любой окружающей ее среде благодаря главному свойству жизни – способности к эволюции и непрерывной адаптации к меняющимся условиям среды. При этом любые виды организмов, способные адаптироваться к окружающей среде и производить наибольшее количество потомков, могут составлять земную биоту. Согласно традиционной концепции –– изменение окружающей среды под воздействием человека – это определенный этап естественного эволюционного процесса – превращение биосферы в новую глобальную биосистему, а природное биоразнообразие – генетический ресурс человека, который следует охранять лишь в заповедниках, зоопарках и генных банках. При этом безостановочный экономический рост возможен лишь за счет непрерывного использования ресурсов биосферы. По мнению В.В. Горшкова и др. (1999), в традиционной концепции фактически игнорируются экологические ограничения на численность популяций биологических видов, в том числе и человека, а также причины образования естественных сообществ, устойчивость сообществ и их среды обитания. 2. Концепция биотической регуляции окружающей среды. Биота земли рассматривается как единственный механизм поддержания пригодных для жизни условий окружающей среды в локальных и глобальных масштабах. В случае прекращения регулирующего воздействия биоты физически неустойчивая окружающая среда быстро (примерно за 10 тыс. лет) перейдет в устойчивое состояние, при котором жизнь невозможна (как на Марсе или Венере). В этой концепции главным свойством жизни считается способность видов к поддержанию тех условий окружающей среды, которые пригодны для существования биоты на любом экосистемном уровне, а не способность к непрерывной адаптации к изменяющимся условиям этой среды. Биотическая регуляция окружающей среды возможна благодаря скореллированному взаимодействию между организмами и средой. Эволюция биосферы убедительно свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу – природном или антропогенном – ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия. Отсюда очевидно, что экологические условия есть продукт взаимодействия биоты и окружающей среды, и лишь правильная оценка этого взаимодействия позволяет разработать достоверные методологические подходы к сохранению и даже улучшению экологической обстановки в случае нарушения ее на всех экосистемных уровнях, вплоть до глобального. 1.1.5. Круговороты биогенных элементов и их модификация. Количество неорганических веществ, из которых автотрофы создают органические вещества в биосфере конечно, но оно приобрело свойство бесконечности через круговороты веществ. Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере в том числе и в тех их частях, которые входят в состав биосферы. Основных круговоротов веществ в природе 2: большой (геологический) и малый (биохимический). Большой (геологический) круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 6.7. стр. 162). Процесс происходит по спирали, т.е. новый цикл круговорота не повторяет в точности предыдущий, а вносит что-то новое, что со временем приводит к значительным изменениям. К большому круговороту относится и круговорот воды между сушей и океаном, через атмосферу. Малый (биохимический) круговорот веществ в природе, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Данный круговорот для жизни биосферы главный. Он является порождением жизни и поддерживается живым веществом. Главным источником энергии круговорота является солнечный свет, который обеспечивает фотосинтез. Эта энергия неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе, количество тепла на единицу поверхности в 3 раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (800 с.ш.). В зависимости от типа переноса вещества и энергии в экосистемах выделяют 2 вида малого круговорота. 1. Биологический – перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических связей (пищевых цепей) (рис. 5.1. стр. 119). Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемых трофической цепью и имеет место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его активным метаболизмом. Но в наземных экосистемах он невозможен, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ от растения к растению. В масштабах биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует другой круговорот. 2. Биогеохимический – обмен микро- и макроэлементов и простых неорганических веществ (СО2, Н2О) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в том, что химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходят в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т.д. Такие элементы называются биофильными (биогенными). Данные элементы или их соединения необходимы для жизнедеятельности организмов, их роста, размножения. Элементы, необходимые организмам в больших количествах носят название макробиогенные элементы. Это основные – С, N, O, H, и не основные – Ca, Mg, Na, Cl, K. Остальные элементы называются микробиогенными. Это Fe, Co, I, F, CU, Br, Se, Si, B и др. Отсутствие или недостаток микробиогенных элементов ведет к заболеваниям организмов. Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что они не могут использоваться живыми организмами прямо, но в процессе круговорота происходит преобразование их в те формы, которые могут быть использованы живыми организмами. Соединения биогенных элементов, необходимых организму называются питательными веществами. Это: • органические вещества (белки, жиры, углеводы, витамины); • неорганические вещества (вода, минеральные соли, СО2). Наибольшее значение имеют круговороты воды, углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора и серы. 1.1.6. Круговороты газообразного и осадочного циклов Все биогеохимические круговороты подразделяют на 2 основных типа: круговорот газообразных веществ и осадочные циклы. Круговорот газообразных веществ – заключается в перемещении питательных веществ из атмосферы и гидросферы в живые организмы и обратно; они быстротечны и длятся от нескольких часов до нескольких дней. Осадочные циклы включают движение питательных веществ между земной корой (почва, горные породы), гидросферой и живыми организмами. Элементы в этих циклах перемещаются значительно медленнее, чем в газообразных циклах. ряде случаев период их обращения достигает нескольких тысяч лет; в осадочных циклах участвуют более 35 химических элементов (Р, Са, S, Fe и др.) Круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества. В.И. Вернадский выделил 5 таких функций: 1. газовая – основные газы атмосферы земли, азот и кислород биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукт разложения отмершей органики; 2. концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит С – среди неметаллов, Са – среди металлов. Концентраторами Si являются диатомовые водоросли, I – морские водоросли (ламинария), Р – скелеты позвоночных животных; 3. окислительно-восстановительная – организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью; 4. биохимическая – размножение, рост, и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества; 5. биогеохимическая деятельность человека – охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов С, как уголь, нефть, газ, и др., для хозяйственных и бытовых нужд. В биогеохимических круговоротах следует различать две части: 1. резервный фонд – огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2. обменный фонд – значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Следует отметить лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а запасает, связывает солнечную энергию – это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на земле. 1.1.7. Кругообороты воды, углерода, азота, фосфора и серы. Кругооборот воды. Влага испарившись с поверхности океана конденсируется в атмосфере и в виде осадков выпадает на сушу или обратно в океан. При попадании на сушу она возвращается в океан в виде поверхностного и подземного стоков. Его главная функция: формирование природных условий на нашей планете. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 5000 тыс. км3 воды. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет Кругооборот углерода. В круговороте углерода, точнее, наиболее подвижной его формы – углекислого газа – четко прослеживается его перемещение по трофическим цепям: продуценты, улавливающие углерод в составе углекислого газа при фотосинтезе, консументы – поглощающие углерод в составе органических веществ, составляющих тела продуцентов и консументов более низших порядков, редуцентов – возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота углекислого газа – порядка 300 лет. В мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) – консументы (зоопланктон, рыбы) – редуценты (микроорганизмы) – осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества. Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса (содержат до 500 млрд т ), что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания углекислого газа в атмосфере. Кругооборот кислорода. Скорость оборота кислорода – 2 тыс. лет. За это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной источник кислорода – зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 * 109т кислорода на суше, а в океанах – 414 * 109т. Процесс корговорота кислорода в биосфере сложен, поскольку он содержится во многих химических соединениях. Главный потребитель кислорода – животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. В настоящее время 23% кислорода, производимого в процессе фотосинтеза, расходуется на промышленные и бытовые нужды и потребление кислорода неуклонно возрастает. Это одна из глобальных проблем. Кругооборот азота. Охватывает все области биосферы. Запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78%), но поглощение его растениями ограниченно, т.к. они усваивают азот только в форме соединений с углеродом и кислородом. Усваивать азот из воздуха могут азотофиксирующие клубеньковые бактерии, являющиеся симбионтами бобовых культур и обитающие в клубеньках на корнях последних. Редуценты (деструкторы) – почвенные бактерии – постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды, загрязняя их. Азот в форме нитратов и нитритов может усваиваться растениями и передаваться по пищевым цепям. Азот возвращается в атмосферу вместе с газами, выделяемыми при гниении. Роль бактерий в цикле азота такова, что по мнению некоторых ученых, если будет уничтожено 12 видов бактерий, участвующих в превращениях азота, жизнь на Земле прекратится. Кругооборот серы и фосфора. Не менее важны кругообороты серы и фосфора, но они менее совершенны, т.к. основная масса данных элементов содержится в резервном фонде земной коры, в недоступном фонде. Это типичные осадочные биогеохимические циклы. Такие циклы очень зависимы от внешних воздействий и легко нарушаются, поскольку часть вещества выводится из круговорота. Возврат веществ в круговорот возможен только в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов. Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность земли в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде апатита. Общий круговорот фосфора можно подразделить на две часть: водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается планктоном и передается по трофической цепи до консументов 3-го порядка – морских птиц. Их экскременты (гуано) вновь попадают в море и вступают в круговорот или накапливаются на берегу и затем смываются в море с осадками. Из отмирающих животных фосфор частично попадает по трофическим цепям в круговорот, а частично скелеты достигают больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы. В наземных экосистемах фосфор извлекается из почвы растениями и далее распространяется по трофической цепи. В почву он возвращается или с экскрементами или после отмирания животных. Теряется фосфор из почв в результате водной эрозии. Повышенное содержание фосфора в водных путях вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов, их эвтрофикацию. Большая часть фосфора уносится в море и там осаждается, выводясь из круговорота на долгие годы. Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но в отличие от фосфора у нее есть резервный фонд и в атмосфере. В обменном фонде преобразования серы идут в процессе жизнедеятельности организмов, одни из которых являются окислителями, другие восстановителями. В горных породах сера встречается в виде сульфидов(FeS2 и др.), в растворах в виде иона (SO42-), в газообразной фазе в виде сероводорода (Н2S) или сернистого газа (SO2 ). В некоторых микроорганизмах сера накапливается в чистом виде (S2) и при их отмирании на дне морей образуются залежи чистой самородной серы. В морской среде сульфат - ионы являются основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до сероводорода. Другие микроорганизмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы – так продолжается круговорот. Круговорот серы может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому – сжигание ископаемого топлива – угля. Сернистый газ (SО2) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности. Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. В процессе добычи и использования полезных ископаемых, загрязнения природных вод в результате хозяйственной деятельности люди воздействуют на круговороты превращая их из циклических в ациклические. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности направлена на то, чтобы сохранить цикличность биогеохимических процессов. Это необходимое условие поддержания гомеостаза планеты. 1.1.8. Основные теории происхождения биосферы Важнейшие представления о возникновении и развитии биосферы обосновал Вернадский. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции, в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Рассмотрим этапы эволюции биосферы. Для этого проследим путь преобразования вещества с образования неорганических веществ в космическом пространстве и формирования планетарных систем. Эволюция химических элементов в космическом пространстве. Изучением космического пространства занимаются многие науки, отпочковавшиеся от астрономии или возникшие на стыке наук. Одна из них – спектроскопия – возникла на стыке химии и астрономии. Предмет ее исследования – спектры звезд. Это позволяет идентифицировать химические элементы, составляющие звезды, определить их температуру и многое другое. С конца 19 века было зарегистрировано более 2 млн. спектров примерно 15 тыс. звезд, в том числе и Солнца. На их основе был сделан вывод, что всюду во Вселенной существуют одни и те же химические элементы и выполняются одни и те же химические законы. Водород – наиболее часто встречающийся и самый простой элемент. Его атом состоит из 1 протона и 1 электрона. Если первичное вещество Вселенной состояло из одного водорода, то можно объяснить не только наличие, но и распространенность всех остальных элементов в настоящее время. В такой первичной Вселенной, состоящей из чистого водорода, образовались звезды. Они являются довольно крупными гравитационно-связанными скоплениями вещества, в ходе образования которых температура повышается настолько, что начинают протекать ядерные реакции. Основной ядерной реакцией является слияние ядер атомов водорода. В этой реакции водород превращается в гелий с выделением энергии. 4Н 1Не + Е излучения 1 протон 2 протона 1 электрон 2 электрона 2 нейтрона m(Н) = 1,0079 а.е.м. m(4Н) = 4,0316 а.е.м. m(Не) = 4,0026 а.е.м. m = 0,029 а.е.м. – разность масс между массой 4-х атомов Н и 1 атома Не – превращается в энергию излучения (по законам сохранения энергии и вещества). Дальнейшее взаимодействие элементов приводит к возникновению других элементов. Реакции последних между собой приводят к возникновению более сложных молекул и их комплексов, а в дальнейшим пылевых частиц. С помощью спектроскопии было доказано, что межзвездное вещество состоит из газов – Н, Не, Ne и пылевых частиц, состоящих их металлов и других элементов. Газы и пылевые частицы образуют в космическом пространстве скопления газо-пылевой материи – туманности. Туманности встречаются по всей нашей галактике. Например, ближайшая к нам, гигантская туманность в скоплении Ориона, имеет около 15 световых лет в диаметре и содержит такое количество газа и пыли, которого достаточно для образования 100000 звезд размером с наше Солнце. Ещё одна туманность – Млечный Путь, имеющая диаметр около 100000 световых лет. Образование планетарных систем. Ученые полагают, что туманности являются этапом формирования галактик или крупных звездных систем. В моделях теорий такого типа планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Эта точка зрения впервые была высказана Кантом и позднее развита Койпером, Альвеном, Камероном и подтверждается рядом доказательств. Когда газово-пылевое облако становится достаточно большим в результате медленного оседания и слипания (аккреции) межзвездного газа и пыли под действием гравитационных сил, оно становится неустойчивым – в нем нарушается близкое к равновесию соотношение между давлением и гравитационными силами. Гравитационные силы преобладают и поэтому облако сжимается. По мере возрастания плотности вещества под воздействием гравитационных и других сил облако дробится на облака более мелкого размера, которые в свою очередь образуют фрагменты, в несколько раз превышающие по массе и размерам Солнечную систему. Такие облака называют протозвездами. Массивные протозвезды далее образуют крупные и горячие звезды, менее массивные протозвезды формируют меньшие и более холодные звезды, которые эволюционируют медленнее первых. Размеры протозвезд ограничены верхним пределом, превышение которого привело бы к дальнейшей фрагментации и нижним пределом, определяемым минимальной массой, которая требуется на поддержание ядерных реакций. В ходе ранних фаз сжатия тепло, высвобождающееся при превращении гравитационной энергии в энергию излучения легко покидает облако, поскольку относительная плотность вещества еще мала. По мере возрастания плотности вещества поглощается все большее количество энергии излучения и в результате возрастает температура. На этой стадии смесь газов состоит из Н, Не, Ne, NH3, CH2, H2O, HCN. Эти газы поглощают все больше энергии излучения, диссоциируют, подвергаются ионизации. Когда молекулы полностью ионизируются, температура быстро возрастает до тех пор, пока сжатие почти полностью прекращается, так как давление газа начинает уравновешивать силы тяготения. Завершается фаза быстрого гравитационного сжатия (коллапса). Протозвезда продолжает медленно сжиматься, она становится более компактной и горячей, так как теперь тепло излучается только с ее поверхности. Увеличивается скорость вращения пылевых облаков, вследствие чего форма пылевого облака меняется от сферической к дискообразной. Температура все возрастает и начинаются термоядерные реакции образования гелия из водорода, протекающие с высвобождением большого количества энергии.. Температура уравновешивает силы дальнейшего гравитационного сжатия. Внутри туманностей – областей относительно концентрированного межзвездного газа и пыли – возникают молодые звезды, а вокруг них планеты. Эволюция Земли на ранних стадиях. Исходя из вышеизложенного, состав первичной атмосферы Земли состоял из Н, Не, метана, аммиака и воды. Постепенно самые легкие элементы – Н, Не – диффузно утрачиваются из атмосферы, притягиваясь гравитационным полем планет-гигантов. Среди органических веществ первичной атмосферы были, вероятно те, которые ныне обнаруживаются в кометах: молекулы со связями С-Н, С-N, N-Н, О-Н. Кроме того, по мере гравитационного разогрева земных недр из них стали выделяться Н, метан, аммиак и вода и др. Дальнейшая эволюция вещества шла под воздействием различных видов энергии. Это: • распад атомов неустойчивых элементов; • ультрафиолетовое излучение; • вулканизм; • удары метеоритов; • молнии. В 1924г. И.А. Опарин предложил первую концепцию химической эволюции, согласно которой первичная атмосфера земли была бескислородная. В 1953г. Г.К. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака и воды действию электрических разрядов. Среди полученных продуктов были обнаружены аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты). Путем расчетов и экстраполяции некоторых геологических данных, с учетом температурных границ устойчивости органических соединений были определены температурные границы первичной Земли – от 20 до 2000. Позднее в лабораторных условиях были абиотически получены такие органические молекулы, как альдегиды, нитраты, аминокислоты, моносахариды, пурины, порфирины,,, нуклеотиды и др. Таким образом условия на первобытной земле можно охарактеризовать следующим образом. Первичная литосфера. В молекулярной эволюции только кора сыграла важную роль. Её состав: AL, Ca, Fe, Mg, Na, K и др. О изменении состава земной коры во времени в настоящее время ничего не известно. Первичная гидросфера. На поверхности первичной Земли находилось менее 0,1 объема воды сегодняшних океанов. Среда воды первичного океана – слабощелочная. (рН = 8-9). Постепенно происходит конденсация океанов. Первичная атмосфера. На самой ранней стадии из Н, который диффундировал в космическое пространство. Затем, атмосфера, которую принято называть первичной, образовалась из вулканических газов. Было предложено 3 варианта состава первичной атмосферы: • Восстановительная: СН4, NH3, H2O, H2 (с высоким содержанием NH3); • Слабоокислительная: СО2, СН4, NH3, N2, H2O(с низким содержанием NH3); • Нейтральная: СН4, N2, H2O. Все эти преобразования относятся к раннему архею. Биосфера на данном этапе отсутствует. Возникновение протобиополимеров – более сложная проблема. Необходимость их существования очевидна, поскольку они ответственны за протоферментативные процессы: гидролиз, декарбоксилирование, дезаминирование, перекисное окисление, брожение, фотохимические реакции, фосфорилирование, фотосинтез и др. 1.1.9. Биохимическая эволюция живых организмов. Теорий возникновения протобиополимеров – основы жизни на Земле несколько. Рассмотрим наиболее важнейшие из них. Теория Панспермии. Данной точки зрения придерживались Аррениус, Гельмгольц, Берг, Вернадский, микробиолог Заварзин. Согласно данной точки зрения жизнь зародилась в космосе и первые живые существа были привнесены на Землю из космоса вместе с космической пылью, метеоритами. Таким образом, жизнь на Земле существует столько, сколько существует сама планета. Однако встает вопрос, где появилась первая жизнь? По мнению микробиологов, жизнь могла возникнуть в космосе, в пределах Солнечной системы (космо-химическая теория). Эта химическая, а затем биологическая эволюция происходила до образования Земли. Доказательством является сравнительный анализ вещества космоса и Земли: основными химическими элементами везде являются О, Н, С, N. Концентрация вещества в космосе очень мала, поэтому, вероятно, первые элементы жизни связаны с космической пылью, которая имеет следующее строение: Под воздействием ультрафиолетовых лучей, которых в космосе очень много, могли протекать химические и биологические процессы. В метеоритах найдены углеводороды: пурины, пиримидины, аминокислоты. Впервые органические вещества в метеоритах выделены Берцелиусом. Жизнь на поверхность Земли могли доставлять и кометы. Химический состав комет не отрицает это. Органические вещества в «замороженном» состоянии в метеоритах и кометах могли оставаться неограниченно долгое время и, попав на Землю, при благоприятных условиях могли продолжить развитие. Аргументы против данной теории: • длительное пребывание в холоде должно быть губительно, но эксперименты подтверждают, что зародыши простейших микроорганизмов в течение 6 мес. переживают температуру –200оС; • ультрафиолетовые лучи губительны для в сего живого, но в отсутствии кислорода сложные органические соединения могут существовать не разрушаясь при жестком ультрафиолетовом излучении; • прохождение метеоритов через атмосферу вызывает значительное повышение температуры, метеориты оплавляются, но есть данные, что микроорганизмы могут переносить высокие температуры и они вполне могли сохраниться внутри метеоритов. Таким образом, нет фактов, доказывающих полную несостоятельность этой теории. Термическая теория. Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из низкомолекулярных предшественников, могут осуществляться путем нагревания. Наиболее хорошо изучен синтез полипептидов. Идея термического синтеза полипептидов принадлежит американскому ученому С. Фоксу, который длительно изучал возможности образования полипептидов в условиях, существовавших на первобытной Земле. Если смесь аминокислот нагреть до 180-2000 С при нормальных атмосферных условиях или в инертной среде, то образуются продукты расщепления, небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями, а также малые количества полипептидов. Полипептиды, полученные термическим путем из аминокислот, – протеиноиды – проявляют многие специфические свойства биополимеров протеинового типа. Однако, более сложные структуры получить не удалось. Не выдвинуты обоснованные теоретические пути данного процесса. Низкотемпературная теория. Авторы – румынские ученые К. Симонеску и Ф. Денеш, ведущее значение в качестве источника энергии отводят энергии холодной плазмы. Холодная плазма широко распространена в природе. Некоторые ученые считают что 99% Вселенной находятся в состоянии холодной плазмы. На современной Земле она представлена в виде молний, северных сияний, ионосферы. На абиотической Земле этот вид энергии был способен превращать молекулы в свободные радикалы, активные в химическом отношении. В результате экспериментов с холодной плазмой авторами теории были получены отдельные мономеры, полимеры пептидного типа и липиды. Теория адсорбции. Основным контраргументом в спорах об абиогенном возникновении полимерных структур является концентрационный барьер и недостаток энергии для конденсации мономеров в разбавленных растворах. Действительно, по некоторым оценкам концентрация органических молекул в «первичном бульоне» составляла около 1%, что не могло обеспечить протекания реакций полимеризации или поликонденсации в быстрые сроки, как это произошло на Земле по оценкам некоторых ученых. Одно из решений этого вопроса, связанное с преодолеванием концентрационного барьера, было предложено Дж. Д. Берналом, считавшим, что концентрирование разбавленных растворов происходит путем «адсорбции в пресноводных или морских отложениях очень тонких глин». В результате взаимодействия веществ в процессе адсорбции некоторые связи ослабляются и рвутся, другие возникают, что приводит к разрушению одних и образованию других веществ. Коацерватная теория. В 1924г. Выходит в свет книга А.И. Опарина «Происхождение жизни», в которой он выдвигает гипотезу, что происхождение жизни на земле есть результат длительного эволюционного процесса на самой Земле. Сейчас зарождение жизни не возможно, т.к. все экологические ниши заняты и есть кислород – сильный окислитель. В 1929г. Выходит статья Дж. Холдейна, где он независимо от Опарина приходит к таким же результатам. Но приоритет открытия Опарина однозначен. Опарин считает, что жизнь на Земле могла возникнуть абиогенным путем. Первые живые организмы были гетеротрофами. Это могло произойти при наличии определенных химических веществ, источников энергии, отсутствии газообразного кислорода и при наличии безгранично длительного времени. Вероятность самозарождения жизни по Опарину 1/1000 случаев в год, но времени было достаточно от возникновения Земли до появления первых прокариотов (1 млрд лет). Опарин выделил 4 этапа возникновения жизни на Земле. 1 этап. Образование органических веществ. Вначале масса Земли была раскалена, постепенно она остывала. В это время углерод соединялся с металлами с образованием карбидов: С + Ме (Ni, Fe) =карбиды (обнаружены в метеоритах). В первичной атмосфере Земли были C, H, N. C + 4H = CH4 C + N = CN N + 3H = NH3 O2 + 2H2 = 2 H2O C + O2 = CO2 Спектральные исследования показали, что эти вещества присутствуют на солнце и других звездах. Свободный кислород отсутствовал. По мере остывания пары воды могли конденсироваться с образованием первичных водоемов. Источниками энергии для первичной химической эволюции могли служить: • распад К40; • ультрафиолетовое излучение; • вулканизм; • удары метеоритов; • молнии. В водной среде под воздействием этих видов энергии могли появиться спирты, альдегиды, кислоты. Гипотеза Опарина вызвала много споров и научных исследований. В 1953г. Миллер сконструировал специальную установку и провел следующие эксперименты. Через смесь газов CH4, NH3, H2O и H2 он пропускал электрический ток. К концу недели были получены аминокислоты аланин и глутамин. Оро провел подобный эксперимент, используя в качестве энергии ультрафиолетовое излучение при высокой температуре и получил урацил, рибозу и дезоксирибозу. Теорию Опарина подтверждают и палеонтологические данные. Первые органические молекулы найдены в слоях, соответствующих возрасту 3,8 млрд лет назад. 2 этап. Полимеризация мономеров. Доказать полимеризацию в естественных условиях трудно, т.к. полимеры легко разрушаются. Т.е. реакции полимеризации и поликонденсации могли идти только при мягких условиях реакции при наличии катализаторов. Ими могли быть цианиды. Данные реакции по предложению Дж. Д. Бернала могли осуществляться на границе земля – вода, на скоплениях глин, которые являются прекрасными адсорбентами. Многие виды глин эффективно адсорбируют сахара, азотистые основания, кислоты. При высокой концентрации потенциальных мономеров при наличии внешней энергии могли протекать процессы полимеризации. 3 этап. Появление коацерватов. Молекулы первых органических соединений, в т.ч. и белков, находились в растворах. Они образовывали коллоидный раствор. При смешивании различных коллоидных растворов возникали фазово-обособленные органические системы – капли белков, отличающиеся друг от друга – коацерватные капли, имеющие некую структурную оболочку, образованную определенным образом ориентированными молекулами. Эта оболочка отделяет каплю от внешней среды, превращая ее в дискретную единицу, содержащую набор химических веществ, отличный от внешней среды. Через эту оболочку возможен обмен веществ между коацерватом и внешней средой по типу открытых систем. Внутри коацерватов под действием катализаторов могла происходить самосборка полимерных молекул в многомолекулярные фазово-обособленные образования – видимые под оптическим микроскопом капли. В них сосредотачивается большинство полимерных молекул, тогда как окружающая среда почти их лишена. Коацерваты могут объединяться, образуя более сложные структуры, поглощать меньшие, делиться на дочерние образования. Таким образом, возникает простейший метаболизм. Вещество входит в каплю, полимеризуется, обуславливая рост системы, а при его распаде продукты этого распада выходят во внешнюю среду, где их раньше не было. Важно то, что в зависимость от совершенства внутренней организации капель одни из них могут расти быстро, тогда как другие, находясь в той же среде, замедлены в своем росте или подвергаются распаду. Таким образом, на модели коацерватных капель А.И Опарину и его сотрудникам удалось экспериментально показать предбиологический отбор, т.е. зачатки естественного отбора, который в дальнейшем явился движущей силой всего эволюционного процесса. Исследования Опарина подтверждены другими учеными. Это «пузырьки» Гольдейкера, «микросферы» Фокса, «джейвану» Бахадура. «пробионты» Эгами и многие другие. 4 этап. Возникновение матричного синтеза. Грань, отделяющая преджизнь от жизни – возникновение матричного синтеза. До этого момента существовали индивидуумы, с появлением матричного синтеза можно говорить о популяциях. Синтез белков претерпевал эволюционные изменения. Изначально сборка белков шла на РНК, находящихся в цитоплазме клеток. Это самый простой способ, но при нем не гарантировалось равномерное деление информации между дочерними клетками, т.е. часть признаков могла исчезнуть из популяции. Более прогрессивный способ возник с появлением ДНК. ДНК были более устойчивыми молекулами, поскольку имели двуцепочечное строение. На первом этапе РНК и ДНК конкурировали и возможно эволюция пошла по дивергентному пути. ДНК стала специализироваться на самовоспроизведении, РНК – синтезе белков. ДНК обосновалась в ядре, РНК – в цитоплазме. Образовались 2 системы синтеза: – синтез полипептидов – относительно не точный; – синтез белков – очень точный. Постепенно возникла система генетического кода, когда триплет нуклеотидов кодировал аминокислоту. С появлением примитивного генетического аппарата обладавшие им протоклетки смогли передавать всем своим потомкам способность синтезировать специфические полипептиды. Образующиеся из них линии давали семейства родственных протоклеток с наследуемыми свойствами, которые подвергались естественному отбору. Первые живые организмы были гетеротрофными и использовали готовые органические вещества первичного бульона. Автотрофы скорее всего произошли от гетеротрофов на следующем этапе эволюции. Причиной явилось уменьшение количества готовых органических веществ в первичном бульоне, т.к. увеличилось количество протобионтов, а позднее первых живых организмов. Это обострило конкуренцию преимущество стали иметь живые организмы, использующие альтернативные источники энергии. Таким неисчерпаемым источником энергии стал солнечный свет. Сначала это была ультрафиолетовая часть спектра, позднее, с появлением кислорода, в атмосфере начал формироваться озоновый экран – препятствие для ультрафиолетового излучения и преимущество получили организмы, имеющие катализаторы, позволяющие использовать видимую часть спектра для осуществления окислительно-восстановительных реакций. Возник фотосинтез. Это привело к еще большему увеличению содержания кислорода в атмосфере и возникновению процесса дыхания. Накопление кислорода в атмосфере также привело к окончанию абиогенного синтеза. 1.1.10. Главные этапы биохимической эволюции живых организмов Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия внешних (аллогенных) – геологических и климатических и внутренних (автогенных) – обусловленных живым компонентом, т.е. абиотических и биотических факторов. Благодаря действию и взаимодействию этих факторов сформировалось биологическое разнообразие на внутривидовом, межвидовом и биосферном уровнях. Именно разнообразие экосистем, составляющих биосферу является условием ее устойчивости. Данные космохимии метеоритов и астероидов свидетельствуют о том, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением (Войткевич, Вронский, 1996). Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями, образовавшимися из органических веществ, синтезированных абиогенно под действием мощного ультрафиолетового излучения в отсутствии кислорода (и озонового слоя). Они могли существовать только в воде, защищающей простейших от ультрафиолетового излучения. Питались они, по-видимому, органическими веществами, образованными космическим синтезом. Таким образом, древнейшая биосфера возникла в гидросфере, существовала в ее пределах и являлась гетеротрофной. Под воздействием закона «всюдности жизни» организмы стали осуществлять экспансию в различные области обитания. Однако созидающая и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов – цианобактерий и синезеленых (прокариотов) около 3,5 млрд. лет назад. 1,5 – 2 млрд. лет назад произошел мощный популяционный взрыв автотрофных водорослей, что привело к избытку в воде кислорода и выделению его в атмосферу. Произошел переход восстановительной атмосферы в кислородную, что способствовало развитию эукариотических организмов и появлению многоклеточности около 1,4 млрд. лет назад, а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов). Это имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность автотрофных организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции. В начале кембрийского периода, примерно 600 млн. лет назад, содержание кислорода в атмосфере достигло 0,6%, а затем произошел еще один эволюционный взрыв – появились новые формы жизни – губки, кораллы, черви, моллюски. Уже к середине палеозоя содержание кислорода впервые стало близко к современному. Появилась возможность выхода жизни на сушу. Несмотря на обилие автотрофов, в конце палеозоя, примерно 300 млн. лет назад, содержание кислорода в атмосфере упало до 5% от современного и повысилось содержание углекислого газа. Это привело к изменению климата, снижению интенсивности процессов размножения животных, и как следствие бурному накоплению массы органических веществ, сто создало запасы ископаемого топлива (каменный уголь, нефть). Затем содержание кислорода снова стало повышаться и с середины мелового периода, примерно 100 млн. лет назад, отношение О2/СО2 близко к современному, хоть и испытывает колебания в определенных пределах. Дальнейшее развитие животных и растений, после выхода на сушу, привело к заселению материков, возникновению таких крупных наземных животных, как динозавры, появлению млекопитающих и, наконец, человека. В.И. Вернадский сформулировал идеи эволюции биосферы следующим образом: 1. Вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера. 2. В течение всей геологический истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т.е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох. 3. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью» (Вернадский 1934г). 4. Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени. Таким образом, основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества. Ю. Одум (1975) считает, что «с экологической точки зрения эволюцию биосферы, по-видимому, можно сравнить с гетеротрофной сукцессией, за которой последовал автотрофный режим». Но до сих пор, несмотря на 4 млрд. лет эволюции, таксономический состав систем еще не стабилизировался. Биоразнообразие экосферы продолжает совершенствоваться за счет большого резерва в эволюции сообществ. На этом уровне ведущая роль принадлежит сопряженной эволюции (коэволюции) и групповому отбору. Эволюция биосферы и ее основных составляющих. (по Ф. Рамаду, 1981) Время, число лет Геологическая эпоха Биосфера Литосфера Гидросфера Атмосфера 5х109 4,5х109 Ранний архей Формирование Солнечной системы. Наиболее древние породы Конденсация океана Свободный кислород отсутствует 3х109 2х109 Докембрий Первые бактерии Первые организмы, способные к фотосинтезу Вулканизм Появление кислорода из оксидов железа Содержание кислорода составляет 1% современного значения. Образование озонового слоя 7х108 5х108 – 2,25х 108 Палеозойская эра Появление многоклеточных Появление сосудистых растений и насекомых Оледенение Сахары. Образование каменноугольных отложений Увеличение объема океана Содержание кислорода составляет 3 – 10% от современного 108 – 7х107 Мезозойская эра Появление млекопитающих Появление покрытосеменных растений Вулканизм Отложение мела и гипса в осадочных породах Содержание кислорода увеличивается 5х107 2х107 107 106 Кайнозойская эра Эоцен Олигоцен Миоцен Плиоцен Четвертичный период Появление злаковых Увеличение видового разнообразия млекопитающих. Первые приматы по линии антропоидов. Первый из известных человекообразн. Оледенение Образование бурого угля. Вулканизм Уровень моря на 120 м ниже современного Процентное содержание кислорода близко к современному Содержание кислорода близко к современному. 1.1.11. Основные тенденции эволюции биосферы. Роль человека в эволюции биосферы. Ноосфера. Учение В.И. Вернадского о ноосфере. Учение В.И. Вернадского о ноосфере, т.е. сфере разума, стало венцом его научного творчества. Ноосфера («ноо» – разум, «сфера разума», «мыслящая оболочка») – высшая стадия развития биосферы. Это сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития (БСЭ, т.18, с.103). Понятие «ноосфера» впервые появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. В.И. Вернадский выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближайший Космос). Вся эта среда весьма активно изменяется человеком благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая сложилась в процессе эволюции. В.И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей планете», «создание свободного разума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окружающей человека среде» (Размышления натуралиста, 1975). Иными словами, ноосфера – среда, окружающая человека, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом. Человек, по мнению Вернадского, является частью биосферы, ее «определенной функцией». Подчеркивая тесную связь человека и природы, он допускал, что предпосылки возникновения человеческого разума имели место еще во времена животных, предшественников Homo sapiens и проявление его началось миллионы лет назад, в конце третичного периода. Но как новая геологическая сила смог проявить себя только человек. Воздействие человеческого общества как единого целого на природу по своему характеру резко отличается от воздействия других форм живого вещества. В.И. Вернадский писал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов» (Размышления натуралиста. Кн. 2, 1977). Вернадский считал, что «геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, меняющего коренным образом и ее облик, и ее строение, – ноосферы». Анализируя представления В.И. Вернадского о ноосфере, Э.В. Гирусов (1986) высказал мнение, что ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноосферу, всеми своими корнями связано с биосферой. Ноосфера – естественное и необходимое следствие человеческих усилий. Это преобразованная людьми биосфера в соответствии с познанными и освоенными законами ее строения и развития. Рассматривая такое развитие биосферы в ноосферу с позиций системного подхода, можно заключить, что ноосфера – это новое состояние некоторой глобальной суперсистемы как совокупности трех мощных подсистем: «человек», «производство» и «природа», как трех взаимосвязанных элементов при активной роли подсистемы «человек» (Прудников, 1990). Становление ноосферы, по Вернадскому, процесс длительный, но ряд ученых считает, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многие считают, что пока об этом говорить рано, так как то, что сейчас происходит во взаимодействии человека и прирды, трудно увязать с наступлением эпохи разума. Тем не менее прогресс человеческого разума и научной мысли ноосферы налицо. Человечество вышло за пределы биосферы Земли, в Космос и глубины литосферы (сверхглубокая Кольская скважина). По мнению многих ученых – ноосфера в будущем станет областью Солнечной системы. «Биосфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу. На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего», – утверждал В.И. Вернадский. 3. Раздел Глобальные, региональные и локальные проблемы биосферы 3.1. Антропогенное воздействие на биосферу и его последствия 1.1.1. Антропогенез Литература: 1. А. Зубов Наследники по прямой // Вокруг Света. – 2003, №5. – С. 104-114. 2. А. Пахневич, Н. Фирсова Конкуренты из Неандерталя // Вокруг Света. – 2005, №7. – С. 26-35. 3. Д,Эрвильи Приключения доисторического мальчика. 4. Рони Старший Борьба за огонь. Пещерный лев. Вамирэх. 5. Герберт Уэлс Это было в каменном веке Антропогенез – процесс исторического развития человека, того вида, к которому принадлежим все мы. Антропогенез это еще и раздел науки о человека – антропологии, изучающей эволюцию человека. У многих племен Африки имелись предания о происхождении человека от обезьян. (По другим поверьям, обезьяны, наоборот произошли от ленивых людей, сбежавших в лес, чтобы их не заставляли работать.) Самых близких к нам обезьян – шимпанзе, горилл, орангутана – вообще называли не обезьянами, а «лесными людьми» (орангутан – по малайски – лесной человек). В восточных религиях (индуизме, буддизме) обезьяны занимают почетное место и являются героями многих мифов. Иное положение сложилось в западных религиях (особенно в христианстве), где обезьяны – порождение дьявола, воплощение скверны. Поэтому, говорить о родстве человека и обезьяны почиталось богохульством. Тем не менее много выдающихся ученых, начиная с Аристотеля писали в своих трудах о близком родстве человека с обезьянами. Об этом высказывались Кант, Дидро, Геккель, Гексли. Латинское «имя» человеку дал основатель научной систематики К. Линней – Homo sapiens. Он же в своей «Системе природы» в 10-м издании описал в роде Homo (человек), кроме H. sapiens (человек разумный), виды H. silvestris (человек лесной) и H. troglodites (человек пещерный), под которыми подразумевал, по-видимому, шимпанзе и орангутана. И это несмотря на то, что гориллу описали лишь в 1847г., а ближайший к человеку вид – карликовый шимпанзе бонобо был выделен лишь в 1933г. К. Линней говорил лишь о сходстве, но не о родстве. Ж.-Б. Ламарк в начале 19 в. в труде «Философия зоологии» высказал предположение о родстве человека и орангутана, сопроводив его оговоркой: «Вот каким могло бы быть происхождение человека, если бы оно не было иным». Но, по сути, это была первая стройная теория происхождения человека. Ценное в работах Ламарка: 1. Понятие о естественном процессе становления человека; 2. Идея становления от обезьяны; 3. Идея последовательного приобретения человеческих свойств. Однако основоположником симиальной теории антропогенеза по праву признан Чарльз Дарвин. В 1859 г. Ч. Дарвин в своем труде «Происхождение видов путем естественного отбора» отметил, что «свет будет пролит на происхождение человека и его историю». В 1871г. вышла в свет книга Ч. Дарвина «Происхождение человека и половой отбор». В 1 главе – доказательство происхождения человека от более низших форм (сходство строения тела, сходство зародышевого развития, наличие рудиментов и атавизмов) 2 глава – рассматривается действие среды на организмы, в том числе на человека. Говортся, что человек – есть результат действия среды, рассматривается роль упражнения органов. Это дань ламаркизму, но Дарвин делает вывод, что ведущим фактором эволюции является естественный отбор. 3, 4 главы – посвящены сравнению умственных способностей человека и животных. Дарвин считал, что в них нет качественных отличаев, но сейчас ученые считают это заблуждением. Т.о. Дарвин: 1. Дал убедительные доказательства происхождения человека от более низших форм; 2. Указал родство человека и человекообразных обезьян; 3. Показал роль различных факторов и прежде всего е.о. в происхождении человека. Во времена Дарвина, да и сейчас, дарвиновская теория антропогенеза признавалась далеко не всеми. В 1925г. в США состоялся «Обезьяний процесс» по повод введения в курс школьной программы дарвиновского учения. За последние 100 лет после Дарвина антропогенез усиленно развивался, но до сих пор в этом вопросе есть белые пятна. Значительные открытия принесла вторая половина 20-го века. Для этого имелось 3 причины. 1. Массовые раскопки, особенно в Экваториальной Африке. Открытие множества костей древних обезьян и древних людей. 2. Разработка надежных методов определения возраста горных пород (а значит и находящихся в них костей), основанные на анализе радиоактивных изотопов. В результате оказалось, что человеческий род древнее на сотни тысяч лет, чем предполагалось. 3. Разработка методов молекулярной генетики, обосновывающих родство человека и обезьян. Согласно наиболее распространенной сейчас классификации, систематическое положение человека таково: Тип хордовые (Chordata) П/тип черепные (Vertebrata) Класс млекопитающие или звери (Mammalia) Подкласс Настоящие звери (Theria) Отряд приматы (Primates) (в настоящее время включает более 200 видов полуобезьян (лемуры, долгопяты, тупайи) и обезьян. П/отряд человекоподобные или высшие приматы (Anthropoidea) к которым относятся широконосые обезьяны Нового Света: игрунки, капуцины, каллимико и узконосые обезьяны Старого Света Секция узконосые, обезьяны Старого Света (Catarrhina) - включает: собакоподобные или церкопитекоиды: макаки, павианы, колобусы, лангуры, носачи и т.д. и гоминоиды Надсемейство гоминоиды, человекоподобные приматы (Hominoidea) (В это же надсемейство входят семейства гиббоны (2 вида из юго-восточной Азии), человекообразные обезьяны (гориллы, орангутанги, шимпанзе) и люди); Сем. Люди (Hominidae) (ныне живущие 1 род, 1 вид) – главная отличительная черта - двуногость; Род человек (Homo); Вид человек разумный (Homo sapiens). Считается, что наиболее близки к семейству людей африканские шимпанзе, карликовый шимпанзе – билобо, горилла, а также орангутан, ныне живущих на островах Индонезии, но раньше обитавший и в Южном Китае, а возможно и в Индии. О родстве человека с человекообразными обезьянами говорит следующие факты: 1. Высокое развитие головного мозга (хоть масса его в 2-3 раза меньше, чем у человека). 2. Диплоидное число хромосом (2n) у обезьян – 48, у человека – 46, т.е. различие в хромосомах обусловлено единственной транслокацией. Хромосома 2 человека образована слиянием 2-х хромосом, гомологичных таковым у шимпанзе. 3. Методы дифференциальной окраски хромосом выявили удивительную близость поперечной исчерченности хромосом человека и человекоподобных обезьян. 4. Группы крови у человека и обезьян очень близки, некоторые тождественны. 5. Резус фактор также имеется и у человека и у обезьян. 6. Многие белки человека и шимпанзе (например, гормон роста) взаимозаменимы. Отличительные признаки человека: 1. Речь, обусловленная: • развитием речевого аппарата; • развитием речевых центров коры головного мозга; 2. Наличие культуры: • образ жизни; • орудия труда; • техника изготовления орудий труда, украшений и т.д. 3. Передвижение на 2-х ногах. Человека отличает биомеханика движений – большие шаги. Такой широкий шаг можно осуществить только с помощью сложной работы мышц и всего локомоторного аппарата. 4. Развитие руки: • рука человека может осуществлять тонкие операции и в то же время она очень сильная. • большой палец руки противопоставлен, т.о. обеспечивается захват. У человека и обезьян различный индекс захвата (отношение длинны большого пальца к длине указательного у шимпанзе – 43, у человека – 63); 5. Большой по размерам и округлый по форме головной мозг (свыше 1400 см3). 6. Зубы невелики, более или менее одинаковы, располагаются дугообразно, клыки незначительно выступают (или не выступают) над уровнем остальных зубов. Экологическое наследие человека двойственно. Самые ранние предки человека жили на деревьях и были похожи на современных лемуров, более поздние – на земле. Эти две стадии дополнили друг друга. Предки приматов выделились в отряд в палеоцене. Их возраст датируется 65 млн лет т.е. в конце мелового периода, завершающего мезозой. В это время происходит массовое вымирание рептилий, долгое время господствовавших на нашей планете. В результате этого события на Земле (на суше и в воде) высвободилось большое количество экологических ниш, ранее занятых динозаврами. Эти ниши стали активно заполняться млекопитающими. В результате адаптивной радиации признаки близкородственных групп конвергентно расходились, возникали новые виды, роды, семейства и отряды животных, одним из которых и стали приматы. Древние лемурообразные предки человека найдены в эоценовых слоях на востоке Алжира (возраст около - 40млн лет). По месту находки эту обезьяну назвали Биретией. Приобретения от древнего периода: • подвижность и ловкость рук и ног; • появление противопоставленного большого пальца; • замена острых когтей плоскими ногтями (увеличение в связи с этим чувствительности подушечек на пальцах); • укорочение морды (часть головы от глаз до кончика носа) – связана с ослаблением роли обоняния; • изменение положения глаз – не по бокам, а спереди, а следовательно, появление бинокулярного зрения; • более крупный мозг; • примитивная морфология коренных зубов. Эпоха олигоцена – 25-35 млн. лет назад. На территории Африки, в Египте, на Аравийском полуострове найдены остатки узконосых обезьян, которые были похожи на современных человекоподобных обезьян. Это были еще низшие обезьяны. Считают, что таких человекоподобных было несколько групп: 1. .египтопитеки (питек – около) – дали начало высшим и некоторым низшим обезьянам 2. пролиптеопитеки – некоторые ученые считают, что именно они дали начало ветви, приведшей к возникновению человека. 3. проконсул – также возможный предок человека. Их объединяют в группу парапитеки (Parapiteki). Считается, что парапитеки дали начало группе дриопитеков, обитателей миоцена. Их останки обнаружены на территории Европы. Многие ученые считают дриопитеков предками человека и человекообразных обезьян – горилл и шимпанзе. Для эпохи миоцена характерны бурные горообразовательные процессы, появление равнин, долин, открытых пространств, покрытых высокой травянистой растительностью. Бурно развивались тропические леса. Среди дриопитеков существовало несколько разновидностей, но узкая специализация отсутствовала. У дриопитековых были качества, позволившие им успешно эволюционировать: • высокое развитие центральной нервной системы, • хорошее цветное бинокулярное зрение; • более или менее вертикальное положение тела, брахиация, т.е. лазанье с опорой на нижние конечности; • хватательные конечности – не только передние, но и задние. Дриопитеки, давшие начало человекообразным, питались фруктами, в отличие от другой группы, продолжившей питаться листьями и давших начало церкопитекоидам (собакоподобным). Доказательством этому служит строение коренных зубов. У дриопитеков 5 округлых бугорков, разделенных У-образной бороздой, так называемый «узор дриопитека». Помимо формы зубов, гоминоидов отличает от низших узконосых обезьян отсутствие хвоста, более короткое по отношению к конечностям, плоское и широкое туловище, специфическое строение плечевого сочленения, обеспечивающее большую подвижность верхней конечности. Выделяют несколько групп дриопитеков: • гигантопитеков (крупные гориллы), обнаружены в Китае, Индии. Вероятно это была тупиковая ветвь эволюции, пошедшая по пути узкой специализации; • ориопитеков, напоминали массивных шимпанзе – тупиковая ветвь эволюции, пошедшая по пути узкой специализации; • рамопитеки – обнаружены в Восточной Африке, Китае. Найден не весь скелет, а челюсти, зубы человеческого типа, расположенные подковообразно. Жили 12-14 млн. лет назад. Именно они по мнению некоторых ученых могли дать направление на человека, другие считают, что рамопитеки стоят у основания ветви, ведущей к орангутангу; • сивапитек – обнаружены в Индии; • кениапитеки – обитали в Кении около 14 млн лет назад. Наиболее вероятный предок человека. Почти нет сомнений, что появились гоминоиды в Африке и почти 10 млн. лет их история оставалась связанной с этим континентом. В среднем миоцене между Европой и Азией установилась сухопутная перемычка (16 – 17 млн. л.н.) и ареал гоминидов расширился, включив территорию юга Европы и Азии (12 – 15 млн. л.н.). В Азии они сохранились и по сей день (орангутанги, гиббоны, сиаманги), а в Европе из-за более жесткого климата вымерли на рубеже 7 млн. л.н. Продолжение развития гоминид и выделение гоминидной линии, ведущей к человеку, продолжалось в Африке. Все дриопитековые вымерли 9 млн. лет назад, но по видимому они дали начало современным человекообразным обезьянам и ветви, приведший к возникновению человека. Далее следует большой разрыв в данных. Пока не обнаружено никаких останков. Более поздние останки датируются 6 млн. лет назад. Останков возможных предшественников человека несколько. Это рамидус, оррорин, сахельантроп, австралопитеки (австралопитек – южная обезьяна). В 1994г. были описаны остатки скелета, найденного на местонахождении Арамис в Эфиопии в геологическом слое, датированном 4,4 млн. л.н. Этот род и вид гоминид получил наименование ардипитек рамидус (Ardipithecus ramidus). Некоторые антропологи считают, что эта ветвь привела к возникновению шимпанзе. В конце 90-х гг. новые находки позволили выделить особый подвид рамидуса, получивший название кадабба, возраст которого превышает 5 млн.л. В 2000г. на местонахождениях на западе Кении были найдены остатки скелета, датированные временем 6 млн.л.н., что позволило выделить новый род и вид вероятных далеких предков человека, названых ороррин тугененсис (Orrorin tugenensis), что на языке одного из местных племен означает «первый человек». В 2001 – 2002 гг. на местонахождении в центральноафриканской пустыне Джураб были найдены остатки еще одного гоминида, жившиго примерно 6 млн. л.н., или даже несколько раньше. Этому существу дали имя сахельантроп чадский (Sahelanthropus tchadensis). Около 4 млн. л.н. на эволюционной арене появляется новое действующее лицо – австралопитеки. Термин австралопитеки ввел в науку первооткрыватель – английский анатом Р. Дарт, нашедший в 1924г. на территории ЮАР череп шестилетнего детеныша этой обезьяны. Обнаружены в Африке: ЮАР, Эфиопии, Танзании, Кении. В настоящее время известно уже 8 видов австралопитеков. Эти приматы жили в эпоху, когда тропические леса в Африке стали отступать на север, их место занимали сухие степи и саванны с высокой растительностью. Австралопитеки покинули леса, вышли на открытые пространства, где в изобилии водились хищники: львы, леопарды, саблезубые тигры. Это двуногие организмы, передвигающиеся в выпрямленном положении (таз австралопитеков по строению похож на человеческий и обеспечивал совершенную двуногую походку.). Это позволило высвободить руку – орган защиты, нападения, трудовой деятельности, имели маленькие клыки, которые не являлись орудиями нападения. Т.о., вероятно, рука была развита и, возможно, они могли пользоваться камнем, палкой. Вероятно уже на стадии австралопитеков начался процесс потери шерсти. Объем мозга до 600 см3 – это еще мозг обезьяны. Образ жизни – обитали на границе леса и открытых пространств, вблизи воды. Жили группами, ходили на 2-х ногах, хорошо бегали, были охотниками (добыча – крысы, зайцы). Сами были объектами охоты лис, леопардов. Возможно умели защищаться камнем, палкой. Речи не было, но предполагают, что были отдельные звуки, жесты, мимика. Вероятно была тенденция к образованию семейных пар, возможно было разделение труда; жили в пещерах, спали на деревьях в укрытиях из веток. Найдены останки более 400 особей. Австралопитеки разделялись на 2 группы – массивные и грацильные. Обезьяны массивных форм, скорее всего растительноядные, названы были зинджантропами. Объем их черепа – 750 см3. Это мозг человекообразной обезьяны. Скорее всего они пошли по пути узкой специализации вымерли. В 1960г. в более ранних слоях находят останки существа, названного презинджантропом – по древнему названию Танзании. В 1959 – 60гг. в пещере Олдувай в Танзании (Центральная Африка) английские ученые М. Лики и Л. Лики нашли остатки черепа и кости конечностей взрослого существа. Затем были обнаружены еще несколько находок. Главное отличие этих находок, что представители данного вида могли изготавливать самые простые орудия, ударом камня об камень создавали режущий край. Рядом были найдены остатки орудий, которыми пользовались существа. Эту культуру назвали Олдованской или олдовайской, а также галечной, а примитивные орудия труда – ударники – чопперами (сечками). Их трудно отличить от естественных камней, скорее всего они изготовлялись на 1 раз. Найдены кольца из крупных камней в местах стоянок – вероятно это фундаменты жилищ. К этому же периоду относятся первые попытки овладения огнем. Грацильных австралопитеков признают наидревнейшим человеком – Человек умелый (Homo habilis). Homo habilis – граница человечества. Она проходит на линии 2,5 млн. лет назад, некоторые ученые считают – 3 млн. лет назад. Австралопитеки – предлюди, давшие начало ветви людей. Признаки человека у грацильных австралопитеков: 1. двуногие существа; 2. строение таза близко к человеческому, что обеспечивает двуногую походку; 3. нога по строению близка к человеческой; 4. строение кисти (это еще не человек, но уже и не обезьяна, индекс захвата больше, чем у современных человекообразных обезьян, но меньше, чем у человека), концы пальцев уплощены; 5. мозг от 600 см3 до 680 см3 , формируется подобный человеческому узор борозд, появляются хорошо заметные выпуклости в тех местах коры, где у людей находятся речевые центры (поле Брока и поле Вернике). На 7 конгрессе антропологов грацильного австралопитека выделили в вид человек умелый, т.к. он умел использовать примитивные каменные орудия труда. Т.о. австралопитек – первая ступень эволюции собственно человека. Этот период ознаменовал начало палеолита (древнего каменного века). Находки 1998 – 1999гг. в Кении, датированные возрастом 3,5 млн. л.н. послужили основанием для выделения еще одного рода гоминид, сосуществовавших с австралопитеками и имеющими низкую степень выступания нижней части лицевого скелета. Этот род назвали кениантропом (Kenyanthropus). Современной науке известно, что примерно 1,8 млн. лет назад от вида человек умелый Homo habilis отделился новый вид – Homo ergaster (человек трудящийся), более близкий к современному человеку, хоть и имеющий некоторые архаичные анатомические черты. Вид этот развился в Африке, на территориях нынешних Кении и Эфиопии. В 1983г. в Кении (район Нариокотоме) был найден почти полный скелет представителя этой стадии эволюции. Древность подростка из Нариокотоме – 1,6 млн. лет. Наиболее поздние костные остатки человека умелого датируются 1,7 млн. л.н. Примерно тогда же пояляются первые представители рода человек прямоходящий (Homo erectus). Эта смена приходится на начало ледникового периода. Это следующий этап – древнейшие люди (архантропы). Еще в 19 в. Э Геккель выдвинул гипотезу о наличии связующего звена между человеком и его далекими предками, назвав это недостающее тогда звено, питекантропом. В 1891г. на острове Ява, на берегу реки Соло, голландским врачом, биологом, убежденным дарвинистом Э Дюбуа были обнаружены остатки черепной коробки (черепная крышка), зубов, бедренной кости, сочетающие признаки человека и обезьяны. Объем мозга – 900 см3 (у некоторых находок в Венгрии до 1300-1400). Этих существ назвали питекантропам (обезьяночеловек). Всех архантропов относят к 1 виду. Положение тела у этого существа было вертикальное, походка человеческого типа, поэтому вид назвали Homo erectus – человек прямоходящий. Останки датируются 0,5 млн. лет назад. Более поздние находки увеличили возраст неандертальцев. На территории Юго-Восточной Азии и Китая нашли останки древнейшего человека, названные синантропом, датированные 1,7 млн. лет назад. К древнейшим людям относят и гейдельбергского человека, названного так по месту находки челюсти (близ Гейдельберга, Германия). Человек этот жил около 500 тыс. лет назад. Новые открытия позволяют отнести к данной группе останки особей, найденные испанскими антропологами на холмах Атапуэрка, близ Гран-Долины (Испания) в 1994г. Они выделили по данным останкам новый вид – человек предшествующий – Homo antecessor. Возраст находок 780 тыс. лет. Древнейший человек дал начало древнему человеку – палеоантропу или неандертальцу (Homo neandertalicus). Скорее всего это произошло в какой-то популяции центрально- и североафриканских архантропов. Первый череп человека этого вида был найден в 1848г. в Гибралтаре, но находка осталась незамеченной. В 1856году в долине Неандерталь близ Дюссельдорфа рабочие нашли в карьере необычный скелет. Сначала его приняли за останки пещерного медведя, которые часто попадаются в тех местах, но учитель местной сельской школы опознал их как человеческие и отправил находку в музей. Научная общественность долго не признавала принадлежность скелета древнему человеку. Лишь в 1863г. английский антрополог Уильям Кинг установил большую древность этой находки и дал ей имя Homo neandertalicus – человек неандертальский. Неандертальцы сохранили много обезьяньих черт: массивные челюсти без подбородочного выступа, мощные надбровные дуги, узкий, покатый лоб. Но на этой стадии произошли существенные изменения в образе жизни – из собирателя и ловца мелких животных человек превратился в охотника на крупную дичь, возникли коллективные, облавные охоты, применялся огонь, существенно улучшилась техника выделки каменных орудий, возникли чоппинги или бифасы – камни, заостренные с обеих сторон и ручные рубила. Возможно на этой стадии возникает еще один признак людей – речь, язык, что было связано с лучшим развитием коры больших полушарий и переключением речевых рефлексов из подкорковой лимбической зоны в кору. Они пережили 2 оледенения. Вели коллективную охоту, пользовались огнем, имели орудия труда. Неандертальские стоянки изобилуют каменными орудиями труда, в основном кремниевыми. Это различные скребла, остроконечники, относящиеся к Мустьерской культуре (30-50 тыс. лет назад) – по месту первой находки. Во Франции в ряде мест она сменилась более совершенной культурой – шательперрон. Видимо тогда были изобретены копье с каменным наконечником и меховая одежда. На стенах пещер иногда встречаются пятна природной охры, что можно рассматривать как зачатки живописи. Неандертальцы хоронили своих родичей, а значит у них уже были зачатки верований, обряды. Обнаружены захоронения, вокруг которых найдены пыльца, семена цветов, которые не могли расти в 1 месте. Были обнаружены кости калек, следовательно была забота о детях, стариках и немощных. Объем мозга большой – 1400 –1600 см3. Не все находки одинаковы. Выделяют 2 типа: 1. Классические – покатый лоб, скошенная нижняя челюсть, широкий нос. Скорее всего они пошли по пути узкой специализации вымерли. 2. Сапиентные – сходство с человеком разумным не только внешнее, но и по поведению. Именно они по некоторым представлениям дали начало следующей эволюционной ступени – неоантропам – кроманьонцам. Возник подвид Homo sapiens sapiens. Это произошло 38-40 тыс. лет назад. По другим представлениям, Кроманьонцы и неандертальцы – две ветви так называемых «архаичных сапиенсов», появившихся на Земле более 500 тыс. лет назад – скорее всего в Африке и расселившихся оттуда в две волны в Европу и Азию. Именно поэтому стоянки неандертальцев и кроманьонцев датируются иногда одним временем. Более того, часто они располагались рядом. Предполагают, что постепенно кроманьонцы вытеснили неандертальцев. По другой версии, эти виды могли скрещиваться и давать потомство, продолжившее эволюцию человека. Жили неантропы в эпоху верхнего палеолита. Первой научно исследованной находкой человека современного типа был обезглавленный скелет, найденный в Уэльсе (Англия) в 1823г.. Это было погребение: покойника посыпали охрой, впоследствии осевшей на костях. Скелет сочли женским и нарекли «красной леди». Спустя 100 лет установили мужскую принадлежность скелета. Но наиболее известны более поздние находки (1868г.) в гроте Кро-Маньон (Франция), по которым всех древних людей и называют кроманьонцами. Они были высокого (170-180 см.) роста, с крупными чертами лица. По развитию в.н.д. они практически не отличались от нас. В России стоянки древних людей находили до широты Владимира. Расселение человека. Таким образом, родина современного человека Африка (Эфиопия, Танзания, Кения). Он появился приблизительно3,5 млн. лет назад. Отсюда человек расселился двумя волнами на юг Африки (ЮАР) и через Грузию в Европу, Юго-Восточную Азию, Индию и Китай. Направление миграции через Грузию подтверждают сделанные в 2002г. находки трех черепов и трех челюстей группой ученых из Америки, Испании и Швейцарии под руководством члена Грузинской АН Давида Лордкипанидзе. Первая волна датируется 1,7-1,5 млн. лет назад, вторая 150-80 тыс. лет назад. Из Юго-Восточной Азии человек распространился по островам Океании, в Японию (30 тыс. лет назад), Австралию (60 тыс. лет назад), на остров Тайвань(30 тыс. лет назад). Из Китая (возможно) на север Азии, и в Америку(30-13 тыс. лет назад). Из Европы также шло расселение в Америку (30-13 тыс. лет назад). Современная эволюция человека. Существует несколько точек зрения на эволюцию современного человека. 1 точка зрения – естественный отбор на человека не распространяется. 2 – человек – биологическое существо, которое подчиняется социальным законам. В настоящее время существует несколько общепринятых постулатов. • Человека характеризует набор генов – это особь популяции. • С другой стороны человек – личность, продукт воспитания. • На человека действует физическая среда, но она действует очень медленно и движущий отбор в применении к человеку практически не действует в обозримый период. Начиная с кроманьонца человек практически не изменился. Подвидов и новых видов не образовалось. • На человека действует социальная среда, действует очень быстро. Адаптации человека на современном этапе – это социальные адаптации. Специфика эволюции человека. Человек – пока единственный вид осознавший себя. Человек обладает универсальной адаптацией по сравнению с животными. Это приобретение культуры. Эта адаптация дает выход в новую адаптивную зону. Человек начинает жить в культурной среде. Культура – это весь труд и духовный опыт людей, передающийся от поколения поколению. 1.1.2. Расогенез В каждой популяции можно найти людей, отличающихся по антропоморфным показателям. Это индивидуальная изменчивость. Признаки рас характеризуют не отдельного человека, а некую общность людей, связанную с определенным районом обитания. Изменчивость человека подчиняется экологическим законам. Н: узкая глазная щель – защита от песчаных и пылевых бурь в пустынных районах и снега, слепящего отраженного от него солнца на севере; черная кожа – защита от ультрафиолета (обжечь ее можно только дозой ультрофиолета в 10 раз большей, чем белую кожу); черная кожа имеет больше потовых желез – защита от перегрева, курчавые волосы создают естественный шлем, предохраняющий от перегрева. Экологические причины вызвали появление сходных признаков у людей живущих в сходных условиях. Н: большой слой подкожного жира у людей, живущих в экстремальных условиях; узкая глазная щель у монголоидов и жителей крайнего севера, маленький рост у жителей тропических влажных джунглей, при дефиците микроэлементов. По всему тропическому поясу распространены популяции людей с аллелями аномальных гемоглобинов, в гомозиготном состоянии приводящие к анемии, но в гетерозиготном состоянии обеспечивающие иммунитет к малярии. Общеизвестны 3 основные расы: европеоидная, монголоидная, негроидная (их еще иногда называют стволами. Европеоиды – волнистые или прямые волосы, часто светлые. Светлая кожа. У мужчин обычно сильно растут усы и борода, лицо узкое с выступающим носом (профилированное), ширина носа невелика, ноздри параллельны друг другу. Глаза расположены горизонтально, складка верхнего века отсутствует или развита слабо. Челюстная часть лица не выступает вперед (ортогнатный череп). Губы обычно тонкие. Сформировались в Европе и Передней Азии. Монголоиды – жесткие, прямые, темные волосы. Кожа с желтоватым оттенком, борода и усы растут слабее, чем у европеоидов. Лицо широкое, уплощенное, скулы сильно выступают, нос уплощен, ноздри расположены под углом друг к другу. Глаза узкие, внешний угол выше внутреннего (раскосость). Верхнее веко у типичных монголоидов закрыто кожной складкой, порой до самых ресниц, имеется эпикантус (складка во внутреннем крае глаза, прикрывающая слезный бугорок). Губы средние по толщине. Сформировалась в Азии. Негроиды – курчавые черные волосы, очень темная кожа, карие глаза. Борода и усы у мужчин растут слабо. Лицо узкое, низкое, нос широкий. Глаза широко открыты, складка верхнего века развита слабо, эпикантус у взрослых обычно отсутствует. Характерно выступание челюстной части лица (прогнатный череп). Губы толстые, нередко вздутые. Сформировалась в Африке. Однако из этих групп выпадают по признакам американские индейцы и австралийцы. Первых иногда относят к монголоидам по традиции. Но у них профилированное лицо, а эпикантус редок. Поэтому сейчас их часто выделяют как отдельную расу америнидов. Жители Австралии и близлежащих островов темнокожи, но волосы не курчавые, а волнистые, борода и усы растут обильно, а по составу крови, они ближе к монголоидам, чем к негроидам. Поэтому выделяют и австралоидов. Эти пять рас или стволом подразделяют на много группировок. Н: южане европиоиды среднего роста, темноволосы, имеют карие глаза, а северяне – светловолосые, голубоглазые или сероглазые, высокие. Среди негроидов известны самые маленькие люди земли – пигмеи бассейна реки Конго (141 см. в среднем у взрослых мужчин) и самые высокие, живущие у озера Чад (182см). То же можно сказать и о других расах. Поэтому антропологи выделяют несколько десятков рас второго и третьего порядков. Есть и группировки с переходными признаками, так называемые контактные группы. Например, в России 45 млн. населения относятся к переходному европеоидно-монголоидному типу. По сути дела сейчас практически нет «чистых» рас. Основные расы возникли очень давно, на заре образования кроманьонца (теория моноцентризма), а возможно и раньше (теория полицентризма). Генетические методы позволяют сделать вывод, что общий предок всех рас жил примерно 90-92 тыс. лет назад. Тогда произошло разделение 2-х стволов: большого монголоидного, включая америнидов и европеоидно-негроидного, включая австралоидов. Австралийцы проникли на материк около 50 тыс. л.н. и скорее всего они сохранили больше черт общего предка. Разделение европеоидов и негроидов произошло около 40 тыс. л.н. От монголоидов в 3 волны миграции (16-40 тыс. л.н., 12-14 и 9 тыс. л.н.) возникли америниды. Мигранты первой волны проникли в Южную Америку. Сейчас наиболее признанной считается теория моноцентризма. Но проблема моноцентроизма-полицентризма не единственная в антроплогии. Важно понять причины расогенеза и его механизм. Существуют 2 основных механизма изменения генного состава (генофонда) популяции – естественный отбор и генетико-автоматические процессы (дрейф генов). Отбор сохраняет и распространяет в популяции приспособительные, адаптивные признаки, дрейф генов в малых популяциях может закрепить признаки нейтральные, не повышающие и не понижающие в данных условиях вероятность оставить потомство. Человечество изменяется и сейчас. Особенно заметны процессы грацилизации и акселерации. Грацилизация – снижение общей массивности скелета – связана в основном с тем, что человек все меньше занимается физической, мускульной работой. Акселерация – ускорение развития всего организма. У грудных детей раньше удваивается масса, на год раньше, чем в прошлом веке молочные зубы сменяются на постоянные, за последние 100 лет 14-16-летние подростки стали выше на 15-16 см. все эти процессы идут параллельно у представителей разных рас. Сами расы постепенно теряют характерные для них наборы признаков в связи со скрещиванием представителей разных рас, изолируемостью от внешней среды в условиях городской жизни. Расовые признаки перестают быть адаптивными, отбор мало действует. В перспективе, ожидаемо слияние всех рас в единую. 1.1.3. Коэволюционный характер развития пррироды и общества на современном этапа развития биосферы. Сопряженная эволюция (коэволюция) на внутривидовом и межвидовом уровнях характеризуется тем, что при ней обмен генетической информацией минимален. На уровне сообществ можно рассматривать селективные воздействия между группами организмов, находящихся в экологическом взаимодействии: растения и растительноядные животные, крупные организмы и мелкие симбионты, паразит – хозяин, хищник – жертва и т.д. Учение Вернадского о ноосфере позволило ряду ученых допустить в дальнейшем такой ход событий в эволюции биосферы как коэволюцию между человеческим обществом и природной средой, в результате чего и возникнет ноосфера, но это будет происходить благодаря «новым формам действия живого вещества на обмен атомов живого вещества с косной материей». Вернадский считал, что «геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, меняющего коренным образом и ее облик, и ее строение – ноосферы». 1.1.4. Экологические кризисы и катастрофы в истории человечества. С позиций самоорганизации в развитии открытых неравновесных систем выделяется плавный (эволюционный) этап, на протяжении которого не происходит серьезных качественных изменений. Но в процессе его протекания возникают и накапливаются противоречия, в конечном счете приводящие систему в крайне неустойчивое состояние. Долго пребывать в таком состоянии система не может. Так, появление человека в биосфере стало началом новой эры. На ранних стадиях развития цивилизации воздействие человека на биосферу было практически незаметным. Этот период и был началом эволюционного развития биосферы в условиях новой эры. Но постепенно человек своей деятельностью начал видоизменять флору и фауну планеты, изменять облик ее поверхности, иначе говоря, начал перестраивать биосферу. В наше время сложилась парадоксальная ситуация - мировая цивилизация достигла поразительных высот и в то же время оказалась на краю пропасти. Ученые разных стран, характеризуя состояние окружающей среды все чаще стали давать такие определения как "деградация глобальной экологической системы", "экологическая дестабилизация", "разрушение природных систем жизнеобеспечения». При характеристики деградации глобальной экологической системы большинство ученых ссылается на принцип Ле-Шателье, заимствованный из сферы термодинамических равновесий. Он проявляется в том, что изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации этих возмущений. Такая же компенсация характерна и для круговорота биогенного вещества в естественной природной среде, но только до тех пор, пока возбуждения не начинают превышать определенных пороговых значений. А поскольку в наши дни допустимый порог возмущений в биосфере превышен, она уже не в силах компенсировать изменения плотности биологических веществ на единицу поверхности Земли. Это и означает потерю необходимой для нее устойчивости. Для современного этапа развития биосферы характерно нарастание глобального экологического кризиса. Это понятие означает напряженное состояние отношений между человечеством и природой, возникновение несоответствия между развитием производительных сил и производственных отношений, с одной стороны, и биосферными процессами – с другой. Воздействие человека на природу и природы на человека взаимно. Кризис является обратимым явлением, в котором человек выступает активной стороной. Это означает, что в результате целенаправленных усилий он может быть ослаблен или даже преодолен. В отличие от кризиса экологическая катастрофа – это необратимое явление, в условиях которого человек выступает пассивной, страдающей стороной. Интенсивность воздействия на биосферу сельскохозяйственной, а затем и промышленной деятельности людей особенно быстро нарастала в последние две сотни лет и достигла такого уровня, когда биосфера больше не могла сохраняться в своем прежнем состоянии. Назрел кризис системы, о чем и предупреждали человечество в 30-е годы В.И. Вернадский и другие ученые. Предполагается, что из кризисного состояния самоорганизующаяся система выходит скачком, меняя свою структуру и облик так, чтобы на новом уровне организации достичь устойчивого состояния. Это случайный акт, оцениваемый из вероятностных представлений. Но после того как переход произошел, назад возврата нет, система начинает новый эволюционный этап, определяемый стартовыми условиями совершившегося перехода. Итак, биосфера и человечество как ее составная часть вступили в кризисный период своего развития. Кризис усугубляется многими неблагоприятными факторами. Так, впервые в своей истории человечество стало обладателем мощнейших источников энергии и токсичности - теперь за считанные минуты может быть уничтожено все живое на Земле. Лишь по счастливой случайности осознание безумия использования подобных источников в традиционных способах решения межгосударственных конфликтов - в войнах - появилось раньше, чем дело дошло до самоуничтожения. Но за угрозой ядерного, радиационного или токсического уничтожения биосферы вырисовывается другая, не менее страшная угроза, называемая экологической катастрофой. В ее основе - стихийная деятельность людей, сопровождающаяся загрязнением среды обитания, нарушением теплового баланса Земли и развитием так называемого парникового эффекта. В ближайшей перспективе назревает истощение жизненно важных для человеческой цивилизации сырьевых источников планеты. К этому добавляются демографический взрыв - очень быстрый рост численности людей с тяжелыми для биосферы последствиями, а также другие неприятности, о которых так много пишут. Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на природу как объект бездушной эксплуатации ее человеком. Активность стихийной деятельности человека во многом зависит от этических норм его поведения. По мнению митрополита Волоколамского и Юрьевского Питирима, «этические нормы поведения человека определяют как бытие, так и взаимодействие с окружающей средой. Земля отвечает не просто неурожайностью почвы или изменением климата на нарушение нравственного ведения хозяйства, но и способна, накапливая отрицательное воздействие, выражать тектоническими изменениями свою реакцию на поступки человека». В.И. Вернадский, как и ряд других крупных ученых, был оптимистом, верившим, что любые неприятности человечество преодолеет с честью и продолжит свое исторически предопределенное движение вперед. Но среди возможных устойчивых состояний, в которые биосфера как система сможет перейти в процессе самоорганизации, есть и такие, которые исключают жизнь на Земле или исключают существование на ней человеческой цивилизации. А так как механизм перехода управляется случайными факторами, то вероятность таких неблагоприятных для человека вариантов достаточно высока. Например, по случайным причинам или преднамеренно может произойти самоуничтожение человечества в ядерном конфликте. Или к тем же результатам приведет неспособность справиться с экологической катастрофой. Благоприятным выходом из состояния скачка станет образование ноосферы. Является ли в действительности переходный процесс в точке бифуркации независящим от воли человека, чисто случайным явлением? Оказывается, присутствие в системе разума меняет ситуацию. Предотвратить переходный процесс в биосфере человек не в силах, но есть возможность свести к минимуму или совсем убрать те неблагоприятные флуктуации, которые и подталкивают неустойчивую систему к нежелательным для человека вариантам перехода. Например, запрещение и полное уничтожение ядерного и химического оружия (точнее, любого оружия массового уничтожения) устраняет флуктуацию, способную вызвать уничтожение биосферы в конфликте. Еще лучше, если будут достигнуты договоренности о значительном сокращении, а затем и полном уничтожении обычных видов вооружений. Тогда высвободятся огромные материальные, интеллектуальные и финансовые ресурсы, которые можно направить на предотвращение экологической катастрофы. Экологические кризисы не раз случались в прошлом. Ученые считают, что первым из них был кризис собирательства и примитивного промысла, который произошел еще в конце раннего палеолита. Этот кризис усугубился использованием огня. Формирование и становление кроманьонского человека завершилось в течение считанных тысячелетий. Сравнительно быстро это событие вызвало экологические последствия. И, прежде всего – небывалое в геологической истории распространение одного биологического вида практически на всей обитаемой суше. Никогда – за миллионы, миллиарды лет – ни один вид не имел такого распространения. Именно тогда и зародилось неразрешимое до сих пор противоречие между катастрофически быстро развивающимся биологическим видом-потребителем природных ресурсов и самой природной средой – между человеком и породившей его природой. Всё (если и не абсолютно всё, то многое) начиналось, как и водится, с огня. Нет, не с мифического огня Прометея, озарившего человеческое сознание, а с самого, что ни на есть реального пламени…Доказательства варварского истребления лесов первобытными племенами поступают даже не из такого уж давнего прошлого – что особо ценно. Голландский мореплаватель А. Я. Тасман и его команда, первыми из европейцев увидевшие берега Тасмании, аборигенов не обнаружили, хотя обратили внимание на клубы дыма, поднимавшиеся в разных местах над лесом. Последующие исследователи острова постоянно сталкивались с лесными пожарами или с обилием костров, разводимых аборигенами. И хотя тасманийцы занимались охотой, рыболовством, собирательством, главным «рычагом», с помощью которого они «переворачивали» свою землю – перестраивали ландшафты радикально, - был огонь. В результате подобной «природопреобразующей деятельности» на обширных пространствах Тасмании произошла смена растительности; произошли изменения в характере почвы, изменился климат. Например, многие исследователи сходятся на том, что до появления человека, в частности, в Исландии до 40% площади острова были заняты березовыми лесами с примесью ивы, рябины и можжевельника. Со времени освоения Исландии викингами леса стали быстро сокращаться, и ныне их площадь не превышает 0,5%. В других регионах к подобным же результатам привела система первобытного земледелия, предполагавшего выжигание огромных лесных пространств регулярно - раз в несколько земледельческих сезонов. Второй кризис был связан с оскудением охотничьих ресурсов во времена последнего ледникового периода и начала голоцена, когда стали исчезать крупные позвоночные животные – так называемая мамонтовая фауна (его обычно называют кризисом консументов – растительноядных и хищных животных). Именно результатом хищнического истребления целых видов животных (археологи, действительно, находят гигантские скопления костей животных на местах былых охотничьих побед), а также воздействия человека на природные комплексы в целом стало то, что во многих регионах мира создались предпосылки для кризиса охотничьего хозяйства, присваивающего природные биологические ресурсы практически без сознательного их возобновления. Один из крупнейших знатоков ледникового периода американский географ и геолог Р. Флинт, писал об исчезновении групп животных: «вымирание в основном происходило 5000-10000 лет назад. К вымершим животным принадлежат все верблюды, лошади, ленивцы, два рода мускусных быков, пекари, винторогие антилопы, все виды бизонов (кроме одного)… и отдельные виды кошек – некоторые из них достигали размеров льва. Исчезли также два вида мамонтов, которые были крупнее современных слонов и были распространены на территории США почти повсеместно». На отдельных изолированных территориях (Австралия, Тасмания и др.), где отсутствовали пригодные для ведения сельского хозяйства виды животных и растений, первобытное общество настолько подорвало ресурсы существующих природных комплексов, что вступило в полосу застоя и даже некоторого технического и социального регресса. И хотя сохранился прежний уровень хозяйственного развития, хищническая эксплуатация природных биологических ресурсов вызывала последовательную деградацию окружающих ландшафтов, уменьшение или качественное ухудшение используемых биологических ресурсов. Общество – часть природы не могло оставаться вне этого процесса. Третий кризис был вызван засолением почв и деградацией поливного земледелия 3-4 тыс. лет назад, после неолитической революции и появления земледелия и скотоводства. Четвертый кризис, называемый кризисом продуцентов, связывают с началом массового сведения лесов, которое еще в древности началось в некоторых районах Азии, затем продолжилось в средиземноморье, во всей Европе, а после великих географических открытий распространилось и по всему миру. Интересен тот факт, что учеными доказана большая продуктивность нетронутых человеком естественных природных комплексов чем экосистем, искусственно им созданных. И это актуально даже для сегодняшнего уровня развития сельского хозяйства. А, следовательно, и собирательство и охота на начальном этапе должны были быть более эффективны, чем земледелие и скотоводство. Но только в том, случае, если окружавшая человека природа не переживала очередную экологическую катастрофу. Именно разрушающее воздействие человека на окружающую среду стимулировало, как ни странно это звучит, развитие цивилизации – в поисках новых ресурсов человечество постепенно переходило от присваивающего хозяйства к производящему. Однако вслед за одной бедой спешила другая. Созданная примитивными способами новая природная среда чрезвычайно хрупка, быстро истощает почву и нежизнеспособна в обычных условиях (будучи оставленной человеком после истощения). Выжигание растительности, рыхление поверхности земли в сочетании с уничтожением деревьев и кустов наносит значительный ущерб почве, приводит к эрозии. Поэтому осваиваемые первобытным человеком участки земли вскоре приходили в полную непригодность и люди вынуждены были искать новые территории. Следами тех экологических катастроф древности, выглядящими сегодня в наших глазах, как извечные степи и пустыни, планета покрыта до сих пор. Именно поэтому экологические проблемы древности не были и не могли быть стимулом только прогресса человечества. Необходимость доступа к получению ресурсов природы, осложнявшаяся, в том числе и природоразрушающей деятельностью человека, толкала племена к конфликтам с более обеспеченными соседями. Хотя необходимость оборонять от соседей богатства, полученные от природы, с другой стороны, заставляла первобытные племена укреплять свои поселения, учиться возводить крепостные валы и т. п. . Именно так человечество прошло с окружающей его природной средой бок о бок сквозь десятки, сотни тысячелетий – борясь с миром за существование и создавая себе победами в этой борьбе только всё новые и новые проблемы. Впрочем, К.С. Лосев отмечает, что перечисленные кризисы имели преимущественно региональный или даже локальный характер. 1.1.5. Понятие о риске. Природные и техногенные чрезвычайные ситуации. В последнее время в научный обиход вошло новое понятие о риске — как для отдельного человека, так и для государства, и для всего мирового сообщества. Среди возможных рисков различают видовые, бытовые, социальные, военные, экологические, этнографические, трансграничные и др. По степени охвата все они могут быть локальными, национальными, региональными и глобальными, а по степени воздействия — чрезмерными (неприемлемыми), предельно допустимыми (максимально приемлемыми) и приемлемыми. Различают также контролируемые и неконтролируемые риски. Именно риски служат главным источником возникновения чрезвычайных ситуаций, при которых на определенной территории нарушаются нормальные условия жизни и деятельности людей, возникает угроза их жизни и здоровью, наносится ущерб их имуществу, а также хозяйству и окружающей среде. Непосредственной причиной возникновения рисков могут служить стихийные бедствия, аварии, катастрофы, непродуманная хозяйственная деятельность, военные и этнические конфликты и др. Чрезвычайные ситуации также обычно подразделяют на два больших класса: природные и антропогенные. Они участились в XX в. в связи с усилением антропогенного воздействия на природу. Поэтому в наши дни многие НОЯ правильнее было бы называть не природными, а природно-антропогенными (или антропогенно обусловленными). Намного увеличился и материальный ущерб, наносимый такими катастрофами. Согласно авторитетным западным источникам, только с 1965 по 1992 г. от природных катастроф в мире погибло около 3,6 млн., а пострадало более 3 млрд. человек. Общий экономический ущерб от них за то же время оценивается огромной суммой в 340 млрд. долл. К числу наиболее частых и опасных природных катастроф относят наводнения, землетрясения, засухи, тропические циклоны. Статистика свидетельствует о том, что наибольшее число погибших связано с наводнениями, тропическими циклонами и землетрясениями, а пострадавших — с засухами, наводнениями и тропическими циклонами. По данным ЮНЕСКО, лишь за последнее столетие в мире от наводнений погибло 9 млн. человек, не говоря уже о принесенном ими колоссальном материальном ущербе. От землетрясений в мире ежегодно гибнут примерно 10 тыс. человек, а материальный ущерб от них приближается к 500 млрд. долл. Большие людские и материальные потери связаны также с подводными землетрясениями и цунами, которые они вызывают. То же относится и к тропическим циклонам (ураганам, тайфунам). Обычно помимо убитых и раненых они оставляют после себя многие тысячи и даже десятки тысяч бездомных. Например, после урагана с тропическими ливнями, обрушившегося на Центральную Америку осенью 1998 г., погибли II тыс. человек, а без крова остались более 2 млн. жителей Никарагуа, Гондураса и некоторых соседних стран. В качестве наиболее яркого примера периодически повторяющейся природной катастрофы, к тому же по своему масштабу приближающейся к глобальной, можно привести поистине удивительный естественный феномен — явление Эль-Ниньо. В обычные годы вдоль всего Тихоокеанского побережья Южной Америки из-за прибрежного подъема более холодных глубинных вод (апвеллинга), вызываемого холодным течением Гумбольдта, или Перуанским, температура у поверхности океана колеблется в сезонных пределах от 15 до 19 °С. Это создает очень благоприятные условия для развития фитопланктона и зоопланктона, основного корма для рыб. Неудивительно, что этот район относится к числу самых главных рыболовных районов мира. Однако раз в несколько лет происходит аномальное потепление прибрежных поверхностных вод, в результате которого их температура поднимается до 21-23°, а иногда и до 25-29 °С. Именно это явление и получило наименование Эль-Ниньо1. Потепление поверхностных вод приводит к крайне отрицательному экономическому эффекту. Он выражается в гибели или уходе в открытый океан холодолюбивых промысловых видов рыбы (в первую очередь анчоусовых), в массовой гибели питающихся рыбой птиц. Кроме того, на Тихоокеанском побережье Южной Америки резко повышаются температуры воздуха, начинаются обильные дожди, катастрофические наводнения и оползни. Более того, климатические изменения, являющиеся последствием Эль-Ниньо, охватывают не только Южную Америку, но и многие другие районы земного шара. Это объясняется тем, что в такой период в тропической части Тихого океана происходит коренное изменение атмосферной циркуляции, приводящее к смещению зон высокого и низкого давления и нарушению «классического» пассатного переноса воздушных масс с устойчивыми восточными ветрами. Поэтому климатические условия изменяются в самих разных частях акватории и прибрежных районов этого океана. За последние полтора столетия явление Эль-Ниньо в достаточно сильной форме наблюдалось более 20 раз, в том числе 9 раз во второй половине XX в. Техногенные аварии и катастрофы также представляют собой очень большую угрозу для современного человечества и приводят к возникновению чрезвычайных ситуаций, но уже техногенного происхождения. При классификации таких аварий и катастроф их обычно подразделяют на: 1) транспортные; 2) с выбросом химически опасных веществ; 3) с выбросом радиоактивных веществ; 4) с выбросом боевых отравляющих веществ; 5) аварии и катастрофы на электроэнергетических системах; 6) на коммунальных системах жизнеобеспечения; 7) на очистных сооружениях; 8) на плотинах; 9) пожары и взрывы; 10) связаны с военными действиями. Все эти виды аварий и катастроф в XX в. также заметно участились. А поскольку и сами производственные объекты — особенно во второй половине столетия — стали больше, масштабы нарушений экологической обстановки в результате аварий и катастроф также значительно возросли. Об этом свидетельствуют не так уж редко случающиеся аварии пассажирских поездов, авиакатастрофы, прорывы магистральных нефте- и газопроводов. В 1984 г. произошла крупная авария на химическом заводе в индийском городе Бхопал, в результате которой погибли 2,5 тыс. и получили отравление 500 тыс. человек. Аварии на АЭС с выбросом радиоактивных веществ случались в Великобритании, США, СССР, а апофеозом их, можно сказать, стала катастрофа на Чернобыльской АЭС. Крупные лесные пожары, возникающие большей частью по вине человека, почти каждое лето случаются в США, Японии, многих европейских и других странах. В качестве особого типа экологических катастроф техногенного происхождения следует, видимо, выделить те, которые связаны с военными действиями. Примером такого рода может служить экологическая катастрофа в районе Персидского залива в 1990— 1991 гг., когда Кувейт был временно оккупирован войсками Ирака. В это время Ирак осуществил преднамеренный сброс в залив 1,5 млн. т нефти, что нанесло огромный ущерб всей водной среде, гнездовьям морских птиц и самим этим птицам, а также пляжам. А при уходе из Кувейта иракские войска подожгли несколько сотен нефтяных скважин на нефтепромыслах этой страны. По оценкам Всемирной метеорологической организации, эти нефтяные факелы ежедневно выбрасывали в атмосферу около 70 млн. м3 газа и 80 т сажи — столько же, сколько все автомобили мира. Грандиозный пожар на нефтепромыслах, который очевидцы сравнивали с адом, привел к существенным климатическим изменениям во всем регионе (рис. 136). Рис. 136. Зоны климатических изменений, вызванных пожарами на нефтяных скважинах в Кувейте (по И. С. Зонну) В зависимости от степени остроты экологи стали выделять следующие категории экологических ситуаций: 1) катастрофические (очень острые); 2) кризисные (очень острые); 3) критические (острые); 4) напряженные (не острые); 5) конфликтные (не острые); 6) удовлетворительные. Один из главных специалистов в этой области, Б. И. Кочуров, характеризует эти категории следующим образом. Катастрофические ситуации отличаются глубокими и часто необратимыми изменениями природы, утратой природных ресурсов и резким ухудшением условий проживания населения, которые вызываются в основном многократным превышением антропогенных нагрузок на ландшафты региона. Важный признак катастрофической ситуации — угроза жизни людей и их наследственности, а также утрата генофонда и уникальных природных объектов. Кризисные ситуации приближаются к катастрофическим, поскольку при них в ландшафтах возникают очень значительные и практически слабо компенсируемые изменения, происходит полное истощение природных ресурсов и резко ухудшается здоровье населения. Если не принять срочных мер, то переход от кризисной стадии к катастрофической может произойти за очень короткий срок (три — пять лет). При критических ситуациях возникают значительные и слабо компенсируемые изменения ландшафтов, происходит быстрое нарастание угрозы истощения или утраты природных ресурсов (в том числе генофонда), уникальных природных объектов, наблюдается устойчивый рост числа заболеваний из-за резкого ухудшения условий проживания. Антропогенные нагрузки, как правило, превышают установленные нормативные величины и экологические требования. При напряженных ситуациях отмечаются негативные изменения в отдельных компонентах ландшафтов, что ведет к нарушению или деградации отдельных природных ресурсов и в большинстве случаев — к ухудшению условий проживания населения. При конфликтных ситуациях наблюдаются незначительные в пространстве и во времени изменения в ландшафтах. Наконец, при удовлетворительных ситуациях из-за отсутствия прямого или косвенного антропогенного воздействия все показатели свойств ландшафтов не изменяются. В наши дни на Земле осталось еще 55% ненарушенных территорий, что в абсолютных показателях соответствует 81,5 млн. км2. Больше всего территорий с ненарушенными экосистемами осталось — что вполне естественно — в Антарктиде, за которой в порядке убывания следуют Южная Америка, Австралия, Северная Америка, Азия, Африка и Европа. Частично нарушенные территории, для которых характерно наличие сменяемых или постоянных сельскохозяйственных земель, вторичной, но естественно восстанавливающейся растительности, относительно высокой плотности домашнего скота, лесных вырубок, занимают около 1/5 земной суши. Нарушенные территории отличаются высокой плотностью постоянных сельскохозяйственных земель, городских поселений, почти полным отсутствием естественной растительности, что является неизбежным признаком сильной деградации естественных экосистем. Они занимают 1/5 всей поверхности земной суши, причем в Австралии, Африке, Южной Америке этот показатель ниже среднемирового, а в Евразии (в особенности в Европе, но также и в Азии) и в Северной Америке — выше. В настоящее время (К.С. Лосев) на Земле сформировались отдельные крупные регионы, центры с разной степенью нарушенности естественных экосистем. Сформировались три центра дестабилизации и четыре центра стабилизации окружающей среды. Все три центра дестабилизации окружающей среды, для каждого из которых характерно наличие сплошного пространства площадью в несколько миллионов квадратных километров с практически полностью разрушенными естественными экосистемами, расположены в Северном полушарии. Во-первых, это Европейский центр дестабилизации, включающий практически всю Европу (за исключением некоторых ее северных районов). В пределах этого центра разрушены или антропогенно изменены и лесные, и степные экосистемы всех биогеографических провинций. На их территории сохранилось не более 8% естественных экосистем. Общая площадь этого центра превышает 8 млн. км2. Во-вторых, это Североамериканский центр дестабилизации, который охватывает всю основную часть территории США, южную часть Канады и северную часть Мексики. В его пределах наибольшему антропогенному воздействию и разрушению подверглись биогеографические провинции смешанных лесов и прерий. Общая площадь этого центра (включая сохранившиеся менее чем на 1/10 территории естественные экосистемы) несколько превышает 9 млн. км2. В-третьих, это Азиатский центр дестабилизации, который занимает всю территорию Юго-Восточной Азии и значительную часть территории Южной и Восточной Азии. Его общая площадь превышает 7 млн. км2, а естественные экосистемы сохранились в его пределах менее чем на 5% земель. Из четырех центров стабилизации окружающей среды, по мнению К. С. Лосева, два находятся в Северном полушарии и два в Южном. В Северном полушарии это Северный Евроазиатский центр стабилизации площадью 11 млн. км2, в состав которого входит почти вся территория азиатской части России, ее Европейский Север, а также северная часть Скандинавии. Можно сказать, что основой этого центра служит сибирская тайга, занимающая 9,5 млн. км2. А Североамериканский центр стабилизации территориально охватывает большую часть Канады и Аляску. Площадь этого центра превышает 9 млн. км2, из которых около 6,5 млн. км2 занимают канадская и юконская тайга. В Южном полушарии это Южноамериканский центр стабилизации в составе обширной Амазонии с прилегающими к ней территориями. Он занимает площадь 10 млн. км2, на которой преобладают тропические леса. Наконец, Австралийский центр стабилизации площадью 4 млн. км2 сформировался на территории большей части Австралии (за исключением более освоенных восточных и южных районов). 1.1.6. Масштабы антропогенного воздействия на биосферу. Ответные реакции природы. Новое время человечества, с точки зрения отношений с природной средой, начало практически под тем же знаком, что и всю свою историю – существование человеческой цивилизации по-прежнему остается крупнейшей экологической проблемой современности. Изменился вид человеческих поселений, канули в Лету языки древности, сам внешний облик «человека разумного» изменился до неузнаваемости. Но одно в жизни человека осталось неизменным: все, что цивилизация способна собрать в своих амбарах, складировать за высокими заборами специальных баз, распихать по полкам домашних шкафов и холодильников – все это взято из окружающей среды. И весь ритм жизни человечества, как в прошедшие эпохи, так и сегодня, определялся одним – возможностью доступа к тем или иным природным ресурсам. За годы такого сосуществования с природой запасы природных ресурсов заметно сократились. Кроме этого, человечество постоянно в процессе своей деятельности нарушает гомеостатические процессы в биосфере, и тем самым создает ситуацию, когда возможности биосферы к поддержанию динамического равновесия системы будут исчерпаны и локальные кризисы и катастрофы перейдут в разряд глобальных. Вот несколько примеров экологических катастроф: -26 апреля 1986 года в 1:23 по московскому времени произошла авария на Чернобыльской АЭС, стены ядерного реактора были моментально разрушены. От высокой температуры загорелся графит, и бушующий огонь поднял в атмосферу тысячи смертоносных частиц. На свободу вырвались цезий, стронций, плутоний - страшные радиоактивные яды, обезвредить которые принципиально невозможно никакими способами. Переносимые ветром и дождями, они покрыли губительным ковром территорию площадью более 100.000 км2, на которой в этот момент проживало не менее 800.000 человек. 30 человек погибли сразу, многие, никем ещё не сосчитанные, сотни или даже тысячи людей заболели и умерли от губительного облучения, 100.000 человек были эвакуированы из своих домов. В 1974 году американским штатам Миссисипи и Аризона угрожал двигавшийся с океана ураган "Камилла". Чтобы избежать возможных разрушений, было принято решение "расстрелять" его зарядами с йодистым серебром.. Было известно, что это вещество способно действовать на возмущённую атмосферу, как успокаивающие таблетки на человека. Однако результат оказался прямо противоположным. После обстрела ураган, как будто взбесившийся зверь, лишь усилился и повернул в другую, ещё более опасную для жителей этого района, сторону. В результате "укрощения" "Камиллы" 234 человека погибли, а тысячи остались без крыши над головой. 3 декабря 1984 г. - на заводе пестицидов в Бхопале (Индия) произошла утечка смертельного газа метилизоцианата, эта катастрофа по числу непосредственно погибших в ней людей считается крупнейшей за всю историю развития промышленности. В результате ошибки оператора произошел технический сбой, и из резервуаров завода в воздух было выброшено вреднейшее химическое вещество, вызывающее удушье и потерю зрения. Только за три дня после катастрофы в городе умерло от удушья 2.000 человек! В 1988 году во Флориде (США) при заполнении дизельным топливом лопнул резервуар. Примерно 14.000 тонн горючего за считанные секунды гигантской волной высотой 10м перехлестнули через огораживающую насыпь и попали в реку Мононгахилу. Без воды осталось 23 тыс. человек, пришлось эвакуировать 1.200 семей, закрыть десятки предприятий. В 1991 году в Северном море в результате технической неисправности затонула боевая атомная лодка "Комсомолец". Часть экипажа погибла, а на дне под ненадёжной защитой корпуса остались заряды с плутонием - одним из наиболее радиоактивных веществ на Земле (смертельная для человека доза - 0,0001 г.). Чем закончится эта катастрофа, пока совершенно невозможно предсказать. 28 января 1969 г. -на нефтяной платформе в канале Санта-Барбара (шт. Калифорния, США) произошел выброс нефти. За 11 дней в море вылилось около тысячи тонн нефти. Платформа продолжала протекать в течение нескольких лет. 2 июня 1969 г. - в Рейне начала гибнуть рыба. За два года до этого в реку попали две 25-килограммовые канистры с инсектицидом «Тиодан». Катастрофа вызвала мор нескольких миллионов рыб. 10 июля 1976 г. - в результате взрыва на химической фабрике в Севезо (Италия) произошел выброс ядовитого облака диоксина. Через две недели было эвакуировано все население. Город в течение 16 месяцев был необитаем. Апрель 1979 г. - в Институте микробиологии и вирусологии в Свердловске произошел выброс спор сибирской язвы. Согласно независимым источникам, был заражен регион в радиусе 3 км, и погибло несколько сот человек. 3 июня 1979 г. - авария на нефтяной платформе «Иксток-1» на юге Мексиканского залива, произошел выброс в море 600 тыс. тонн нефти. Мексиканский залив в течение нескольких лет был зоной экологического бедствия. 1 ноября 1986 г. - в результате пожара на складе фармацевтической компании «Сандоз» (Базель, Швейцария) произошел выброс 1 тыс. тонн химических веществ в Рейн. Погибли миллионы рыб, была заражена питьевая вода. С 1970 -постепенное исчезновение Аральского моря (Казахстан, СССР). Катастрофа на Арале, ее сущность и основные причины. В Казахстане и Средней Азии насчитывается примерно 50 - 60 млн. га земель, пригодных для орошения. В то же время водных ресурсов хватает только на орошение 8 - 10 млн. га. В таких условиях нужно правильно выбрать пути развития орошаемого земледелия, не допустить необратимого процесса разрушения экосистемы. Остановимся более подробно на этой проблеме, имеющей непосредственное отношение к судьбе Аральского моря. Анализ динамики обмеления Арала и опустынивания прилегающих территорий приводит к удручающему прогнозу полного исчезновения моря к 2010г. Новая пустыня Аралкумы сольётся с существующими Каракумами и Кызылкумами и станет соперничать с Сахарой, которая, кстати, всего 150 - 200 тыс. лет назад была покрыта буйной растительностью. Забор воды главным образом на орошение из 2-х крупнейших рек, впадающих в Арал, привёл к тому, что их ежегодный сток, составлявший в 1980 г. 60 км3, уменьшился до 4 км3. Сырдарья в настоящее время не доходит до моря, заканчивая свой путь на полях, а Амударья достигает Арала лишь зимой тоненьким ручейком. В результате площадь акватории сократилась более чем на 1/3, береговая линия в ряде мест отступила на 90 м., а объём воды в море уменьшился на 60%. Вследствие этого средняя солёность вод возросла в 2.5 раза, и всё живое в нём умирает. Осушенное дно моря становится источником пыли и солей, разносимых на очень большие расстояния. Уже сейчас приблизительно 50 - 60 млн. т. солей и пыли ежегодно поднимается в воздух и разносится на многие километры на плантации хлопка и риса. Арал стал самым крупным поставщиком пыли в пределах бывшего СССР. Деградация экологической системы приводит к ужесточению и без того резко континентального климата Приаралья. Что же привело к таким результатам? Орошаемые земли не оснащены необходимой инженерной оросительной сетью, не имеют эффективного дренажа. Поэтому, чтобы не допускать их засоления, приходится повышать нормы полива. С целью получения высоких урожаев в почву вносились гигантские количества удобрений - до 600 кг на 1 га пашни, а количество используемых ядохимикатов в 15 - 20 раз превышало ПДК. После промывки почв в таких условиях воды не только сильно минерализуются, но и прогрессивно насыщаются токсичными веществами. Эти же воды в больших количествах сбрасываются в Амударью и Сырдарью и ниже по течению вновь используются для орошения, а также для бытовых нужд, и в регионе создались чрезвычайно неблагоприятные условия для обитания человека и плюс к этому тяжёлая эпидемиологическая ситуация. 24 января 1991 г. - Ирак начал сливать сырую нефть из кувейтских нефтяных скважин в море. Персидский залив стал зоной экологического бедствия. 28 февраля 2002 г. - Очередная экологическая катастрофа в Екатеринбурге. Из-за аварии на насосной станции Северных очистных сооружений в реки Пышма и Камышинка хлынул поток нечистот. В результате уже в первые сутки после аварии в реку Пышма попало около 100 тысяч кубометров сточных вод. 19 марта 2002 г. - Около ста списанных российских подлодок с невыгруженным ядерным топливом могут стать причиной мировой экологической катастрофы. К такому выводу пришли участники круглого стола, который прошел в Думе. По мнению участников, эта проблема стоит очень остро, так как сейчас в российских «пунктах отстоя» АПЛ находится более 100 кораблей с невыгруженным ядерным топливом, а утечка радиации на любом из них может привести к катастрофе, сравнимой с чернобыльской. При этом, как сообщил «столу» директор приморского завода «Звезда», который занимается утилизацией подлодок, Юрий Шульга, корпуса многих АПЛ находятся в неудовлетворительном состоянии и представляют реальную ядерную угрозу. Большую опасность несёт и строительство водохранилищ. Огромные массы воды, специально собранные человеком в одном месте, давят на земную твердь, заставляя смещаться подземные слои. В результате этих движений в районах крупных искусственных озёр возникают землетрясения. В некоторых случаях, например на водохранилищах Кремаста в Греции или Койна в Индии, эти рукотворные землетрясения имели катастрофические последствия. В нашей стране существует множество захоронений ядерных и химических веществ, которые без должного внимания, охраны и переработки могут стать причиной крупнейших экологических катастроф. Практически регулярно происходят разливы нефтесодержащих веществ в мировой океан, что практически в каждом случае является серьезной экологической катастрофой. Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуорисценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифвтических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса: а) Парафины (алкены) - (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде. б) Циклопарафины - (30 - 60% от общего состава) - насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению. в) Ароматические углеводороды - (20 - 40% от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полуциклические (пирен). г) Олефины (алкены) - (до 10% от общего состава) - ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь. Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-ых годов в океан ежегодно поступало около 6 млн.т. нефти, что составляло 0,23% мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод, - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн.т. нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете. Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 5/11 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере. Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешал дыханию и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый воздух и незакопченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая неизменно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями. Так было вплоть до начала девятнадцатого века. Лишь за последние сто лет развитие промышленности "одарило" нас такими производственными процессами, последствия которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великих изобретений и завоеваний человека. В основном существуют четыре основных источника загрязнения атмосферы: • промышленность, • бытовые котельные, • транспорт, • военные действия. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. 1.1.7. Антропогенное влияние и глобальные проблемы современной биосферы. Понятие загрязнения природной среды. Источники загрязнения биосферы. Загрязнение природных вод, атмосферы, почвы. К общепланетарным экологическим проблемам в современном обществе относятся: 1. производство в интересах господствующих групп, наносящее ущерб окружающей среде, вплоть до ее деградации; 2. стремительный и неконтролируемый естественный прирост населения; 3. нехватка продовольствия и нищета в слаборазвитых странах; 4. истощение сырьевых и энергетических источников и развитие технологических систем, загрязняющих природу; 5. возрастание агрессивности среды, сокращение озонового слоя, радиоактивное загрязнение; 6. возникновение эпидемий, разгул бандитизма и терроризма; 7. изменение генофонда; 8. религиозные конфликты, кризис культуры, нравственности, семьи. С проблемами деградации глобальной экологической системы сегодня сталкиваются все страны. Условно ее можно разделить на 2 составные части: 1. деградацию окружающей природной среды в результате национального природопользования; 2. деградацию этой среды в результате загрязнения ее отходами человеческой деятельности. Примерами деградации природной среды в результате национального природопользования является истощение некоторых минеральных ресурсов, эрозия почвенного покрова, засоление, заболачивание, опустынивание, вырубка и деградация обширных лесных массивов, обезлесивание, сокращение биологического разнообразия на Земле. Загрязнение окружающей природной среды отходами человеческой деятельности в последнее время приняло размеры, которые стали угрожать самому существованию цивилизации. Н.Н. Моисеев заметил, что ни один вид не может существовать в среде, образованной отходами его жизнедеятельности. Загрязнения можно подразделить на 2 группы: • количественные, т.е. возвращение в окружающую среду тех веществ и соединений, которые встречаются в ней в естественном состоянии, но в гораздо меньших колличествах, а в следствие роста разных антропогенных отходов возрастают во много раз; • качественные, т.е. поступление в окружающую среду неизвестных в природе веществ и соединений. Наглядный пример первого варианта являются соединения железа и других металлов, добыча которых в ряде случаев уже превосходит размеры их глобальной миграции, что приводит к возрастанию металлизации окружающей среды. Другой пример – увеличение выбросов СО2, которое угрожает глобальным потеплением в результате действия парникового эффекта. По сравнению с концом 19в. среднегодовая температура уже повысилась примерно на 0,60. При этом, наибольшем повышением среднегодовых температур были отмечены 1980-егг., на которые пришлось 6 самых жарких лет в истории человечества за всю историю наблюдений: 1981, 1983, 1986, 1987, 1988, 1990гг. Это сопровождалось нарастанием засух в США, Китае, России и др. странах мира. Очень жаркими были и 1995, 1998, 2000гг. Резко снизился урожай зерновых, возросла цена зерна. Качественные загрязнения, в большинстве – продукты органического синтеза. Общий ассортимент их привысил 100тыс. наименований, причем не менее 5000 из них производятся в более или менее массовом масштабе. В результате происходит процесс химизации окружающей среды, который иногда называют ее отравлением. Рис. Источники загрязнения, распространение загрязняющих веществ и последствия их воздействия (по «Экологическому энциклопедическому словарю») В 30-е г. 20-го вв. В.И. Вернадский обратил внимание людей на то, что человечество неразрывно связано с материально-техническими процессами в биосфере и взятое в целом, оно становится крупной геологической силой. Это стало особенно актуально для второй половины 20-го, начала 21-го веков, эпохе НТР – времени невиданного развития и преобразования мировой экономики, зачастую не учитывающего возможностей окружающей природной среды, допустимых хоз. нагрузок на нее, потенциальной емкости биосферы. 1.1.8. Радиоактивное загрязнение. На современном этапе развития общества мы не можем представить свою жизнь без электроэнергии, которую получаем в необходимом объёме. Это достигается путём использования различных источников энергии. Одним из основных источников энергии является ядерная энергетика, которая при условии строжайшего выполнения необходимых требований, более экологически чистая, чем теплоэнергетика, поскольку исключает вредные выбросы в атмосферу. Так, во Франции быстрое наращивание мощностей АЭС позволила в последние годы значительно уменьшить выбросы диоксида серы и оксидов азота в секторе энергетики соответственно на 71% и 60%. В Японии для стабилизации энергообеспечения страны намечается в ближайшие два десятилетия построить около 40 новых АЭС, что удовлетворит 43% энергопотребностей. В настоящее время, по данным МАГАТЭ, число действующих в мире реакторов достигло 426 при их суммарной электрической мощности около 320 ГВт (17% мирового производства электроэнергии). Однако использование атомной энергетики привело и к негативным последствиям для человечества. Естественный радиационный фон обусловлен рассеянной радиоактивностью земной коры, проникающим космическим излучением, потреблением с пищей биогенных радионуклидов и составлял в недавнем прошлом 8 — 9 микроренттен в час, что соответствует среднегодовой эффективной эквивалентной дозе (ЭЭД) для жителя Земли в 2 миллизиверта (мЗв). Рассеянная радиоактивность обусловлена наличием в среде следовых количеств природных радиоизотопов с периодом полураспада (Т1/2) более 105 лет (в основном урана и тория), что в среднем дает от 30 до 50% естественного фона облучения наземной биоты. Из-за неравномерности распределения источников излучения в земной коре существуют некоторые региональные различия фона и его локальные аномалии. Указанный уровень фона был характерен для доиндустриальной эпохи и в настоящее время несколько повышен техногенными источниками радиоактивности — в среднем до 11 — 12 мкР/ч при среднегодовой ЭЭД в 2,5 мЗв. Эту прибавку обусловили: а) технические источники проникающей радиации (медицинская диагностическая и терапевтическая рентгеновская аппаратура, радиационная дефектоскопия, источники сигнальной индикации и т.п.); б) извлекаемые из недр минералы, топливо и вода; в) ядерные реакции в энергетике и ядерно-топливном цикле; г) испытания и применение ядерного оружия. Деятельность человека в несколько раз увеличила число присутствующих в среде радио-нуклидов и на несколько порядков — их массу на поверхности планеты. Естественно, что особую проблему представляет радиоактивное загрязнение окружающей среды, выражающееся в повышении естественного уровня содержащихся в ней радиоактивных веществ вследствие испытаний ядерного оружия и аварий на АЭС. Многолетние систематические измерения и контроль радиационной обстановки не обнаружили серьезного влияния на состояние объектов окружающей природной среды, Дозы облучения населения, проживающего в окрестностях АЭС, не превышают 10 мкВ/год, что в 100 раз меньше установленного допустимого уровня. Однако в мире отмечена тенденция сокращения строительства новых АЭС. Это связанно с превышением естественного уровня содержания в окружающей среде радиоактивных веществ, вызванным ядерными взрывами и утечкой радиоактивных компонентов в результате аварий на АЭС или других предприятиях, при разработке радиоактивных руд и т.п. При авариях на АЭС особенно резко увеличивается загрязнение среды радионуклидами (стронций-90, цезий-137,церий-141, йод-131, рутений-106 и др.). Кроме радиоактивного загрязнения при авариях использование атомной энергии в широких масштабах приводит к накоплению радиоактивных отходов. Возникает проблема их переработки и захоронения. Только на предприятиях Минатома России (ПО «Маяк», Сибирский химический комбинат, Красноярский горно-химический комбинат) сосредоточены 600 млн. м3 РАО с суммарной активностью 1,5 млрд. Ки. На 29 энергоблоках АЭС хранится 140 тыс. м3 жидких и 8 тыс. м3 отверженных отходов общей активностью 31 тыс. Ки, а также 120 тыс, м3 излучающих твердых отходов (оборудование, строительный мусор). Ни одна АЭС не имеет полного комплекта установок для подготовки отходов к захоронению. Поставщиками РАО являются также Военно-морской флот (ВМФ), атомный ледокольный флот, судостроительная промышленность и предприятия неядерного цикла. На их долю приходится 240 тыс. м3 отходов с активностью более 2 млн. Ки. Переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и захоронение РАО - одна из наиболее сложных технологических стадий ядерного топливного цикла. На предприятиях Минатома, Минтранса и ВМФ России хранятся 7800 т ОЯТ с общей активностью 3,9 млрд. Ки. ОЯТ АЭС с реакторами типа РБМК в настоящее время не перерабатывается, а ОЯТ от реакторов ВВЭР транспортируется в специальное хранилище с перспективой последующей переработки на строящемся заводе РТ-2 горно-химического комбината в г. Железногорске Красноярского края, Однако строительство этого завода вызывает протесты общественности, поскольку существующая технология регенерации ОЯТ связана с образованием большого количества жидких РАО разной степени активности. Наибольшие возражения вызывает решение о возможности приема для временного хранения с целью последующей переработки ОЯТ с зарубежных АЭС. Остаются нерешенными вопросы, связанные с утилизацией атомных подводных лодок, обращением с РАО и ОЯТ на объектах ВМФ России. К 1994 г. выведены из эксплуатации 121 атомная подводная лодка; для них строятся пункты временного хранения. Полностью загружены хранилища ОЯТ Мурманского морского пароходства. Тяжелое положение с хранением РАО сложилось на Тихоокеанском флоте. В связи с аварийным состоянием спецтанкера ТНТ-5 в октябре 1993 г. был произведен сброс жидких РАО в Японское море. После запрещения сброса отходов в море количество их неуклонно возрастает. Отходы от английских и французских атомных заводов загрязнили радиоактивными элементами практически всю Северную Атлантику, особенно Северное, Норвежское, Гренландское, Баренцево и Белое моря. В загрязнение радионуклидами акватории Северного Ледовитого океана некоторый вклад сделан и нашей страной. Работа трех подземных атомных реакторов и радиохимического завода (производство плутония), а также остальных производств в Красноярске-26 привела к загрязнению одной из самых крупных рек мира - Енисея (на протяжении 1 500 км). Очевидно, что эти, радиоактивные продукты уже попали в Северный Ледовитый океан. Воды Мирового океана загрязнены наиболее опасными радионуклидами цезия-137. стронция-90, церия-144, иттрия-91, ниобия-95, которые, обладая высокой биоаккумулирующей способностью переходят по пищевым цепям, и концентрируются в морских организмах высших трофических уровней, создавая опасность, как для гидробионтов, так и для человека. Различными источниками поступления радионуклидов загрязнены акватории арктических морей, так в 1982 г. максимальные загрязнения цезием-137 фиксировались в западной части Баренцева моря, которые в 6 раз превышали глобальное загрязнение вод Северной Атлантики. Значительную опасность вызывают затопленные в Карском море (около архипелага Новая Земля) 11 тыс. контейнеров с радиоактивными отходами, а также 15 аварийных реакторов с атомных подводных лодок. До 2000 г. в мире было проведено примерно 1850 испытаний ядерного оружия, причем последствия атомных взрывов в атмосфере имели глобальный характер. Во время испытания ядерного оружия, особенно до 1963 г., когда проводились массовые ядерные взрывы, в атмосферу было выброшено огромное количество радионуклидов. Так, только на арктическом архипелаге Новая Земля было проведено более 130 ядерных взрывов (только в 1958 г. -46 взрывов), из них 87- в атмосфере. Наибольшее загрязнение атмосферы радиоактивными веществами происходит в результате взрывов атомных и водородных бомб. Каждый такой взрыв сопровождается образованием грандиозного облака радиоактивной пыли. Взрывная волна огромной силы распространяет ее частицы во всех направлениях, поднимая их более чем на 30 км. В первые часы после взрыва осаждаются наиболее крупные частицы, несколько меньшего размера — влечение 5 суток, а мелкодисперсная пыль потоками воздуха переносится на тысячи километров и оседает на поверхности земного шара в течение многих лет. Пыль долго держится в атмосфере и поглощает значительную часть солнечной радиации. В атмосферу поступает большая масса сотен различных радионуклидов, которые постепенно выпадают на всей поверхности планеты. Расчеты ученых показывают, что даже при локальном применении ядерного оружия образовавшаяся пыль будет задерживать большую часть солнечного излучения. Наступит длительное похолодание («ядерная зима»), которое приведет к гибели всего живого на Земле. Радиоактивному воздействию подвергается не только наземно-воздушная, но и водная и подземная среды, а из за миграции атомов на планете нет ни одного радиационно-безопасного участка. Концентрация радионуклидов постепенно возрастает по пищевым цепям. В костях окуня и ондатры их содержание возрастает в 3000-4000 раз по сравнению с концентрацией в воде. Это имеет существенные негативные последствия для живых организмов, включая и человека, и биосферы в целом. Установлено, что коэффициент накопления стронция-90 в раковинах моллюсков днепровских водохранилищ относительно воды достигает 4800 (Францевич и др.; 1995). Поэтому при оценке воздействия радионуклидов на среду необходимо учитывать эффект биологического накопления их живыми, организмами и последствия для естественных экосистем. Наиболее опасны для человека изотопы цезия и стронция, которые адсорбируются на почве и затем по пищевым цепям попадают в организм человека. На большей части территории Российской Федерации мощность экспозиционной дозы (МЭД) гамма-излучения на местности соответствует фоновым значениям и колеблется в пределах 10...20 мкР/ч. В результате радиационного обследования городов и населенных пунктов страны явлены сотни участков локального радиоактивного загрязнения, характеризующихся МЭД гамма-излучения от десятков мкР/ч до десятков мР/ч (в отдельных случаях — Р/ч). На этих участках находятся утерянные, выброшенные или произвольно захороненные источники ионизирующих излучений различного назначения, технологические отходы производств и содержащие радионуклиды стройматериалы. Эти загрязнения повышают риск для населения получить опасную дозу облучения в самом неожиданном месте, в том числе и в собственном доме, когда, например, строительные панели становятся мощным источником ионизирующего излучения. ПО «Маяк». Самое крупное из известных сейчас скоплений радионуклидов находится на Урале, в 70 км к северо-западу от Челябинска на территории производственного объединения «Маяк». ПО «Маяк» было создано на базе промышленного комплекса, построенного в 1945— 1949 гг. Здесь в 1948 г. был пущен первый в стране промышленный атомный реактор, в 1949 г. — первый радиохимический завод, изготовлены первые образцы атомного оружия. В настоящее время в производственную структуру ПО «Маяк» входят ряд производств ядерного цикла, комплекс по захоронению высокоактивных материалов, хранилища. и могильники РАО. Многолетняя деятельность 1Ю «Маяк» привела к накоплению огромного количества радионуклидов и сильному загрязнению районов Челябинской, Свердловской, Курганской и Тюменской областей. В результате сброса отходов радиохимического производства непосредственно в открытую речную систему Обского бассейна через р. Теча (1949—1951 гг.), а также вследствие аварий 1957 и 1967 гг. в окружающую среду было выброшено 23 млн. Ки активности. Радиоактивное загрязнение охватило территорию в 25 тыс. км" с населением более 500 тыс. человек, Официальные данные о десятках поселков и деревень, подвергшихся загрязнению в результате сбросов радиоактивных отходов в р. Теча, появились только в 1993 г. В 1957 г. в результате теплового взрыва емкости с РАО произошел мощный выброс радионуклидов (церий-144, цирконий-95, стронций-90, цезий-137 и др.) с суммарной активностью 2 млн. Ки. Возник «Восточно-Уральский радиоактивный след» длиной до 110 км (в результате последующей миграции даже до 400км) и шириной до 35—50 км. Общая площадь загрязненной территории, ограниченной изолинией 0,1 Ки/км" по стронцию-90, составила 23 тыс. км. Около 10 тыс. человек из 19 на-селенных пунктов в зоне наиболее сильного загрязнения с большой задержкой были эвакуированы и переселены. Зона радиационного загрязнения на Южном Урале расширилась вследствие ветрового разноса радиоактивных аэрозолей с пересохшей части технологического водоема № 9 ПО «Маяк» (оз. Карачай) в 1967 г. В настоящее время в этом резервуаре находится около 120 млн Ки активности, преимущественно за счет стронция-90 и цезия-137. Под озером сформировалась линза загрязненных подземных вод объемом около 4 млн м3 и площадью 10 км2. Существует опасность проникновения загрязненных вод в другие водоносные горизонты и выноса радионуклидов в речную сеть. По данным радиационного мониторинга, выпадения цезия-137 из атмосферы в районах, расположенных в зоне влияния ПО «Маяк», в течение 1994г. были в 50—100 раз больше, чем в среднем по стране. Высоким остается и уровень загрязнения местности цезием-137 в пойме р. Теча. Концентрации етронция-90 в речной воде и в донных отложениях в 100—1000 раз превышают фоновые значения. В каскаде промышленных водоемов в верховьях Течи содержится 350 млн м3 загрязненной воды, являющейся по сути низкоактивными отходами. Суммарная активность твердых и жидких РАО, накопленных в ходе деятельности ПО «Маяк». достигает 1 ПО «Маяк». Самое крупное из известных сейчас скоплений радионуклидов находится на Урале, в 70 км к северо-западу от Челябинска на территории производственного объединения «Маяк». ПО «Маяк» было создано на базе промышленного комплекса, построенного в 1945— 1949 гг. Здесь в 1948 г. был пущен первый в стране промышленный атомный реактор, в 1949 г. — первый радиохимический завод, изготовлены первые образцы атомного оружия. В настоящее время в производственную структуру ПО «Маяк» входят ряд производств ядерного цикла, комплекс по захоронению высокоактивных материалов, хранилища. и могильники РАО. Многолетняя деятельность 1Ю «Маяк» привела к накоплению огромного количества радионуклидов и сильному загрязнению районов Челябинской, Свердловской, Курганской и Тюменской областей. В результате сброса отходов радиохимического производства непосредственно в открытую речную систему Обского бассейна через р. Теча (1949—1951 гг.), а также вследствие аварий 1957 и 1967 гг. в окружающую среду было выброшено 23 млн. Ки активности. Радиоактивное загрязнение охватило территорию в 25 тыс. км" с населением более 500 тыс. человек, Официальные данные о десятках поселков и деревень, подвергшихся загрязнению в результате сбросов радиоактивных отходов в р. Теча, появились только в 1993 г. В 1957 г. в результате теплового взрыва емкости с РАО произошел мощный выброс радионуклидов (церий-144, цирконий-95, стронций-90, цезий-137 и др.) с суммарной активностью 2 млн. Ки. Возник «Восточно-Уральский радиоактивный след» длиной до 110 км (в результате последующей миграции даже до 400км) и шириной до 35—50 км. Общая площадь загрязненной территории, ограниченной изолинией 0,1 Ки/км" по стронцию-90, составила 23 тыс. км. Около 10 тыс. человек из 19 на-селенных пунктов в зоне наиболее сильного загрязнения с большой задержкой были эвакуированы и переселены. Зона радиационного загрязнения на Южном Урале расширилась вследствие ветрового разноса радиоактивных аэрозолей с пересохшей части технологического водоема № 9 ПО «Маяк» (оз. Карачай) в 1967 г. В настоящее время в этом резервуаре находится около 120 млн Ки активности, преимущественно за счет стронция-90 и цезия-137. Под озером сформировалась линза загрязненных подземных вод объемом около 4 млн м3 и площадью 10 км2. Существует опасность проникновения загрязненных вод в другие водоносные горизонты и выноса радионуклидов в речную сеть. По данным радиационного мониторинга, выпадения цезия-137 из атмосферы в районах, расположенных в зоне влияния ПО «Маяк», в течение 1994г. были в 50—100 раз больше, чем в среднем по стране. Высоким остается и уровень загрязнения местности цезием-137 в пойме р. Теча. Концентрации етронция-90 в речной воде и в донных отложениях в 100—1000 раз превышают фоновые значения. В каскаде промышленных водоемов в верховьях Течи содержится 350 млн м3 загрязненной воды, являющейся по сути низкоактивными отходами. Суммарная активность твердых и жидких РАО, накопленных в ходе деятельности ПО «Маяк». достигает 1 млрд Ки. Сосредоточение огромного количества РАО, загрязнение поверхностных водоемов, возможность проникновения загрязненных подземных вод в открытую гидрографическую систему Обского бассейна создают исключительно высокую степень радиационного риска на Южном Урале. Не только нынешнее, но и последующие поколения будут помнить Чернобыль и ощущать последствия этой катастрофы. В результате взрывов и пожара при аварии на четвертом энергоблоке ЧАЭС с 26 апреля по 10 мая 1986 г. из разрушенного реактора было выброшено примерно 7,5 т ядерного топлива и продуктов деления с суммарной активностью около 50 млн Ки. По количеству долгоживущих радионуклидов (цезий-137, стронций-90 и др.) этот выброс соответствует 500—600 Хиросимам. Из-за того, что выброс радионуклидов происходил более 10 суток 11ри меняющихся метеоусловиях, зона основного загрязнения имеет веерный, пятнистый характер (рис. 1.1). Кроме 30-километровой зоны, на которую пришлась большая часть выброса, в разных местах в радиусе до 250 км были выявлены участки, где загрязнение достигло 200 Ки/км". Общая площадь «пятен» с активностью более 40 Ки/км2 составила около 3,5 тыс. км2, где в момент аварии проживало 190 тыс. человек. Всего радиоактивным выбросом ЧАЭС в разной степени было загрязнено 80% территории Белоруссии, вся северная часть Правобережной Украины и 19 областей России. В целом по РФ загрязнение, обусловленное аварией на ЧАЭС, с плотностью 1 Ки/км2 и выше охватывает более 57 тыс. км2, что составляет 1,6% площади КГР (табл. 1.1). Уточненные в 1994 г. границы площадей. загрязненныхцезием-137, по сравнению с 1993 г. почти не изменились. Следы Чернобыля обнаружены в большинстве стран Европы (табл. 1.2), а также в Японии, на Филиппинах, в Канаде. Катастрофа приобрела глобальный характер. 1.1.9. Демографическая проблема. Причина всех общепланетарных экологических проблем сводится к проблеме народонаселения. Народонаселение - это совокупность людей, живущих на нашей планете в целом или в пределах какой-либо ее части. Воспроизводство населения зависит от многих факторов, которые обычно разделяют на медико-биологические, социально-экономические и целостно-мировоззренческие. На протяжении большей части человеческой истории рост численности народонаселения был малозаметен. Однако в ХVIII-ХIХ вв этот процесс стал набирать темпы и чрезвычайно резко ускорился в первой половине XX в (рост численности пошел по экспоненциальной кривой, рис. 10). Некоторые цифры: 1830 г-1 млр.человек 1930 г-2 млр.человек 1977 г-4 млр.человек 1987 г-5 млр.человек Рис. 10 Недавно представили ООН опубликовали достаточно оптимистичный прогноз, касающийся роста численности население на планете, выводом которого стало постановление о том, население будет постоянно возрастать, людям будут позже стареть и дольше жить. Согласно последним данным численность населения мира на 2017 год составляет больше 7,5 миллиардов, а если провести сравнительный анализ цифр с предыдущим годом, то можно сделать вывод о том, что он стремительно вырос (с 7,1), а это никак нельзя назвать плохой тенденцией. Несколько десятилетий назад рождаемость увеличивалась в соответствии с гиперболическим законом, формула которого была подтверждена многочленными исследованиями, однако в современное время темп роста существенно замедлился. Безусловно, количество людей постоянно увеличивается, однако если сравнить его с уровнем прошлого года, то можно легко заметить, что он уменьшился вдвое. Существуют и положительные моменты, которые заслуживают отдельного внимания, и к ним относится то, что число пожилых людей увеличивается, следовательно, средняя продолжительность жизни начинает возрастать. Более того, рассуждая над тем, что население Земли на 2017 год составляет больше 7-ми миллиардов, нельзя не сказать о том, что эта цифра примерно одинаково распределилась между городом и селом (впервые за много лет показатели в городах и селах практически сравнялись). Больше всего людей рождается, естественно, в развитых странах, однако и те, которые относятся к «третьему» миру тоже от них не отстают, Отдельно необходимо обсудить еще и то, что сегодня наблюдается тенденция «старения материнства», то есть большинство женщин предпочитает откладывать радость материнства на более поздние сроки, отдавая себя реализации своих собственных амбиций. Все это свидетельствует о том, что женщины сегодня занимаются самообразованием и хотят работать, так что пик материнства приходится на 30-35 лет. Подобная тенденция в основном затрагивает более развитые страны, ведь у таких женщин есть больше возможностей для самореализации, более того, в развитых государствах средняя продолжительность жизни достаточно высока – больше 77 лет, а к концу века она еще больше увеличится, ведь прошлые года говорят о том, что это совершенно реально. Ситуация в разных странах В общем, население стран мира на 2017 год составляет больше 7,6 миллиардов человек, но если разбирать эту ситуацию более тщательно, то нельзя не сказать о том, что наиболее населенной страной является Китай (об этом говорят все источники распространения массовой информации), на втором и третьем месте находится Индия и США, а уже после них идут страны Африки, Россия, и Япония, у которой в прошлом году наблюдался спад прироста. Сегодня во многих странах наблюдается некоторая депопуляция населения, основной причиной которой является кризис семейных отношений, а также пропаганда нетрадиционной сексуальной ориентации, низкий уровень безработицы и легализация абортов. Однако несмотря на всю сложившуюся ситуацию можно сказать о том, что население будет стремительно расти, и прогнозы ООН данную версию только повреждают. Специалисты ООН полностью уверены, что численность населения будет стремительно расти, и в прошлом все их прогнозы себя полностью оправдывали – они точно знали, когда численность достигнет 6 и 7 миллиардов человек, так что их словам можно безоговорочно верить. Что ждет мир в будущем? Несмотря на то, что численность населения Земли на 2017 год составляет немногим больше 7,6 миллиардов человек, однако большинство ученых уверены в том, что в 2100 году количество людей возрастет до 11 миллиардов (хотя примерно два года назад данная цифра была немного меньше), как раз такая информация содержится в одном из номеров популярного научного американского журнала. населения мира на 2017 год составляет Ранее в прессе несколько раз встречалась информация о том, что когда количество людей на Земле вырастет до 9 миллиардов, эта цифра постепенно стабилизируется и больше не будет скакать в разные стороны, однако то, что численность населения мира на 2017 год составляет больше 7,1 миллиардов человек, заставляет задуматься о том, что рост неминуем. Больше всего рождаемость повысится в Африке (вскоре количество людей, проживающих на этом континенте, возрастет до 4 миллиардов, а это примерно половина от всей цифры), при этом во многом этому поспособствует то, что смертность от СПИДа среди африканцев существенно сократилась. В целом, азиатский континент пик роста ожидает примерно в 50-м году, после чего прирост будет падать, однако в других странах он продолжится. Демографы, которые работают в ООН, безусловно, допускают мысль о том, что данный прогноз можно назвать примерным, однако большинство из них все-таки уверено в том, что прогноз полностью достоверен и это необходимо учитывать. На октябрь 2000 г население Земли 6 млрд. человек. Бурное (экспоненциальное) развитие народонаселения Земли связано с демографической революцией. Демографическая революция — это переход от традиционного типа воспроизводства населения, основанного на равновесии высокой смертности и высокой рождаемости, к более прогрессивному типу, в основе которого -равновесие низкой смертности и низкой рождаемости. Среди главных причин, вызвавших изменение демографической ситуации - прежде всего успехи профилактической и излечивающей медицины, способствовавшие существенному снижению относительных показателей смертности населения (в том числе детской), а также рост потребности производства в рабочей силе. Однако, затем продолжительное время относительно низкая смертность сочеталась с высокой рождаемостью. Это привело к демографическому взрыву, т.e. к резкому увеличению народонаселения. В развитых странах начало демографического перехода (революции) отмечено в конце XVIII в, а завершился он, практически, к началу XX в. В развивающихся странах этот процесс наблюдается и в настоящее время. Согласно данным, приводимым К.М. Петровым [14], население мира увеличивается сегодня примерно на 80-90 млн. человек в год, но плотность населения в различных районах планеты неодинакова. Это проявляется даже в пределах стран, где, как правило, большая часть населения концентрируется в городах. Распределение численности населения в различных регионах имеет следующие особенности: 1. Европа - высокая плотность, слабый прирост населения. 2. Сибирь и Северная Америка - низкая плотность, слабый прирост населения. 3. Центральная Америка, Африка, Восток - низкая плотность, быстрый прирост населения. 4. Индия, Китай, Юго-Восточная Азия - высокая плотность, быстрый прирост населения. Плотность населения в Нидерландах, Японии, Индонезии достигает 300 чел/км2. Рекорд по перенаселению принадлежит Египту, где плотность составляет 1000 чел/км2. Основной прирост населения Земли в настоящее время приходится на развивающиеся страны. Это провоцирует обострение экологических и социальных проблем - дефицит продовольствия, возникновение и распространение эпидемий, инфекционных заболеваний, периодически вспыхивающих межэтнических, религиозных и кастовых конфликтов, а также все более усугубляющееся отставание в уровне культурного развития. В настоящее время выделяют некоторые негативные последствия роста численности населения Земли: - рост материального потребления; - рост городских агломераций; - загрязнение среды; - падение уровня жизни; • изменение структуры населения и его скученность. Рост потребления. Рост населения не пропорционален росту потребления, т.к. он обычно сопровождается падением уровня жизни. Потребление возрастает, прежде всего, за счет тех областей, которые мало связаны с уровнем жизни (например, потребление зерна, риса и т.п.). Рост городов. В силу того, что сельскохозяйственное производство не предоставляет дополнительных рабочих мест, избыточное население сосредотачивается в городах. Рост городов происходит нередко за счет сельскохозяйственных угодий, что, в свою очередь, ведет к усилению оттока населения из сел в города. Загрязнение среды возрастает из-за увеличения объема бытовых отходов, роста городов как наиболее мощных источников загрязнения, интенсификации сельскохозяйственного производства. Загрязнение провоцирует рост заболеваемости, запуская механизм естественного отбора, ведущего к ухудшению генофонда. Падение уровня жизни. Основные факторы падения уровня жизни связаны с ростом численности населения, ростом цен на землю, удорожанием жилищного строительства, ресурсов, всех систем жизнеобеспечения, а также с ростом непроизводительных расходов. Изменение структуры населения. Сдвиг в пользу городского населения с ростом его численности сопровождается: - изменением соотношения возрастных групп (омоложение населения, сопровождаемое ростом безработицы среди молодежи, преступности и общей социальной нестабильности); - изменением соотношения полов в младших возрастных группах (число мальчиков превышает число девочек); - изменением соотношения полов в старших возрастных группах (снижение продолжительности жизни мужчин по сравнению с женщинами, увеличение числа одиноких женщин среднего и пожилого возрастов). Скученность. Скученность населения ускоряет процесс загрязнения среды, провоцирует гормональные нарушения у человека, увеличивает степень конфликтности и агрессивности в семье и на производстве. Социально-психологические последствия скученности – отчуждение, утрата социальной значимости личности, снижение ценности жизни, социальные безразличия и карьеризм, саморазрушение (алкоголизм, наркомания, половые извращения), преступность. Демографическая проблема остается актуальной и в начале XXI в. Население планеты постоянно растет. Сегодня эта проблема волнует и демографов, и социологов, и экономистов, и экологов, и политиков. Предполагается, что снижение числа жителей Земли произойдет не ранее середины XXI в, когда популяция людей может достигнуть 12 млрд. человек. Это грозит включением так называемых экологических факторов, зависящих от плотности населения. Высокая численность населения и его подвижность способствуют распространению болезней, опасных для здоровья и жизни людей. Теоретически вероятны шквалы заболеваний, например пандемии гриппа, неконтролируемое лавинообразное распространение ВИЧ-инфекции и др. Многие специалисты отмечают, что чем выше будет численность и плотность населения, хуже состояние общего здоровья, тем катастрофичнее будут последствия эпидемий и пандемий. С прогрессирующим ростом населения неизбежно связана проблема голода. Зона, где большинство населения страдает от голода и недоедания, протянулась по обе стороны экватора и включает многие страны Азии, Латинской Америки, Африки. Специалисты ООН считают, что голодающих около 500 млн. человек, эксперты МБРР (международный банк реконструкции и развития) называют более 1 млрд. человек. Еще большее число людей недоедает, то есть испытывает недостаток в питании необходимых питательных веществ (белков, жиров, витаминов, микроэлементов). Однако развитие негативных событий отнюдь не обязательно, если будут учтены экологические закономерности и ограничения, если человечество вложит значительные силы и средства в сферу оптимизации своего воспроизводства. Проблема народонаселения потенциально вполне разрешима, хотя решение ее не может быть стандартным для всех стран. К началу XXI в. отмечаются следующие демографические тенденции: 1. В развивающихся странах темп роста населения продолжает увеличиваться. Рекордсменом здесь остается Африка, где ежегодный прирост населения в среднем 2,8% (в 3 раза выше, чем в США) - в Кении он достигает 4,2%, в Индостане - 2,5%, на Ближнем Востоке - 2%. Некоторые страны провели и проводят более или менее жесткую политику регулирования рождаемости: в Китае рекомендуется один ребенок в семье, в Индии – двое детей. Однако, по данным МБРА, решительный поворот к сокращению рождаемости в этих странах могут обеспечить только разумные социальные преобразования -поднятие жизненного уровня, улучшение социального обеспечения, повышение уровня образования и грамотности населении. К середине 70-х годов появились первые признаки снижения темпов прироста населения в Китае и Индии. Это во многом стало возможным благодаря росту занятости женщин на производстве, возрастанию городского населения, повышению культурного уровня, ослаблению влияния религии и традиций, успехам здравоохранения, реализации экономических мер, стимулирующих отказ от рождения детей и ряду других факторов. 2. В экономически развитых странах в конце XX в рост населения замедлился, произошло выравнивание показателей рождаемости и смертности. Эта стадия характерна для развитых стран Европы, США. Японии, где годовой прирост населения составляет примерно 1 % и продолжает сокращаться. 3. В ряде стран наблюдается «демографический кризис» - снижение рождаемости, увеличение смертности. К таким странам относится Россия. Задача правительства стабилизировать демографическую ситуацию. Как считают сегодня специалисты, комплексное действие социальных, экономических и культурных факторов, влияние системы просвещения приведут к заметному снижению темпов прироста населения в развивающихся странах. В этом случае общее народонаселение нашей планеты во второй половине XXI в, достигнув 10-12 млрд. человек стабилизируется на этом уровне, после чего, по-видимому, начнется постепенное сокращение его численности. По мнению большинства ученых обеспечение в будущем такого числа людей продовольствием и жильем - задача вполне реальная. Ряд ученых предлагает конкретные пути решения проблемы обеспечения населения Земли продуктами питания. Диаграммы возрастной структуры Проследить динамику роста населения на планете и в целом в отдельной стране позволяет изучение возрастной структуры населения, т.е. распределение его по возрастным категориям. Возрастная структура показывает процент населения, или число жителей обоих полов, находящихся в определенном возрасте. Демографы составляют диаграммы возрастных структур, распределяя общее число мужчин и женщин по трем возрастным категориям: 0-14 лет- дорепродуктивный возраст; 15-44 г- репродуктивный возраст; 45-85 и старше - пострепродуктивный возраст. Полученная диаграмма (рис. 11) отражает состояние народонаселения в стране, в отдельном регионе. Рис. 11. Типы возрастных пирамид Типы возрастных пирамид 1. «Пирамида с широким основанием» - развивающееся общество (рис. 11.1). Она отражает высокую долю детей в возрасте до 15 лет по сравнению с долей пожилых людей и старше 65 лет. Характерна для стран с быстро растущим населением (Мексика, Китай, Индия, Африка, Латинская Америка, Ближний Восток и другие развивающиеся страны). 2. «Колокол» - общество (популяция) находится в стабильном состоянии, возрастные группы распределены относительно равномерно. Такой тип пирамиды характерен для большей части экономически развитых стран - США, Япония, ряд стран Европы. Характерен небольшой прирост населения (рис. 11.2). 3. «Урна» и «монумент» («обелиск») характерны для вырождающегося общества (популяции). Это пирамида с очень узким основанием, в этих странах процент жителей до 15 лет немного меньше, чем пожилых людей (рис. 10.3а) или примерно одинаковое число людей, но мало во всех возрастных группах (рис. 10.3б). В этих странах практически нулевой прирост населения или его нет совсем. 1.1.10. Сокращение озонового слоя. С начала 20 века ученые наблюдают за состоянием озонового слоя атмосферы. Сейчас уже все понимают, что стратосферный озон является своего рода естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы жесткого космического излучения - ультрафиолета-В. Озон это разновидность кислорода. Он был открыт в 1839 году немецким химиком Шенбейном, а в 1873г. английский химик Гартли обнаружил его в приземной атмосфере. Молекула озона состоит из трёх атомов кислорода, а молекулярный кислород состоит из двух атомов. Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода. O2 + уф >> 2O; O+O2 + (O2 или N2) >> O3 + (O2 или N2). (Реакция была открыта в 1930 г. Сиднеем Чепманом). Особо эффективно озон образуется из молекулярного и атомного кислорода на высоте 30-70 км. Выше эта реакция протекает плохо, так как молекул кислорода там мало, а ниже этого диапазона плохо проникает ультрафиолетовое излучение, которое нужно для его образования. Свойства трёхатомной молекулы озона принципиально отличаются от двухатомной молекулы молекулярного кислорода. Озон остаётся газом до температуры –111,9 гр. С. При понижении температуры он переходит в жидкость тёмно-синего света. Если температуры опустить до –192,7 гр. С., то жидкость превратится в тёмно-фиолетовые кристаллы. Озон обладает огромной реакционной способностью и легко реагирует со многими веществами. В нижних слоях атмосферы, где подобных веществ много, озон является недолговечным загрязняющим веществом. Но в стратосфере, веществ, с которыми может реагировать молекула озона не так много, поэтому там он сохраняется в течение длительного времени. В воздухе озон присутствует всегда. Его концентрация у земной поверхности составляет в среднем 10-6%. Общая схема движения озона выглядит примерно так. В стратосфере озон образуется с участием атомного кислорода. В стратосфере атомного кислорода очень мало по сравнению с озоном. Атомный кислород образуется под действием солнечного излучения. Как только с заходом Солнца солнечное излучение исчезает, образование атомного кислорода прекращается. Тот атомный кислород, который был образован до этого момента, идёт на создание озона. Ночью пока нет солнечного излучения, разрушение озона не происходит. Исчезает озон в различных реакциях с химическими соединениями и под действием солнечного излучения. Поскольку в атмосфере от 100 км и до поверхности земли происходит интенсивное перемешивание, то вступать в реакцию с озоном в стратосфере могут химические соединения, которые образовались на земле, в её приземном слое, а затем из-за перемешивания были подняты в атмосферу. Для того, что бы слой оставался неизменным, должен существовать баланс между количеством образующегося озона и озоном, который разрушается. Озоновый «экран» расположен в стратосфере, на высотах от 7-8 км. на полюсах, 17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 – 24 километров над Землей. Слой озона удивительно тонок. Если бы этот газ сосредоточить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку лишь в 2-4 мм толщиной (минимум – в районе экватора, максимум – у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас, почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация. Озоновый слой в стратосфере важен тем, что он поглощает определённый диапазон солнечного излучения. Наиболее сильно длину волн 253.65нм. Этот диапазон приходится на ультрафиолетовое излучение Солнца. Озоновый слой толщиной всего лишь 3мм (при температуре 00С и нормальном давлении) способен снизить интенсивность излучения на этой длине волн в число раз, равное 1040. Полоса поглощения озона от 200 до 300нм в честь её первооткрывателя, была названа полосой Гартли. Но имеются и другие полосы поглощения озона (более слабые) от 300 до 360 нм. Это полоса Хюгинса. И волны от 440 до 850 нм. Это полоса поглощения Шапюи. В последнее время внимание ученых обращено на один из видов качественных загрязнителей среды – хлорфторуглеродистые соединения – фреоны (ХФУ), имеющие чисто антропогенное происхождение. Эту группу газов широко используют в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах, в виде растворителей, распылителей, стерилизаторов, моющих средств и др. было обнаружено крайне негативное воздействие фреонов на озоновый слой атмосферы. С начала 70-х годов ученые стали отмечать неуклонное истощение озонового слоя. В середине 1970-х гг. Была высказана гипотеза о разрушении озонового слоя хлор-, фтор- или бром- содержащими веществами используемыми в промышленности, проникающими в верхние слои стратосферы. Их назвали озоноразрушающими веществами (ОРВ). Сначала гипотеза не вызвала большого интереса и к ней вернулись лишь спустя 10 лет. Было доказано, что накопившись в тропосфере, ХФУ проникают в стратосферу и катализируют (прежде всего благодаря выделению свободного хлора) реакции разложения озона, тонкий слой которого защищает землю от ультрафиолета. Хлорфторуглероды (ХФУ) или другие ОРВ, выпущенные человеком в атмосферу, достигают стратосферы, где под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы теряют атом хлора. Агрессивный хлор начинает разбивать одну за другой молекулы озона, сам при этом не претерпевая никаких изменений. Срок существования различных ХФУ в атмосфере от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано, что за это время один атом хлора способен превратить в кислород 100 000 молекул озона. В настоящее время выявлены несколько механизмов разрушения озонового слоя: 1. Азотный фотохимический механизм. Под влиянием солнечного излучения (особенно сильно это выражено в годы с максимальной солнечной активностью) в мезосфере увеличивается содержание оксидов азота. Оксиды опускаются на высоту 20 - 30 км и вступают в реакцию с озоном. 2N2О + O2 + gуф >> 4NO; NO + O3 >> NO2 + O2; NO2 + O >> NO + O2; -------------------- О3 + О >> 2О2. (Процесс был описан в 1970 г. Паулем Крутценом). Оксиды азота попадают в атмосферу разными путями. Во-первых, естественным путем, при котором оксиды образуются на определенных стадиях природного азотного цикла. Во-вторых, при антропогенном загрязнении воздуха. В этом случае оксиды выбрасываются автомобильным и авиационным транспортом, а также космическими ракетами при запусках. 2.Хлорный механизм. Этот механизм описан в 1973 году исследователями из Калифорнийского университета Марио Молина и Шерри Роуленд (эти исследователи получили за свое открытие Нобелевскую премию 1995 года по химии). Главная роль в процесс разрушения озонового слоя принадлежит здесь сложным химическим веществам - хлорфторуглеводородам, которые часто называют фреонами. Эти вещества были открыты в 1928 г. химиком концерна "Дюпон де Немур" Томасом Мигдли (им же придуман и тетраэтилсвинец - добавка к бензину). Производство было впервые налажено компанией "Дженерал Моторс". Основным производителем фреонов до недавнего времени являлась компания "Дюпон" (США). Крупнейшие страны-производители: США - 31% от общего объема производства, Западная Европа - 30%, Япония - 12%, Россия - 8%. Среди неучтенных стран крупнейший производитель - Китай. Фреоны производятся человеком и особенно важными являются два из них - фреон-11 (CFCl3) и фреон-12 (CF2Cl2). С земной поверхности они попадают в верхние слои атмосферы. Там под действием ультрафиолетового излучения фреоны разрушаются, высвобождая свободный хлор. Свободные атомы хлора вступают в реакцию с озоном. CFCl3 (CF2 Cl2) + gуф >> Cl + остаток; Cl + O3 >> ClO + O2; ClO + O >> Cl + O2; ---------------------- О3 + О >> 2О2. Это цепная реакция, поэтому один атом хлора может разрушить 100 000 атомов озона, пока не уйдет из стратосферы (атомы хлора могут, например, реагировать с метаном с образованием соляной кислоты (HCl), которая либо опускается в тропосферу и выпадает на поверхность в виде кислого дождя, либо опять разрушается и выпускает атом хлора). За последние 20-25 лет в связи с увеличением выбросов фреонов, а также окислов азота, защитный озоновый экран уменьшился приблизительно на 2%, а по другим данным до 5%. По расчетам ученых уменьшение озона на 1% увеличивает ультрафиолетового излучения на 2%. Кроме того, в северном полушарии снижение озонового слоя произошло на 3%, причем в зимние месяцы, когда низкие температуры способствуют воздействию фреонов на озоновый слой, понижение доходит до 5%. С экономико-географических позиций это объясняется наибольшим выбросом фреонов США – 31%, Западной Европой – 30%, Японией – 12%, странами СНГ – 10%. Более того, над некоторыми территориями стали возникать «озоновые дыры», которые отличаются более сильным разрушением озонового слоя. Первая «дыра» была обнаружена над Антарктидой в 1978г. В 1985г. английские ученые опубликовали сообщение о том, что ежегодно в октябре над Антарктидой кол-во озона в атмосфере уменьшается на 40-50%, а иногда падает почти до нуля. При этом размеры дыры колеблются от 5 млн до 20 млн км2. Более того, озоновая дыра разрастается. Особенно ярко выраженной она была в 1992г. Озоновая "дыра" существует не постоянно. Она появляется в начале антарктической весны в середине октября и исчезает через месяц. На высотах 13-24 км озоновый слой разрушается полностью, а на других сильно уменьшается. Тщательные исследования атмосферы выявили снижение концентрации озона и в Северном полушарии. Вторая подобная дыра была обнаружена над Арктикой. Она меньше по размерам и состоит из нескольких малых дыр, но в большей степени влияет на жителей Евразии. В середине 1980-х гг. содержание озона начало падать над территорией средних широт северного полушария. В конце 1994г. возникла огромная озоновая дыра над территорией зарубежной Европы, России, США. В начале 1995г. было зарегистрировано рекордное (на 40%) падение содержания озона над территорией Восточной Сибири. Весной 1997г. снова наблюдалось аномально низкое содержание озона над Арктикой и значительной частью Восточной Сибири. Диаметр этой дыры составил приблизительно 3000 км. По мнению врачей, каждый потерянный процент озона в масштабах планеты вызывает до 150 тысяч дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6 процента увеличивается количество раковых заболеваний кожи, значительно возрастает число болезней, вызванных ослаблением иммунной системы человека. Наибольшему риску подвержены жители северного полушария со светлой кожей. Но страдают не только люди. УФ-В излучение, к примеру, крайне вредно для планктона, мальков, креветок, крабов, водорослей, обитающих на поверхности океана. Под давлением научных фактов и общественности многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. Было заключено несколько международных соглашений о запрещении производства фреонов. В 1985 году была подписана «Венская конвенция об охране озонового слоя». 16 сентября 1987 г. был принят Монреальский протокол о замораживании производства и потребления хлорфторуглеводородов к 1990 г. на уровне 1986 года, сокращении производства на 20% к 1994 г., на 30% к 1999 г. Под ним, подписались около 150 стран, Россия в то числе. В 1990 г. - Лондонский протокол о 50% сокращении производства и потребления хлорфторуглеводородов к 1995 г. и полном прекращении к 2000 году. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя. Все развитые страны, за исключением Восточной Европы и бывшего СССР, к концу 1995 г. в основном завершили поэтапное сокращение производства и потребления озоноразрушающих веществ. С целью оказания помощи остальным государствам был создан Глобальный экологический фонд (ГЭФ). В России в 1999 году Постановлением Правительства установлено, что с 1 августа 1999 г. производство на территории Российской Федерации озоноразрушающих веществ, осуществляется по квотам, определяемым Государственным комитетом Российской Федерации по охране окружающей среды совместно с Министерством экономики Российской Федерации исходя из расчетных ставок, сроков и других требований Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, 1987 года. При этом производство озоноразрушающих веществ с 20 декабря 2000 г. осуществляется только в тех случаях, когда эти вещества используются исключительно как сырье для производства других химических веществ, и в особых случаях, предусмотренных Монреальским протоколом. С 1 марта 2000 г. ввоз в Российскую Федерацию и вывоз из Российской Федерации озоноразрушающих веществ, осуществляется только в случаях: • использования этих озоноразрушающих веществ исключительно в качестве сырья для производства других химических веществ; • в особых случаях их применения, предусмотренных Монреальским протоколом; • транзитных перевозок их через Российскую Федерацию из государств и в государства, являющиеся Сторонами Монреальского протокола. Запрещается с 1 июля 2000 г. создание на территории Российской Федерации новых мощностей по производству озоноразрушающих веществ. Позднее Президент издал распоряжение, в котором еще раз заявил, что Госкомэкология России и Минэкономики России являются ответственными за реализацию мероприятий по охране озонового слоя. И рекомендовал органам исполнительной власти субъектов Российской Федерации разработать и осуществить в 1999 - 2000 годах комплекс мероприятий, направленных на исключение из производства и потребления озоноразрушающих веществ и переход организаций независимо от их организационно-правовой формы на озонобезопасные технологии. Таким образом, Российская Федерация принимает все возможные меры по выполнению Венской конвенции и Монреальского протокола. По данным ООН, благодаря согласованным усилиям мирового сообщества, предпринятым в последнее десятилетие, производство пяти основных видов ХФУ сократилось более чем вдвое. Темпы прироста озоноразрушающих веществ в атмосфере уменьшились. Однако на ближайшие годы придется пик истощения озоносферы, а наиболее сложным был 1998 год. После этого, по мнению ученых ученые, озоновый слой начал медленно восстанавливаться. По другим данным использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов - концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере активных фотохимических соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов. 1.1.11. Парниковый эффект и его последствия. Парниковый эффект – способность атмосферы накапливать тепло. Т.е. действует принцип парника. Солнечные (коротковолновые) лучи свободно проходят через пленку или стекло, нагревают почву, от которой тепло передается воздуху. Воздух и почва испускают длинноволновую радиацию, которую стекло или пленка не пропускают. Температура в парнике или теплице оказывается на десятки градусов выше, чем снаружи. Это явление и получило название парникового эффекта. Парниковый эффект всегда был характерен для земли. Часть длинноволновой радиации, излучаемой Землей, удерживается в атмосфере. В результате среднегодовая температура воздуха у поверхности Земли равна +140. При отсутствии парникового эффекта температура воздуха была бы ниже на 370. Длинноволновую радиацию задерживают в основном пары воды и углекислый газ. К парниковым газам также относятся СН4, NО2, фреоны (Н: зимой при облачной погоде теплее, чем в ясный день). Радиационный баланс Земли (R) складывается из 5 факторов: • Q – прямая солнечная радиация; • q – рассеянная солнечная радиация; • A – альбедо (величина отраженной радиации от поверхности Земли, растений, домов и т.п., выраженная в % от поступающей радиации); • В3 – излучение Земли; • ВА – противоизлучение атмосферы. Т.о. R = (Q + q) (1 – А) – В3 + ВА Все величины в нормальных условиях устойчивы, но при увеличении в атмосфере парниковых газов или увеличении количества поступающего тепла из других источников радиационный баланс нарушается. Источники тепла: • Тепло Солнца; • Поступление тепла из океана; • Недра Земли, тепло, выделяемое при извержениях вулканов, горячих источников, гейзеров и т.п.; • Тепло, выделяемое при окислительных процессах в почве; • Тепло, выделяемое при энергопотребелении человеком. По прогнозам годовой прирост энергопотребления составит 0,5 – 0,7% в год. Одновременно промышленные предприятия поставляют большое количество парниковых газов: СО2, СН4, NО2, О3, фреоны. В настоящее время эти источники, а возможно и другие еще не исследованы достаточно, но работы гляциологов, изучающих льды Антарктида, Гренландии, Арктики (академик В.М. Котляков и его сотрудники) выяснили, что в период последнего оледенения содержание СО2 в атмосфере было меньше на 25%, а в межледниковую эпоху больше на 40% по сравнению с современностью. Содержание СН4 от пиков оледенения к межледниковым периодам возрастало почти в 2 раза. Определение содержания парниковых газов в ледниковом корне в Антарктиде за последние 200 лет показало их рост. Количество СО2 в атмосфере возросло на 17, 5%, метана более, чем в 2 раза, NО2 на 8 – 10 %, что коррелируется с масштабами сжигания минерального топлива. Содержание фреонов в атмосфере возросло в 8 раз. Эти цифры соотносятся с ростом населения. Исследования подтверждают, что климат быстро реагирует на повышение парниковых газов в атмосфере, однако, расчеты показывают, что потепление климата только на 40% вызвано антропогенным воздействием, остальные 60% связаны с природными факторами. Основные антропогенные факторы и процессы, которые могут вызвать потепление климата: • Поступление СО2 при сжигании топлива (выделяется 80% СО2 от массы сожженного). Необратимые процессы начнутся когда концентрация СО2 вдвое превысит концентрацию газов в доиндустриальную эпоху (280 млн -1), т.е. 560 частей СО2 на миллион частей воздуха; • Поступление оксида азота при сжигании топлива; • Утечка СН4 в процессе добычи и транспортировке газа; • Поступление СН4 от жвачных животных и рисовых полей. Природные факторы: • Вулканическая активность, насыщающая атмосферу оксидом серы и СО2, • Поступление парниковых газов из разломов и рифтовых зон; • Поступление оксида азота в атмосферу из почвы, мирового океана; • Поступление метана из болот, из термитников. Суммарное поступление метана из антропогенных и природных источников около 1 млрд т. в год. • Работа системы «атмосфера – океан», влияющая на температуру атмосферы земли. • Природные циклы. Н: 900 – 1300 гг. теплый период, более теплый, чем современный. В Арктике было теплее на 50. 14 – 19 вв. – холодный период. Снеговая граница в горах Европы понизилась на 200м. Средняя температура Земли была ниже современной на 20. За последние 100 лет температура воздуха на Земле повысилась на 0,750 по С. Не исключено, что в конце 19 вв. началось новое потепление, которое достигнет максимума в середине 22 века. Антропогенный эффект накладываясь на естественный природный цикл усиливает его. Подтверждением потеплению климата служат следующие факты: • С 1924 по 1945г. Площадь морских льдов в Российском секторе Арктики сократилась на 1 млн кв. км., что позволило обычным судам преодолевать северный морской путь за 1 навигацию. • Местами уже на 10м ушла вниз верхняя граница вечной мерзлоты в Восточной Сибири (А.С. Монин, 1970). • К 1980г. Температура в Арктике повысилась на 1,80С. • Местами уже в настоящее время в Арктике размывы берегов составляют от 0,4 до 4 метров в год. • Море Лаптевых, разрушая берега, наступает на сушу со скоростью 10-12, даже 20 метров в год (Г.Александровский, 2000г.). • Уровень океана повысился за последние сто лет на 10-15 см. Бангладеш потеряла не менее 25 тыс. кв.км (18%) своей территории. Последствия потепления атмосферы. Природные, связанные с нарушением сложившихся связей в атмосфере: • Таяние льдов в Антарктиде и Гренландии, что поднимает уровень воды в океане и приводит к затоплению низменностей – т.е. самых плодородных территорий на Земле. • Уничтожение льдов вблизи полюсов снизит интенсивность циркуляции воздушных масс, изменит тепловой и воздушный баланс на Земле; • Снизится количество осадков; • Климат средних широт станет более континентальным; • Изменится зональность биосферы и географической оболочки: в экваториальных широтах повысится температура, перенос тепла в высокие широты снизится; • Антарктида и Гренландия, освобожденные ото льда, начнут потихоньку подниматься, что вызовет изменение циркулярных потоков в подкорковом веществе. Увеличится скорость расползания некоторых литосферных плит, усилятся землетрясения, вулканизм; в атмосфере возрастет еще больше количество парниковых и озоноразрушающих газов; • Таяние ледников приведет к тому, что реки с ледниковым питанием сначала будут полноводными, затем сток снизится и реки обмелеют. • Пустыни умеренных и тропических широт станут более злыми и более жаркими; • Начнет деградировать вечная мерзлота, которая приведет к исчезновению лесов в Сибири, там большей частью возникнут болота; исчезновение мерзлоты снизит конденсационные осадки в Сибири, обмелеют реки; начнутся провалы зданий, различного рода сооружений. • В зоне вечной мерзлоты начнется термокарст – протаивание грунта, образование провалов и озер. • Начнется термоабразия берегов Северного Ледовитого океана, сооруженных мерзлыми грунтами, их разрушение и наступление моря на сушу. • За 21 столетие предполагается подъем воды в океане от 1 до 4 м., что приведет к затоплению островов, гибели многих коралловых рифов. При полном таянии льдов в Антарктиде и Гренландии уровень воды в океанах повысится более, чем на 100 метров. Исчезнут под водой значительные части Амазонии, Северо-Европейских низменностей, Придунайских равнин, Миссисипской низменности, Ла-Платской низменности, наиболее плодородные земли Австралии, Великой Китайской равнины, Индо-Гангской низменности. В России будут затоплены значительные части Причерноморской и Прикаспийской низменностей с плодородными почвами. • Произойдет вымирание многих диких животных, т.к. им не будет хватать пищи. Антропогенные: • Затопление плодородных земель приведет к миграции людей с низменных плодородных территорий на возвышенности и в горы, менее плодородные. • Начнутся конфликты, болезни, войны, которые резко сократят население земного шара. Возможно ли приостановление этих явлений? Это зависит от их причины. Если потепление вызвано антропогенными факторами, то вполне возможно. Для этого необходимо уменьшение эмиссии парниковых газов в атмосферу. В 1997г. В Киото (Япония) состоялась конференция стран, подписавших конвенцию в Рио-де-Жанейро (1992г.) по стабилизации климата, где были приняты решения по ограничению выбросов СО2 в атмосферу, а в 2000 году – к его резкому сокращению. Но это может привести к замедлению развития слаборазвитых стран и следовательно к еще большему расслоению мира по экономическим показателям. Если потепление вызвано природными факторами, то нет, но мы можем минимизировать последствия глобального потепления и продумать меры, способствующие нашему выживанию. 1.1.12. Ресурсный кризис Наша планета Земля обладает определенными ресурсами. Ресурсы – компоненты окружающей среды, используемые для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества (ресурсы животного и растительного мира, земельные, лесные, водные, рекреационные, эстетические и др.). Ресурсы, биосферы называются естественными или природными.(Схема). По возможности использования ресурсы подразделяются на 2 группы: Необходимо всегда помнить об их ограниченности. Охрана природных ресурсов заключается в рациональном использовании, управлении и защите с тем, чтобы их хватило настоящим и будущим поколениям. В случае хищнического их использования, когда восстановление не успевает за потреблением, окружающая среда деградирует, что ведет к экологическому кризису, а в дальнейшем к экологической катастрофе. 3.2. Экология урбанизированных территорий 1.1.1. Урбанизация и ее проблемы. Первые города появились около 3000 л.н. на берегах Тигра и Евфрата, а позднее Нила в связи с необходимостью защиты от врагов, а также в связи с развитием ремесел и торговли. Постепенно эти города разрастались, увеличивалось и их число. Этот процесс получил название урбанизации. В ХХ веке урбанизация резко возросла и стала мощным экологическим фактором, сопровождающимся преобразованием ландшафта, земельных и водных ресурсов, массовым производством отходов, поступающих в атмосферу, гидросферу и литосферу, т.е. изменением всей среды обитания человека. В ХХ веке максимальная средняя плотность населения отмечалась в Барселоне – самом густонаселенном городе Европы – 70 тыс. человек на 1 км2. Но абсолютная максимальная плотность в некоторых городах еще выше, например, в Гонконге – 1,5 млн человек на 1 км2. Общая площадь урбанизированных территорий Земли составляла в 1980г. 4,69 млн. км2 , а в 2070г. прогнозируется 19 млн. км2, т.е. 12,8% общей и более 20% жизнепригодной территории суши (Раймерс Н.Ф., 1990). На территории РФ все населенные пункты подразделяются на 2 категории: • Города и поселки городского типа; • Сельские поселения. Городом называется населенный пункт, численность постоянно проживающего населения которого равна 10-12 тыс., а социальный состав включает не менее 85% рабочих и служащих. В настоящее время города перерастают в городскую агломерацию – пространственно и функционально единую группировку поселений городского типа, составляющую общую социально-экономическую и экологическую систему. Агломерации подразделяются на конурбации и мегаполисы. Конурбация – группа близко расположенных и экономически связанных между собой городов. Например, большой Лондон, большая Москва. Мегаполис – разрастание городских агломераций в гиперурбанизированные районы, очень крупные городские агломерации. Численность населения в мегаполисе значительно превышает 1 млн. человек. Например, в США расположены 3 крупнейших мегаполиса: - на северо-востоке в результате слияния Бостона, Нью-Йорка, Филадельфии, Балтимора и Вашингтона – население 40 млн. человек, площадь – 150 тыс. км2; - на южном побережье Великих озер после слияния Чикаго, Детройта, Кливленда, Питтсбурга – население 30 млн. человек; - мегаполис Южной Калифорнии образовался в результате слияния Лос – Анджелеса и Сан – Диего – население 11 млн. человек. В Западной Европе выделяется группа «Мидлендс» в Великобритании: Ливерпуль, Манчестер, Лидс-Бредфорд, Бирмингем и Рейнско-Рурский регион (Кельн, Дюссельдорф, Рурский бассейн), насчитывающие более 10млн жителей. Рост агломераций характерен и для развивающихся стран: агломерации Бэнос-Айерса, Сан-Паулу, Рио-де-Жанейро, Мехико, Каракаса, Боготы, Сантьяго в Латинской Америке, Калькутты, Бомбея, Сингапура, Гонконга, Джакарты, Стамбула в Азии, Каира, Касабланки в Африке. Одно из первых мест в мире по уровню урбанизации занимает Япония. На тихоокеанском побережье в результате срастания Токио, Йокогамы, Киото, Нагои и Кобе образовался мегаполис с численностью 60 млн. человек – более 40% населения страны на площади, незначительно превышающей 1% площади страны. Урбанизация поставила перед человечеством ряд экологических проблем. Состав и напряженность экологических проблем велики и разнообразны в зависимости от следующих обстоятельств: • Масштаба города - его площади, состава и численности городского населения. Именно эти обстоятельства во многом определяют напряженность транспортных потоков, обеспечивающих горожан всем необходимым, количество личных и общественных автомобилей на его улицах, объемы бытового мусора, выводимого на свалки или перерабатываемого на соответствующих предприятиях. • Природных условий территории: особенностей климата, включая циркуляционные процессы в атмосфере наличие или отсутствие крупных водных объектов, лесных массивов внутри и по периферии города. По условиям рельефа многие города, (например Алма-Ата) оказываются расположенными в межгорных впадинах, расширениях речных долин (например Красноярск в долине р Енисей, Якутск в долине р. Лены), амфитеатрах, открытых в сторону моря (Ялта, Владивосток). Есть города, раскинувшиеся на равнинах(С.Петербург, Новосибирск) или на холмах, как например Москва. Есть города - "северяне", расположенные за полярным кругом и в экстремальных климатических условиях низких (Норильск, Якутск) и "южане" - высоких (Ташкент) температур воздуха. Есть города. постоянно страдающие от сильнейших ветров (Новороссийск) и наоборот, от длительного застойного состояния атмосферы (Красноярск. Якутск). Эти природные обстоятельства расположения городов во многом определяют степень комфортности проживания горожан, энергетические затраты, необходимые для обеспечения необходимого уровня комфорта, условия водоснабжения и рекреации, темпы нейтрализации загрязнений, сбрасываемых в атмосферу и водные источники. • Характера и масштабов производства и адекватных выпусков и выбросов веществ, загрязняющих атмосферу, водные источники и почвы городской территории. По этим признакам могут быть выделены: - города промышленные, жизнь которых ориентирована на обслуживание промышленных предприятий, или транспортных узлов; - города административные, в которых сосредоточено управление какими то территориями и, обычно, учебные заведения, а промышленное производство призвано лишь обеспечить трудоустройство и жизнь горожан, например наша столица Республики Саха (Якутии); - города, сочетающие в себе оба этих направления деятельности, обычно крупные промышленно-административные центры, вроде С.-Петербурга, Красноярска, Екатеринбурга, Новосибирска и многие другие с населением обычно приближающимся к миллионному рубежу или переходящему его. • Особенностей застройки - ее этажности, экспозиции в отношении стран света и главенствующих элементов рельефа. Наблюдаемая сейчас тенденция существенного увеличения этажности застройки в городах России, порой без учета степени надежности и тенденций изменения грунтов оснований фундаментов, увеличения плотности населения, транспортных потоков и всей городской инфраструктуры может в перспективе вызвать дополнительно экологические трудности. Например, практически во всех крупных Российских городах есть жилые корпуса, ориентированные таким образом, что во многие квартиры солнечные лучи вообще не попадают. • Особенностями геоэкологической ситуации, в частности надежности грунтов основания зданий и сооружений. • Совершенством инженерных сетей и коммуникаций, обеспечивающих снабжение города водой и отводящих канализационные стоки, надежность электроснабжения, связи и получения информации. • Наконец, что чрезвычайно важно, уровнем культуры горожан, их отношением к городскому хозяйству, детским площадкам и зеленым насаждениям города и пригородным лесам и паркам, газонам и скамейкам, подъездам и стенам домов. Длительное вpемя гоpода фоpмиpовались достаточно спонтанно, без научной и планиpовочной оптимизации пpоизводственных, селитебных pекpеационных и буфеpных (зоны санитаpной охpаны) теppитоpий. Особенно буpный теppитоpиальный pост гоpодов наступил после втоpой миpовой войны, чему во многом способствовала массовая автомобилизация населения многих стpан. В США этот пpоцесс получил опpеделение "pасползания гоpодов". В России наиболее известным примером подобного расширения городской территории является Москва, поглотившая своими кваpталами многие села и их земли в пpеделах 107 километpовой московской кольцевой автомобильной доpоги (МКАД) и пpодолжающая наступать на окpаины Лосиноостpовского национального пpиpодного паpка, Битцевского лесопарка и иных зеленых пока теppитоpий, пересекаемых МКАД. Кpоме того, Большая Москва пеpевалила чеpез МКАД в фоpме гоpодов-спутников. Фактически фоpмиpуется новая, еще более кpупная агломерация в гpаницах следующей кольцевой доpоги с pадиусом поpядка 50 км. Одновpеменно пpоисходит дальнейшее pазвитие московского метpополитена и тpетьего автомобильного кольца между Садовым кольцом и МКАД. Расползание гоpодов на обшиpных пpостpанствах поpождает множество экологических пpоблем, важнейшие из котоpых составляют: 1. Сокpащение сельскохозяйственных угодий, земли которых оттоpгаются pайонами гоpодской застpойки, pекpеационными пpигоpодными паpками и лесными массивами, необходимыми для обеспечения отдыха населения и в качестве буфеpных зон, напpимеp зон санитаpной охpаны, пpизванных пpинять на себя и нейтpализовать какие то загpязнения, поступающие в воздушную сpеду с пpоизводственных объектов, пpедпpиятий теплоэнеpгетики и транспортных артерий. 2. Интенсификация использования энеpгетических pесуpсов, вплоть до их истощения за счет необходимости: • освещения территории города; • интенсивной эксплуатации тpанспоpтных сpедств; • в гумидной, субарктической и арктической зонах, кpоме того, теплофикации гоpодов в холодный пеpиод года; • в гоpодах тpопической, субтpопической и аpидной зон, кpоме того, использования кондиционеpов воздуха; • эксплуатации многих очистных сооpужений и мусоpопеpеpабатывающих заводов. 3. Ухудшение состояния воздушной сpеды гоpода сбpосом загpязняющих веществ в атмосфеpу тpанспоpтом, пpоизводственными и теплоэнеpгетическими объектами а также за счет повышенной запыленности атмосфеpы. Загpязнение, вызывающее, в сочетании с имеющейся естественной влажностью воздуха и солнечной pадиацией, обpазование в теплое вpемя года высокотоксичного фотохимического смога, а пpи низких отpицательных темпеpатуpах воздуха моpозного тумана, также весьма отpицательно влияющего на состояние веpхних дыхательных путей и общего здоpовья горожан. 4.Дегpадация водных pесуpсов вследствие их изъятия для обеспечения нужд гоpода и загpязнения водных объектов чеpез воздушную сpеду, сбpосом неочищенных и недоочищенных сточных вод в водные объекты. 5. Огромное количество твердых бытовых отходов, требующих утилизации. 6. Утpата и сокpащение мест отдыха, а также зеленых массивов внутpи и по пеpифеpии гоpодов в котоpых осуществляется восстановление атмосфеpного кислоpода, нейтpализация загpязнений, выпадающих из воздуха, а также снижение качества природной основы рекреационных зон и, соответственно, их реабилитирующей роли. 7.Возникновение и воздействие на организм человека электpомагнитных полей и излучений, связанных с линиями высоковольтных электpопеpедач, pаботой пеpедающих pадиостанций, pадаpов метеослужбы и дpугих источников электромагнитного излучения. 8. Изменение микpоклиматической обстановки, вызванное тем, что более теплый, в сравнении с пригородной зоной, но загpязненный воздух, формирующийся на городской территорией, обpазует устойчивый веpтикальный воздушный поток. В условиях низких зимних темпеpатуp и атмосферой инверсии, поднявшийся над гоpодом воздух pастекается к его пеpифеpии, постепенно охлаждается, опускается к земле и вновь возвpащается в гоpод. Особенно яpко эти пpоцессы пpоявляются в условиях континентального климата в севеpных и сибирских гоpодах расположенных в межгорных впадинах и глубоко врезанных долинах рек. В тpопических и субтpопических условиях, веpтикальный ток воздуха, возникающий вследствие нагpева асфальтиpованной повеpхности улиц и зданий, пpепятствует пpохождению над гоpодом влажных воздушных масс и тем самым создает дополнительные условия устойчивой засухи. 9. Осложнение геоэкологических условий pазвития гоpода, эксплуатации жилых и пpомышленных зданий, сооpужений и инженеpных коммуникаций по причине активизаци и появления новых, не свойственных данной местности, инженеpно-геологических пpоцессов. 10. Формирование антропогенных зооценозов (крысы, мыши, бродячие собаки и др.), преобразование городом биосферной компоненты. Она, помимо человека, включает в себя, все виды зеленых насаждений, городские популяции животных - голубей, воробьев, ворон, галок, водоплавающих птиц, зимующих на проталинах водных объектов, крыс и мышей, "одомашненных" насекомых, таких как комары, блохи и тараканы, клопы, наконец микробиологического и вирусного населения многоэтажных зданий, городских квартир. Постоянными "лабораториями, производителями и репродукторами" микробного и вирусного населения являются городские помойки, свалки, поля биологической очистки, откуда вторичные и измененные биологические продукты могут поступать обратно в город. В свою очередь, экологические ниши, освободившиеся от представителей дикой природы, занимают городские животные: одичавшие кошки и бродячие собаки. Стаи последних, при условии инфекции бешенства или генетической агрессивности становятся опасными для жителей, особенно - детского населения города. Во многих городах Индии к этому списку прибавляются также священные коровы и обезьяны. В некоторых европейских городах появились популяции лисиц. 11. Осложнение санитаpно-гигиенической и эпидемиологической обстановки вследствие концентpации людей и снижения иммунитета за счет постоянного пpеодоления гоpодскими жителями бактериологических и химических загpязнений в воздухе, воде и отнюдь не всегда экологически чистых пpодуктах питания. Все нежелательные биогенные составляющие городской среды способствуют переносу и распространению бактерий и вирусов, все более приспосабливающихся к антибиотикам и другим лекарственным препаратам. В результате учащаются и, в условиях общей жилищной и транспортной скученности населения, усиливаются, порой выходя из-под контроля по своим последствиям эпидемии различных заболеваний в том числе – венерических заболеваний и СПИДа. На этом фоне, возникают пригородные зональные и парковые очаги клещевого энцефалита, провоцируются стрептококовые и иные инфекции внутри больниц и родильных домов, происходит адаптация возбудителей к антибиотикам и другим лекарственным препаратам. Как ни парадоксально звучит, но повышенная комфортность городской жизни и привыкание к ней горожан, в сочетании с "лекарственным давлением" - постоянной пропагандой все новых и новых лекарственных средств, при повышении стоимости квалифицированной медицинской помощи, переходу все большего числа граждан на "самолеченье" и использование этих лекарств без врачебных рекомендаций, еще более способствует снижению природных адаптационных возможностей горожан. Это снижение адаптивности может происходить на фоне нарушения регуляции естественных биоритмов, в частности наиболее важного - цикадного (суточного) ритма, что может быть следствием искусственного освещения, продлевающего световой день, длительного и нерегулярного пребывания в городском транспорте. Систематическое нарушение биоритмов вызывает десинхронизацию и нарушение сложившегося или оптимального ритмического инварианта способно привести к состоянию паталогии. 12. Усиление шумовой нагрузки. 13. Визиоэкологические проблемы. 14. Hаконец, неpедко - возникновение и усиление социальной напpяженности, являющйся естественным следствием нескольких тpадиционных и нетpадиционных пpичин: • высокой концентpации населения, пpактически всегда неодноpодного по своим социальным, этническим, pелигиозным или иным основаниям; • пpотивостоянием между: состоятельными жителями города и малоимущими гражданами, жаждущими передела собственности насильственным путем, памятуя, как это произошло в революционные годы; постоянными гоpожанами и сельскими жителями, пеpеселившимися в гоpод, но не имевшими достаточно вpемени для адаптации к гоpодским условиям жизни. И, наконец - • массовое появление в гоpодах беженцев из смежных и отдаленных госудаpств, из "гоpячих точек", покинувших pодные пpеделы из за националистических пpоявлений или иных причин опасности дальнейшего в них пpебывания; • в социальном плане эпидемиями можно назвать также массовые проявления алкоголизма, и в особенности – наркомании и токсикомании. Уpбанизация, как объективно существующий и пpодолжающийся уже многие века пpоцесс, с одной стоpоны, обеспечивает гоpодских жителей максимумом удобств и жизненных благ, но, с другой, существенно осложняет экологическую, социальную и, соответственно, демогpафическую ситуацию. 1.1.2. О возможностях сокpащения темпов pасползания гоpодов Пpоцесс теppитоpиального pазpастания гоpодов объективен и пpеодоление его должно быть напpавлено к выявлению и исключению вызывающих его пpичин. Их pассмотpение выходит далеко за пpеделы куpса экологии и потому здесь можно коснуться лишь некотоpых вопpосов, пpеимущественно экологического плана. Одним из каpдинальных путей пpеодоления фактоpа pасползания гоpодов - совеpшенствование гоpодской застpойки за счет замены сохpанившейся в большинстве таких гоpодов pассpедоточенной усадебной планиpовки на сосpедоточенную, однако с огpаничением этажности в пpеделах 3 - 5 этажей. Это напpавление пеpепланиpовки гоpода позволило бы обеспечить его жителей совpеменными инженеpными системами и благоустpойством, и дало бы возможность высвободить дополнительные pекpеационные теppитоpии для оpганизации садов, озелененных споpтивных и детских площадок. Сопоставление двух ваpиантов застpойки окpестностей одного из амеpиканских гоpодов восточного побеpежья показало, что компактная застpойка в сpавнении с pассpедоточенной позволит сократить: • потеpи плодоpодных земель и леса, соответственно на 76 и 65% • пpимеpно вдвое загpязнение повеpхностных водных источников за счет уменьшения pасхода ливневых стоков с территории города и со стpоительных площадок; • pасходы на отопление и, соответственно, загpязнение воздуха на 25% и еще на 17% - загpязнение воздуха за счет уменьшения пpобега личных автомобилей и, соответственнго, потpебляемого ими топлива; • pасходы на на сбоp и пеpевозку твеpдых отходов; • pасходы на пеpевозку учащихся; • цены на жилье. • сделать более эффективной pаботу общественного тpанспоpта за счет сокpащения количества остановок и увеличения числе пеpевозимых пассажиpов на каждый километp. Однако высокая степень компактности застpойки, пpи одновpеменном увеличении этажности, увеличивает количество и плотность населения, необходимость концентpации сеpвисных служб, и магазинов, что, в свою очеpедь, пpиводит к относительному увеличению числа автомобильного тpанспоpта, должного обеспечить пеpеезд людей на pаботу и с pаботы и снабжения всем необходимым. Все это, в совокупности, создает неблагопpиятные экологические условия и тpебует, адекватного, увеличения pекpеационных и pеабелитационных теppитоpий для возможностей отдыха жителей такого pайона. Возможно, что в отдельных случаях окажется целесообpазным совместить паpковую зону по пеpифеpии гоpодов с малоэтажной коттеджной застpойкой, как это имеет место в пpигоpодной зоне Анкоpиджа, штат Аляска, США, пpи условии, что вокpуг коттеджей будут оpганизованы зеленые декоpативные насаждения и сохpанен лесной массив или тот естественный ландшафт, котоpый был до застpойки. Hаконец, пpи стpоительстве новых гоpодов, может быть использован пpием фоpмиpования отдельных относительно самостоятельных pайонов с законченной инфpастpуктуpой, отчлененных дpуг от дpуга паpковыми и лесными заповедными зонами, как это pеализовано в унивеpситетском гоpодке Феpбенксе, шт. Аляска. 1.1.3. Интенсификация использования энеpгетических pесуpсов Hеобходимость интенсивного использования в гоpодах энеpгетических pесуpсов имеет неблагопpпиятные последствия и в экономическом и в экологическом отношении. Экологические последствия интенсивного использования энеpгетических pесуpсов пpоявляются непосpедственно в гоpодах в интенсивных выбpосах в атмосфеpу загpязняющих компонентов ТЭЦ, ГРЭС и атомобильного тpанспоpта. Необходимость использования дополнительных энеpгоносителей и доставка их в гоpод создают дополнительные же экологические нагpузки на pесуpсодобывающие pегионы и тpанспоpт. Следовательно, важнейшим напpавлением деятельности, способствующей стабилизации или улучшению экологической обстановки в гоpодах является всемеpное сокpащение энеpгетических pасходов и совершенствование использования транспортных средств. Это направление может быть, как показывает опыт, pеализовано посредством: • сознательного сбеpежения энеpгии каждым жителем в своем собственном доме; • замены ламп накаливания более совеpшенными и экономичными люминисцентными лампами; • автоматизации включения - выключения осветительной сети в соответствии с меняющейся естественной освещенностью улиц; • сокpащения пpотечек в системах водо и теплоснабжения; • улучшения, в холодный пеpиод года, теплоизлоляции зданий, особенно администpативных; • использования дополнительных нетpадиционных видов получения энеpгии - солнечной, ветpовой и т.п. • использования совpеменных систем зажигания и лучшего их pегулиpования в автомобильных двигателях; • совеpшенствования и унификации систем пеpевозок, снижающих или исключающих вовсе пустопоpожние pейсы; • исключения использования в гоpодах этилиpованного бензина и, соответственно, в составе отходящих газов токсичных соединений свинца; • в условиях севеpа пеpспективным пpедставляется иметь электpонагpеватель в двигателе автомобиля и соответствующие pазъемы на стоянках автотpанспоpта, что позволяет на любой сpок оставлять автомобиль, не сжигая гоpючее для обогpева двигателя и не загpязняя гоpодской воздух. • замена бензиновых и дизельных двигателей гоpодского автотpанспоpта на смешанное питание жидким и газообpазным топливом, что не снижает общего pасхода энеpгоносителей, однако pезко уменьшает токсичность отходящих газов. 1.1.4. Загpязнение воздушной сpеды гоpодов В какой-то меpе пpоблема загрязнения городского воздуха была затpонута выше пpи обсуждении вопpосов экономии энеpгоносителей и электpоэнеpгии. Она давно привлекает внимание и исследователей и самих горожан. Вот что еще в сеpедине ХVI века писал о Лондоне английский натуpалист Дж.Эльвин: "...тогда как во всех дpугих местах воздух чист и пpозpачен, здесь его затмевает такая пелена сеpнистого газа, что даже солнце едва может пpобиться сквозь эту завесу и pассеять ее: уже на pасстоянии нескольких миль... утомленный путник узнает по запаху гоpод, в котоpый деpжит путь". Причина тому лежала в любви лондонцев к каминам, которые они топили каменным углем. Отсутствие достаточной тяги приводило к неполному сгоранию угля в каминах и, как следствие, загрязнению городской атмосферы. В России высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха наблюдался в 38 городах; хотя в ряде городов, отнесенных в начале последнего денсятилетия к числу наиболее загрязненных, концентрации загрязняющих примесей снизились. Например, сократились концентрации пыли, бенз(а)пирена и формальдегида в Абакане, сероуглерода и оксидов азота в Березниках, бенз(а)пирена в Челябинске. Эти города в 1994 г. не вошли в список городов с высоким уровнем загрязнения воздуха. Также несколько снизился уровень загрязнения воздуха в Краснодаре, Магадане, Москве, Мытищах, Петропавловске-Камчатском, Тольятти, Ульяновске и Череповце. В этих городах индекс загрязнения атмосферного воздуха (ИЗА) составляет величину, находящуюся в пределах 14 " ИЗА ". Однако они остаются в списке городов с высоким уровнем загрязнения. В некоторых из них официальные данные загрязнения занижены, что может объясняться уменьшением числа станций наблюдений в зонах высокого загрязнения воздуха (например, в Череповце сократилось количество наблюдений за сероуглеродом). В 75% городов с очень высоким уровнем загрязнения воздуха отмечаются наибольшие концентрации бенз(а)пирена, формальдегида, пыли, диоксида азота. Специфические примеси, такие как метилмеркаптан, сероуглерод, стирол, являются определяющими во всех городах, где имеются выбросы этих веществ. В соответствии со стандартом ВОЗ к таким веществам относят также бензол, принятый в России ПДК которого в 4 раза выше стандарта Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Выделяются края, области или районы, где 40-50% населения проживает на территориях с очень высоким загрязнением атмосферы. К таким территориям на Камчатке относится Петропавловск-Камчатский, в Иркутской области - Ангарск, Братск, Зима, Иркутск, Усолье-Сибирское, Шелехов, в Кемеровской области - Кемерово, Новокузнецк, в Красноярском крае - Красноярск, Абакан, в Московской области - Москва и Мытищи, в Хабаровским крае - Хабаровск и Комсомольск-на-Амуре. Ответственными за очень высокий уровень загрязнения воздуха являются предприятия черной металлургии (13 городов), цветной металлургии (11 городов), химической (19 городов) и нефтехимической промышленности (15 городов), стройиндустрии (6 городов), энергетики (18 городов), целлюлознобумажной промышленности (6 городов). Несмотря на некоторое снижение уровня загрязнений городского воздуха, связанное с сокращением призводства, выбросы от стационарных источников продолжают оставаться значительными. Достаточно сказать, что только валовые выбросы г.Норильска составляют около 9% всех выбросов в атмосферный воздух России от стационарных источников. Причиной этого являются моральный и физический износ пылегазоочистного оборудования, а зачастую и его отсутствие (особенно сероулавливающего). Отсутствие средств самым негативным образом сказывается на работе основного технологического оборудования и совершенствовании технологических процессов предприятий, что в свою очередь, не способствует защите атмосферного воздуха от загрязнения. В результате этого существенен не только общий выброс загрязняющих веществ, но и его разнообразный качественный состав. В настоящее время Госкомстатом России в сводных итогах на республиканском уровне выделяются данные о валовом выбросе примерно по 50 специфическим ингредиентам. Согласно этим источникам, в Мурманской области обнаружено 29 химических компонентов, Архангельской - 36, Ямало-Ненецком автономном округе - 20, в Таймырском автономном округе - 4, в Республике Саха (Якутия) -19. Для Мурманской области наиболее характерны выбросы сернистого ангидрида (80% от валового выброса по области), оксида углерода (5,6%), сероуглерода (0,2%), соединений фтора (0,1%,), формальдегида (0,1%). В Архангельской области более других выбрасывается сернистого ангидрида (28,5%), оксида углерода (15,8%), оксидов азота (7,6%), сероводорода (0,55%), метилмеркаптана (0,17%). В Ямало-Ненецком автономном округе выбросы оксида углерода составляют 45%, оксидов азота - 9%, сернистого ангидрида - 0,5%, бензина - 0,13%, спирта метилового - 0,1%. В Республике Саха (Якутия) преобладают выбросы оксида углерода - 36%, оксидов азота -20%, сернистого ангидрида - около 10%. Наибольшие количества валовых выбросов приходятся на долю предприятий, расположенных в следующих городах: Норильск - около 2 млн.т., Никель - 130 тыс.т., Мончегорск - 110 тыс.т. Крупнейшими источниками загрязнения атмосферного воздуха являются Норильский ГМК, комбинаты "Североникель" и "Печенганикель", Уренгойское газопромысловое управление. К сказанному можно лишь добавить, что снижение загpязнения воздушной сpеды гоpодов может быть достигнуто как за счет понижения количества выбpосов отходящих газов и золы, так и более целесообpазной планиpовки, и в частности: • взаимного pазмещения селитебных зон и источников выбpоса в атмосфеpу с учетом пpеобладающего напpавления и силы ветpа; • оpганизации зон санитаpной охpаны и так называемых буфеpных зон, pасположенных между пpоизводственными комплексами, ГРЭС, головными сооpужениями ТЭЦ и жилыми гоpодскими кваpталами; • выбоpа под застpойку хоpошо пpоветpиваемых склонов, не подвеpженных пpоцессам инвеpсии и кумуляции загpязнений воздушной сpеды. 1.1.5. Дегpадация водных pесуpсов Любой гоpод является объектом пpедельно активно влияющим на состояние водных pесуpсов и снижение отpицательных последствий этого влияния является важнейшей задачей. О.Н.Яницкий приводит следующее свидетельство из нашей российской истории. Оно относится к обследованию в 1765 году Сенатской комиссией санитарного состояния г. Тулы. В частности, в материалах комиссии отмечается, что "...верх Упы, близ оружейных фабрик по берегу и от посадской стороны тульские купцы из кожевенных фабрик валят в воду и по берегу великими кучами дуб, отзол и прочую нечистоту и всегда моют кожи и шерсть, на берегу ж построены мясные ряды, где и бойницы... и вода имеет в себе большую гнилость... От такой наполненной смраду воды, употребляемой в пищу, делаются болезни, а сносят потому, что иногда по малому числу умирают, не входя в рассуждение, что от намножаемой в воде гнилости и таких сближенных в жилье худых от кожевен, сальных заводов и бойниц духов... могут быть и заразительные болезни, ибо при захождении солнца поднимаются от оной воды туманами дурные пары, кои не только людям, но и протчим животным весьма могут быть чувствительны, и от сего без вреда жителям быть не может". А вот современное состояние качества воды р. Упа. ниже г.Тулы. Среднее содержание фенолов здесь составило 15 ПДК, азота нитритного -1 ПДК, меди - 10 ПДК. Основные загрязнители - коммунальное хозяйство г.Тула, АК "Тулачермет", ПО "Комбайновый завод", машиностроительный завод, Косогорский мегкомбинат и другие производства и предприятия. Критическая обстановка с качеством воды сложилась в р. Неве и ее притоках, в С.-Петербурге, где отмечается ежегодное увеличение объема сброса загрязненных сточных вод. Он осуществляется через 400 выпусков от более чем 500 предприятий С.-Петербурга и его пригородов, многие из которых не имеют даже локальных очистных сооружений. По индексу загрязнения Нева относится к категории "умеренно загрязненных" рек. Постоянный рост уровня загрязнения ее воды создает трудности в водоснабжении населения города и пригородных поселков. Неудовлетворительная водоохранная обстановка - результат медленных темпов строительства городских очистных сооружений и сетей канализации. Существующие мощности из-за перегрузок обеспечивают недостаточную очистку только 24% объема загрязненных сточных вод. Основными загрязняющими веществами в водах реки Невы являются соединения меди, марганца, фенолы, нефтепродукты, органические вещества. В соответствии с российско-финляндской "Программой мер по сокращению загрязнения водных объектов и осуществлению водоохранных мероприятий в бассейне Балтийского моря и на других территориях, прилегающих к границе между Российской Федерацией и Финляндской Республикой" масса сброса загрязняющих веществ в бассейне реки должна быть сокращена на 50 % , однако из-за неудовлетворительного выполнения комплекса водоохранных мероприятий взятые Российской Федерацией международные обязательства поставлены под угрозу срыва. В северных регионах России и на территории Якутии наибольшее загрязнение водных источников связано с городами Новодвинском, сбрасывающим около 0,25 км3 загрязненных или недоочищенных сточных вод, Норильском - 10, км3, Архангельском - 0,1 км3, Северодвинском 0,04 км3.Во многих городах севера (Мончегорск, Североморск, Новодвинск, Норильск, Салехард, Якутск и др.) очистные сооружения не обеспечивают достаточную очистку поступающих стоков. Среди промышленных предприятий наибольшие объемы загрязненных сточных вод (км3) приходятся на: Архангельский ЦБК- 0,24; г. Новодвинск - 0,13; Кировское ПО Апатит 0,11; ПО Якутуголь 0,02.Наибольшие количества загрязняющих веществ по сухому остатку сбрасываются в Архангельской обл. - около 48,1 тыс. т/год, в Мурманской обл. - 146,5 тыс. т. По этому показателю лидируег среди городов Норильск - 83 тыс. т.На основании изложенного можно сделать вывод, что предприятия городов Мончегорск, Кировск, Заполярный, Ковдор Мурманской обл., городов Архангельск и Новодвинск Архангельской области и Норильска наносят наибольший ущерб водным ресурсам в регионах Арктики. 1.1.6. Загрязнение почв Е.И.Александровская отмечает, что локальное загрязнение почв в России началось еще в средневековье и наиболее значительным оно было в крупных городах. В частности, в почвах Москвы, относящихся к ХУ веку около Воскресенского моста и Иверских ворот было обнаружено повышенное содержание мышьяка, что объяснялось существовавшими здесь кожевенными или меховыми промыслами, в которых минералы мышьяка использовались в качестве депилляторов. К ХIII-XIX вв его содержание в почвах возросло до 74 мг/кг, при кларке в Земной коре около 2 мг/кг. Возможно, что это возрастание содержания мышьяка связано с использованием или изготовлением мышьяксодержащих красителей. Помимо мышьяка, в почвах территории древней Москвы накоплено свинца до 1321 мг/кг, при кларковом содержании в земной коре 13 мг/кг. Содержание меди при кларке 65 мг/кг и при обычном ее содержании в почвах Подмосковья 3-20 мг/кг достигает 106 мг/кг. Повышенные содержания меди также могли быть связаны с использованием медного купороса для изготовления красок или противоплесневого раствора. Однако, далеко не только соли тяжелых металлов составляют загрязнения почвенного профиля городов. Свою лепту вносят бытовой мусор, твердые и жидкие промышленные выбросы и отходы, в совокупности обуславливающие формирование в почвенном профиле патогенные организмы. Они подразделяются на следующие группы: • биологические агенты, выделяемые человеком и передаваемые другим лицам путем непосредственного контакта с загрязненной почвой или употреблении в пищу продуктов сельского хозяйства без надлежащей обработки; • биологические агенты выделяемые животными и передаваемые человеку путем прямого контакта с загрязненной почвой; • обитающие в почве микроорганизмы, в том числе - возбудители столбняка и ботулизма. Особенно неблагоприятно загрязнение почв в отношении детского населения городов. Именно дети, нередко играющего в так называемых песочницах аккумулирующих в себе, а то и просто, за их отсутствием, в придорожной пыли. 1.1.7. Геоэкологические проблемы городов Геоэкологические проблемы городов весьма разнообразны и определяются, с одной стороны, природной обстановкой и с другой - планировочными решениями и их реализацией в застройке и эксплуатации городских территорий. Также правомерно говорить о некоторых общих тенденциях изменения геоэкологической обстановки природной территории, по мере ее трансформации кварталами городской застройки и частными воздействиями, свойственных только тем или иным природным условиям застройки, тому или иному городу. В качестве наиболее общих тенденций изменения геоэкологических условий можно рассмотреть следующие композиции. Изменение водного баланса между поверхностными, грунтовыми и глубокими подземными водами. Наиболее обычным его следствием является повышение уровня грунтовых вод, вызываемое двумя однонаправленными процессами. Заменой естественного почвенного покрова застроенными и заасфальтированными территориями, что практически исключает из водного баланса испарение с поверхности почвы и протечки водопроводных и канализационных систем, круглогодично обеспечивающие возможность восполнения ресурсов грунтовых вод. Оба эти обстоятельства, в сочетании с планировкой территории, полной или частичной ликвидации естественных дрен, приводят к подъему зеркала грунтовых вод, подтапливанию оснований и фундаментов зданий и сооружений, снижению несущей способности грунтов основания и, как следствие, деформация, а в критических ситуациях - разрушение зданий и сооружений. В случаях, когда на территории города производится промышленная эксплуатация глубоких горизонтов подземных вод и возникает адекватная депрессионная воронка, при условии постоянного восполнения грунтового водоносного горизонта, о чем сказано выше, усиливается инфильтрация грунтовых вод в глубокие горизонты. Этот процесс активизации вертикального движения подземных вод сопровождается развитием процессов суффозии (выноса тонкоземистого материала) или карста (растворения и выщелачивания карбонатного материала известняков с образованием карстовых полостей). Нечто подобное наблюдается, в частности, на северозападе Москвы, где обнаружены новые горизонты карстования в карбонатных породах карбона, а карстовые полости распространились местами к самой застроенной поверхности города. • Изменение теплового баланса вызванное совокупностью многих причин, включая изменение альбедо подстилающей поверхности, представленной на преобладаюющей площади асфальтовыми покрытиями и кровлями зданий, степени ее освещенности и затененности в условиях многоэтажной застройки, сбросом тепла ГРЭС, ЦЭС, транспорта, зданий, канализационных стоков и горячей воды при протечках в системах теплоснабжения. И, как следствие - • Изменение температурного режима подземного пространства в основании города вследствие изменения теплового баланса поверхности и непосредственного влияния зданий, сооружений и городских коммуникаций. В частности, геотермическая аномалия порядка +15С0 сформировалась в основании Москвы, а повышенная температура подземных вод в пределах этой аномалии способствует еще большей активизации глубинных карстовых процессов и усугубляет без того сложное положение с эксплуатацией зданий и сооружений на северо-западе столицы. • Изменение геодинамической ситуации, вызванное дополнительной, и притом неравномерной пригрузкой поверхности за счет привнесенных масс материалов строительных конструкций, в пределах территории города. Этот фактор дополнительной пригрузки может сопровождаться также одновременной откачкой подземных вод, в случае их использовании для питьевых или технических целей. Как следствие на фоне общего опускания поверхности городов (под действием изостатических сил и изъятия подземных вод из порового пространства горных пород основания города), активизируются местные, очаговые оползневые и солифлюкционные процессы способные в условиях городской застройки привести к деформации зданий, и коммуникаций. Загрязнение подземного пространства и содержащихся там водоносных горизонтов за счет инфильтрации вод с поверхности улиц и дворов, протечек через неплотности конструкций дренажных канав и канализационных систем, просачивания атмосферных осадков через свалки твердого мусора. Особого внимания заслуживает развитие неблагоприятной инженерно-экологической ситуации городов и поселков, расположенных в мерзлотных условиях. Криогенные геологические процессы, развивающиеся в подобных условиях могут быть наиболее обстоятельно рассмотрены на примере Якутска - города, заложенного и построенного в крайне сложной геокриологической обстановке. Якутск расположен на поверхности аккумулятивных надпойменных террас реки Лены, сложенных супесчаными и суглинистыми мерзлыми (многолетнемерзлыми) породами, имеющими постоянную температуратуру порядка -40С. и содержащими в своем составе лед в форме основного цемента, а также шлировых выделений, ледяных линз и вертикальных клиньев (так называемых повторно-жильных льдов). Над мерзлыми породами располагается сезонноталый слой (слой сезонного оттаивания), глубина которого от поверхности измеряется несколькими десятками сантиметров - первыми метрами, в зависимости от состава грунтов, экспозиции склонов, условий обводненности (дренированности). В естественных условиях она определяется природными неровностями рельефа, в частности - впадинами озерно-старичной сети, расчленяющей поверхность террас и обеспечивавшими тем самым дренирование сезонно-талого слоя. Застройка города и связанная с этим обстоятельством перепланировка поверхности и коренное изменение водного баланса вызвала к жизни целый комплекс геокриологических процессов, последствия которых существенно осложняют условия строительства и, главное, надежность эксплуатации уже выстроенных зданий и комфортность проживания во многих из них. В частности: • Организация кварталов, ограниченных улицами привела к тому, что под улицами на которых либо убирается зимой снег, либо уплотняется транспортом, процессы охлаждения недр усиливается в сравнении с внутриквартальным пространством. В результате поверхность мерзлых пород по периферии кварталов становится приподнятой относительно внутриквартальной, а все внутриквартальное пространство оказывается отрезанным от природных дрен. При отсутсивии искусственного дренажа или неадекватной его эксплуатации возникают условия, способствующие подтоплению сезонноталого слоя внутриквартальных территорий со всеми расположенными там зданиями. Этому подтоплению способствуют протечки водопроводно-канализационных систем, поставляющих на территорию города и каждого его квартала дополнительные к осадкам количество влаги. • Постройка зданий, особенно повышенной этажности, приводит к изменению условий инсоляции поверхности и, как следствие, контрастированию температурных условий подземного пространства - относительному понижению отрицательных температур в пределах затененной поверхности и ее повышению под освещенной. В результате измениться свойства и несущая способность мерзлых пород основания зданий и сооружений, что в критических случаях может привести к деформации строительных конструкций. • Перепланировка поверхности, необходимая для организации городской территории, в частности - подсыпска грунта в основание строящихся зданий и сооружений в сочетании с протечками воды из технических этажей, водопроводов и канализационных систем также способствует подтоплению ранее построенных домов, дворов и даже уличных проездов. • Систематическое подтопление внутриквартальных территорий, включая грунты оснований расположенных там зданий и сооружений, приводит, в свою очередь, к повышению температур грунтов основания и их переходу из мерзлого состояния в талое, либо из прочномерзлого в вяломерзлое. В первом случае, если строительство велось по первому принципу - с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии, деформации здания, вплоть до его разрушения неизбежны, во втором - их вероятность существенно возрастает. • Нарушение геохимического баланса поверхности, грунтов основания и конструкций зданий и сооружений - еще один геоэкологический процесс, происходящий в экстремальных климатических условиях севера и оказывающий решающее влияние на длительную устойчивости надземных строительных конструкций. Его суть состоит в том, что в условиях Центральной Якутии на территории которой испаряемость существенно превышает количество осадков, при устойчивом подтоплении внутриквартальных территорий и отсутствии дренажа надмерзлотных вод, удаление какой то части излишней влаги с поверхности и из грунтов сезонноталого слоя происходит в результате ее испарения. Испарение, в свою очередь, приводит к последовательному и непрерывному возрастанию минерализации надмерзлотных вод. Однако известно, что чем выше минерализация воды, тем более низкие температуры потребны для ее замерзания. Следствие этого процесса - сохранение остаточных или формирование новых линз жидкой воды, имеющей отрицательную температуру, существующих круглогодично. Такие отрицательнотемпературные воды получили название криопэги от латинского криос - холод, и пэги - воды. В условиях переменных температур грунтов верхней части геологического разреза, а амплитуда их температур в Центральной Якутии приближается к 100 Со, минерализация воды в таких линзах не остается постоянной но меняется, возрастая при ее охлаждении и понижаясь при повышении температуры воды. Адекватно меняются и объемы линзы криопэгов - часть воды при понижении ее температуры замерзает, отдавая часть растворенных солей остающейся влаги, для того, чтобы при повышении температуры вновь произошло оттаивание очередных порций надмерзлотных вод или грунтового льда-цемента. В результате такой "гармоники" температур и объемов воды, линзы криопэгов мигрируют в подземном пространстве в направлениях более высоких относительных температур и более льдистых грунтов. Подобная миграция линз криопэгов в случае, если линза переместится в основание здания может привести к деформации фундамента и самого здания. Физико-химическое выветривание, известное из школьных учебников - еще один реальный геологический процесс, существенно осложняющий эксплуатацию зданий и сооружений. Его суть, в конкретных условиях северного города, сводится к следующему. В результате недостаточной гидроизоляции от надмерзлотных вод стен зданий, построенных из кирпича, шлакоблоков и других подобных строительных материалов, происходит капиллярное подтягивание влаги к рантбалке и далее в материал стены. В результате понижения - повышения температур по сезонам года, в дневное и ночное время, происходит протаивание-промерзание этой воды, причем в области отрицательных температур. При замерзании капиллярной влаги часть растворенных в ней солей, в первую очередь - гидрокарбонатов кальция и магния, переходит в нерастворимый осадок. Агрессивность воды по отношению к бетону возрастает, что приводит к растворению уже новых порций материала конструкции. Этот процесс происходит на фоне непрерывного замерзания-оттаивания воды в порах конструкционных материалов, сопровождается эффектом отслоения какой то их части, вплоть до полного разрушения стены, реже части рантбалки или свайного основания. Однако геохимические процессы, в сочетании с промерзанием-протаиванием грунтов, воздействуют не только на здания и сооружения, но также и на подземные коммуникации - электрические и телефонные кабели, водопроводные и канализционные сети. Высочайшая агрессивность надмерзлотных вод по отношению к бетону и металлу вызывает коррозию железных и стальных труб, изоляции кабелей, а растягивающие усилия, возникающие в результате смерзания линейных подземных конструкций с грунтом и понижения температур последнего зимой, приводит к морозному растрескиванию грунтов и разрыву конструкций в зоне такого растрескивания. Выпучивание деревянных свайных оснований старого города - еще один геологический процесс, существенно влияющий на состояние дорожного полотна и тротуаров, приводящий к нарушению балластной подушки и асфальтового покрытия. Его возникновение также связано с изменением воднотеплового баланса грунтов основания дороги. Таков комплекс инженерных геоэкологических процессов существенно осложняющих строительство и, в особенности, эксплуатацию зданий, сооружений и инженерных коммуникаций, приводящий к высокой их аварийности, многократно увеличивающий ассигнования, потребные на ремонтно-восстановительные работы. 1.1.8. Комплексное воздействие городов на природную среду Наиболее обстоятельный анализ комплексного воздействия городов на природную среду реализуется в настоящее время Институтом географии СО РАН в Иркутске и Центром практической геоэкологии (ЦПГ) в Москве. В частности, ЦПГ осуществляет такой анализ на основе оценки экологического состояния и функционального зонирования городской территории Москвы. Основная цель функционального зонирования - выделение в пределах города относительно однородных по природным особенностям и техногенной нагрузке участков на предмет хозяйственного их использования с учетом геоэкологической ситуации. Предложенная методика функционального зонирования базируется на природоохранных принципах: • степени естественной защищенности территории от негативных процессов и явления, сопровождающих техногенное вмешательство; • степени воздействия различных объектов городской инфраструктуры на элементы природного комплекса. Подобный подход к зонированию городской территории, опирающийся не только на анализ условий застройки, но также и на характер природных условий, определен как функционально - геоэкологическое зонирование. Термины, определения, базовые положения: "Расползание гоpодов" - спонтанный рост пллощади городской застройки, происходящий в следствие увеличения численности населения, во многом вследствие положительных миграционных потоков. Состав и напряженность экологических проблем города зависит от: его масштаба, природных условий городской территори и окружающей местности, характера и масштабов производства, особенностями геоэкологической ситуации, совершенством инженерных сетей и коммуникаций, уровнем культуры горожан. Биосферная компонента города включает в себя, помимо человека, все виды зеленых насаждений, городские популяции животных - голубей, воробьев, ворон, галок, водоплавающих птиц, зимующих на проталинах водных объектов, крыс и мышей, "одомашненных" насекомых, таких как комары, блохи и тараканы, клопы, наконец микробного и вирусного населения многоэтажных зданий и городских квартир. Преобразования геоэкологических условий в пределах городских территорий выражаются в изменении: водного баланса между поверхностными, грунтовыми и глубокими подземными водами, теплового баланса и температурного режима атмосферы, геодинамической ситуации, почвенно-грунтовых условий, состояния подземного пространства в основании города. Пpотивоpечия, осложняющие оптимизацию экологических условий городской среды формируются между: планиpовочными подходами, тpебующими сближения пpоизводств и селитебных зон, сокpащения буферных и рекреационных территорий; многосторонними и не всегда совпадающими социальными потребностями горожан, позициями стpоительных фиpм, интеpесы котоpых во многом опpеделяются тpанспоpтной доступностью стpойучастков, близостью или отдаленностью существующих коммуникаций, также стоимостью земли, диспропорцией имущественного обеспечения горожан. Расползание гоpодов вызывает : сокращение сельскохозяйственных угодий; интенсификацию использования энеpгетических pесуpсов, вплоть до их истощения; ухудшение состояния воздушной сpеды; дегpадацию водных pесуpсов; утpату и сокpащение мест отдыха, а также зеленых масивов внутpи и по пеpифеpии гоpодов; возникновение и воздействие на организм человека электpомагнитных излучений; изменение микpоклиматических условий; осложнение инженеpных геоэкологических условий pазвития и эксплуатации гоpода, жилых и пpомышленных зданий, сооpужений и инженеpных систем, активизация и появление многих новых, не свойственных данной местности, инженеpно-геологических пpоцессов; осложнение зооэкологической обстановки; осложнение санитаpно-гигиенической и эпидемиологической обстановки; возникновение и усиление социальной напpяженности. 3.3. Здоровье человека и среда обитания 1.1.9. Особенности жизнедеятельности современного человека Здоровье и факторы риска. 1.1.10. Элементы экологии внутренней среды человека. 1.1.11. Вредные привычки и деградация генофонда человечества. 4. Раздел Охрана природы и рациональное природопользование 4.1. Рациональное природопользование – основа экологической безопасности человечества. Природоохранное законодательство 1.1.1. Понятие об экологической безопасности Безопасность – это состояние защищенности жизненно важных интересов личности, общества и государства от внутренних и внешних угроз. В конце ХХ века человечество осознало, что существуют пределы эксплуатации природных ресурсов, пределы устойчивости экосистем, их саморегуляции и безопасность каждого живого существа на планете, в том числе и человека, зависит в первую очередь от благополучия среды его обитания, т.е. от экологической безопасности. Экологическая безопасность – состояние защищенности жизненно важных экологических интересов человека, прежде всего его прав на чистую, здоровую, благоприятную для жизни окружающую природную среду, возникающее при достижении сбалансированного сосуществования окружающей природной среды и хозяйственной деятельности человека, когда уровень нагрузки на природную среду не превышает ее способности к самовосстановлению. Объектами экологической безопасности являются геосоциоэкосистемы различного уровня: глобального, национального, регионального, местного, уровня отдельного предприятия или человека, подвергаемые экологическим угрозам, под которыми понимают «прогнозируемые последствия или потенциальные сценарии развития событий катастрофического характера, которые обусловлены изменениями состояния окружающей среды и способны нанести вред жизненно важным интересам личности, общества, государства, мирового сообщества». (А. Муравых, 2001г.) Экологические угрозы подразделяются на внешние и внутренние. Внешние экологические угрозы для государства: • трансграничный перенос вредных веществ; • глобальное изменение климата; • разрушение озонового экрана; • разрушение токсичных, радиоактивных и других видов отходов на территории государства; • варварская эксплуатация экосистем и др. Если экологическая угроза исходит от одного государства в адрес другого, то можно говорить об экологической агрессии одной страны по отношению к другой. Внутренние экологические угрозы – обусловлены внутренней политикой и деятельностью государства, его структур и хозяйствующих субъектов и проявляется в хищнической эксплуатации природных ресурсов и загрязнении среды. Т.о. экологическая безопасность является составной частью государственной, национальной безопасности. 1.1.2. Техногенные системы и их взаимодействие с окружающей средой Современная научно-техническая революция значительно усложняет взаимоотношения между обществом, производством и природой. Современные масштабы производственной деятельности, объемы которой удваиваются каждые 15 лет, обусловливают изменение качества природной среды и ее ресурсов. Многие результаты производственной деятельности имеют отрицательное воздействие на природную среду: загрязнение воздушного и водного бассейнов, почвы, тепловое загрязнение, повышенный уровень шума, ионизирующего излучения и многое другое. Подход к решению данной проблемы состоит в том, чтобы определить пределы устойчивости биосферы, равновесия природных систем, выявить основные аспекты влияния хозяйственной деятельности человека на естественные процессы в биосфере и предотвратить их негативное влияние. В результате хозяйственной деятельности человека формируются своеобразные нообиогеоценозы. К ним относятся технобиогеоценозы, создаваемые в процессе развития промышленных предприятий; агроценозы, создаваемые в результате сельскохозяйственной деятельности; урбабиогеоценозы — образуются в результате строительства городов, поселков, транспортных коммуникаций. Нообиогеоценоз в отличие от биогеоценоза включает в себя дополнительное, равноправное сообщество, называемое нооценозом. Нооценоз — это совокупность сообществ людей, средств труда и продуктов труда. Для удовлетворения своих материальных потребностей и обеспечения жизнедеятельности общество должно создать средства существования. Эту роль выполняют средства труда, посредством которых общество взаимодействует с природой. Результатом этого взаимодействия являются продукты труда. Поскольку основным процессом, определяющим взаимодействия общества и природы в техногенных системах является процесс труда, наибольшее внимание при изучении взаимоотношений в системе «общество — природа» должно уделяться технологическим процессам и тем изменениям, которые они вызывают в природной среде. При появлении в структуре экологической системы объектов промышленного производства, оказывающих влияние на ее функционирование, возникает новая искусственная экологическая система, называемая природно-промышленной или техногенной системой. Создание природно-промышленных систем или техногенных систем должно основываться на экологических знаниях. Если основой нообиогеоценоза служит биогеоценоз, то элементы нооценоза должны подбираться таким образом, чтобы они вписывались в те круговороты веществ и энергий, которые существуют в данном регионе в природе и не привели к гибели биогеоценозов и деградации окружающей среды. В структуру техногенной системы входят относительно устойчивые и самостоятельные, функционирующие как единое целое на основе определенного типа обмена веществом, энергией и информацией промышленные, коммунальные, бытовые, природные, аграрные и др. объекты. Границы техногенной системы определяются границами зоны влияния промышленных предприятий, входящих в систему, на окружающую среду. Главным компонентом техногенной системы, определяющим направление деятельности и характер ее воздействия на окружающую среду, является ее промышленное звено. В структурной схеме промышленного звена выделяются объекты основного производства, предприятия вспомогательного производства, объекты энергетики, организации по строительству и реконструкции действующих промышленных предприятий. Продукцией промышленного звена считается вся продукция, которая отправляется за пределы природно-промышленного комплекса, а также предназначенная для удовлетворения собственных нужд и поддержания заданной продуктивности системы. К продуктам промышленного звена относятся и отходы производства: газообразные, жидкие, пылевидные промышленные выбросы, тепловые потоки и шум, загрязняющие окружающую среду. Вспомогательные производства включают в себя организации, деятельность которых связана с обслуживанием основного производства. В него входят ремонтно-механическая база, промышленный транспорт, склады готовой продукции, сырья и оборудования, а также предприятия, обеспечивающие строительство новых и реконструкцию действующих основных предприятий, энергетических объектов, транспортных магистралей. Коммунально-бытовое звено обеспечивает жизнедеятельность людей, занятых в промышленности и на предприятиях по производству сельскохозяйственной и другой продукции природно-промышленного комплекса. Основными объектами этого звена являются: селитебная зона, предприятия питания, торговли, медицинские учреждения, общественный транспорт, культурные и учебные заведения, рекреационные объекты (парки, стадионы, пляжи и т.д). Продукцией коммунально-бытового звена считаются продукты, потребляемые населением, а также отходы и выбросы коммунально-бытовых предприятий. Основная особенность экологической системы, в составе которой функционирует природно-промышленный комплекс, состоит в том, что практически все компоненты этой системы находятся под постоянным воздействием промышленных предприятий и испытывают на себе их влияние. Сельскохозяйственные, лесные и другие угодья, расположенные на территории техногенной системы, как правило, снижают свою продукцию, а иногда полностью деградируют. В этой связи наиболее рациональным является выделение под промышленные комплексы неплодородных земель. На территории природно-промышленных комплексов страдает и качество сельскохозяйственной продукции. Это происходит потому, что определенная часть промышленных выбросов может вовлекаться в естественный круговорот веществ природных сообществ и попадать в организм человека, который является звеном в экологической цепи. Поэтому сельскохозяйственные угодья, расположенные на территории промышленных комплексов, должны оцениваться не только по продуктивности, но и по качеству получаемой продукции. В экологическом аспекте особо важно определить пути распространения выбросов и отходов производства в экологической системе, выявить их долю в общем круговороте веществ, оценить качественные и количественные изменения, происходящие в природных объектах, провести экспертную оценку воздействия различных технологий на окружающую среду и выбрать наиболее целесообразные с этих точек зрения. Особая роль в решении этих задач принадлежит инженерной экологии, которая определяет интенсивность взаимодействия техногенной системы с окружающей средой, степень его рациональности и комплексности. Инженерная экология, используя специальные методики, представляет сложную научно-техническую информацию о состоянии природно-промышленной системы, ее границах, степени влияния собственно на природную среду, перспективах ее развития. 1.1.3. Государственное регулирование природопользования. Областью взаимодействия производства и окружающей среды является природопользование. Основными принципами природопользования являются экономический и социоэкологический. Экономический принцип природопользования возник на заре человечества и существует до сего времени. Он ориентирован на получение максимальной экономической прибыли при минимальных затратах и минимальном экономическом ущербе для природной среды. Этот ущерб компенсируется способностью среды к гомеостазу при уровне антропогенного воздействия не превышающем способность среды к самовосстановлению. Однако ошибки при оценке минимальности экологического ущерба и способности среды к самовосстановлению привели к тяжелым (а иногда и невозвратимым) потерям для биосферы. Все это потребовало переосмысления норм взаимодействия социума с природной средой и разработки новой системы взаимоотношений. В конце ХХ века сформировался новый принцип хозяйствования – социоэкологический. В его основе лежит получение максимального экономического результата при минимальных затратах и при обязательном сохранении динамического равновесия биосферы и высокого качества окружающей природной среды. Экстенсивное природопользование, с которого начинает свою историю каждая цивилизация, должно смениться интенсивным, в основе которого лежит равновесное природопользование при котором общество контролирует все стороны своего развития, чтобы совокупная антропогенная нагрузка на среду не превышала самовосстановительного потенциала природных экосистем. В противном случае цивилизация либо переходит к застойным формам существования либо погибает. 1.1.4. Основные положения экологического законодательства Законодательство в области экологической безопасности представляет сложную систему, включающую все нормативно-правовые акты и нормы законодательства страны, предметом регулирования которых являются общественные отношения по сохранению, восстановлению и улучшению объектов окружающей среды непосредственно или в прямом опосредованном реальном проявлении к ним. Конституция РФ от 12.12.1993 года в ст. 42 впервые закрепляет право граждан на благоприятную природную среду. Кроме того, в ст. 58 содержится положение об обязанности каждого гражданина «сохранять окружающую природную среду, бережно относиться к ее природным богатствам». Обеспечение экологической безопасности на территории России, формирование и укрепление экологического правопорядка основаны на действии с марта 1992 г. Федерального закона «Об охране окружающей природной среды» в комплексе с мерами организационного, правового, экономического и социального воздействия. Закон содержит свод правил охраны окружающей природной среды в новых условиях хозяйственного развития и регулирует природоохранительные отношения в сфере всей природной среды, не выделяя ее отдельные объекты, охране которых посвящено специальное законодательство. Задачами природоохранительного законодательства являются: охрана природной среды (а через нее и здоровья человека); предупреждение вредного воздействия хозяйственной или иной деятельности; оздоровление окружающей природной среды, улучшение ее качества. Эти задачи реализуют через три группы норм: • нормативы качества окружающей среды; • экологические требования к хозяйственной и иной деятельности, влияющей на окружающую среду; • механизм исполнения этих требований. К нормативным качествам окружающей природной среды относятся предельно допустимые нормы воздействия (химического, физического, биологического): ПДК вредных веществ, ПДВ, ПДС, нормы радиационного воздействия, нормы остаточных химических веществ в продуктах питания и др. Нормативы утверждаются специально уполномоченными органами государства (в частности, Минздравом России) и обязательны для всех хозяйствующих субъектов. Экологические требования предъявляются всем хозяйствующим субъектам независимо от форм собственности и подчиненности, гражданам РФ. Органы охраны окружающей среды и санэпиднадзора имеют право экологического контроля и наложения запрета деятельности на всех стадиях - проектирования, размещения, строительства, ввода в эксплуатацию, эксплуатации объектов. Закон гарантирует право граждан на здоровую и благоприятную природную среду, закрепляет полномочия граждан и общественных экологических объединений в охране окружающей природной среды: требовать предоставления экологической информации, назначения экологической экспертизы, обращаться в административные и судебные органы с заялением о приостановлении или прекращении деятельности экологически вредных объектов, обращаться с исками о возмещении вреда, причиненного здоровью и имуществу. Основные положения производственного экологического контроля были введены Постановлением Правительства СССР в 1968 года «О мерах по дальнейшему улучшению здравоохранения и развитию медицинской науки в стране». Постановление предусматривало организацию лабораторий для постоянного контроля за соблюдением санитарно-гигиенических нормативов в цехах, а также за загрязнением атмосферного воздуха, почвы и водоемов промышленными выбросами. В соответствии с Федеральным законом «О предприятиях и предпринимательской деятельности» 1990 года предприятия получили самостоятельность в определении структуры и финансирования своих подразделений. Однако обязанностью всех предприятий и предпринимателей является проведение экологического контроля производства и недопущение загрязнения окружающей среды; выпуск продукции, не приносящей вреда здоровью человека. Федеральный закон «Об охране окружающей природной среды» дополняется законодательными актами, конкретизирующими его положения. В 1992 году принят «Порядок разработки и утверждения экологических нормативов выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую природную среду, лимитов использования природных ресурсов, размещения отходов», В 1994 году — «О государственной стратегии РФ по охране окружающей среды и обеспечению, устойчивого развития». 23 ноября 1995 года вступил в действие Федеральный закон «Об экологической экспертизе», а 26 февраля 1996 года Правительство РФ Постановлением № 168 утвердило «Положение о лицензировании отдельных видов деятельности в области охраны окружающей среды». Регулирование отдельных аспектов экологической безопасности производится на основе новейшего средоохранительного и природноресурсового законодательства: Лесного кодекса РФ, Водного кодекса РФ, ФЗ «О животном мире», ФЗ «О недрах», ФЗ «Об охране атмосферного воздуха», ФЗ «Об особо охраняемых природных территориях». 1.1.5. Правовые аспекты охраны лесов Лесное законодательство Российской Федерации направлено на обеспечение рационального и неистощительного использования лесов, их охрану, защиту и воспроизводство, исходя из принципов устойчивого управления лесами и сохранения биологического разнообразия лесных экосистем, повышения экологического и ресурсного потенциала лесов, удовлетворения потребностей общества в лесных ресурсах на основе научно обоснованного, многоцелевого использования. Государственное управление в области использования, охраны, защиты лесного фонда и воспроизводства лесов основывается на принципах: • устойчивого развития (сбалансированного развития экономики и улучшения состояния окружающей природной среды); • рационального, непрерывного, неистощительного использования лесного фонда в интересах Российской Федерации и субъектов Российской Федерации; • несовместимости реализации функций государственного управления в области использования, охраны, защиты лесного фонда и воспроизводства лесов с осуществлением рубок главного пользования и переработки полученной древесины. Леса подлежат охране от пожаров, незаконных рубок (прорубок), нарушения установленного порядка лесопользования и других действий, причиняющих вред лесному фонду и не входящим в лесной фонд лесам, а также защите от вредителей и болезней леса. Охрана и защита лесов осуществляются с учетом их биологических и иных особенностей и включают в себя комплекс организационных, правовых и других мер по рациональному использованию лесного фонда и не входящих в лесной фонд лесов, сохранению лесов от уничтожения, повреждения, ослабления, загрязнения и других негативных действий. Охрана и защита лесов осуществляется наземными и авиационными методами лесхозами федерального органа управления лесным хозяйством, базами авиационной охраны лесов и другими организациями федерального органа управления лесным хозяйством. Основными задачами охраны лесов от пожаров являются: предупреждение лесных пожаров, их обнаружение, ограничение распространения и тушение. В целях защиты лесного фонда и не входящих в лесной фонд лесов от вредителей и болезней леса лесопользователи обязаны: • проводить работы способами и с соблюдением технологий, которые обеспечивают улучшение санитарного состояния лесного фонда и не входящих в лесной фонд лесов; • не допускать распространения вредителей и болезней леса на участках лесного фонда и не входящих в лесной фонд лесов, на которых ими осуществляется лесопользование; • осуществлять мероприятия по защите лесного фонда и не входящих в лесной фонд лесов от вредителей и болезней леса, предусмотренные договором аренды участка лесного фонда, договором концессии участка лесного фонда, лесорубочным билетом, ордером, лесным билетом; • оказывать помощь лесхозам федерального органа управления лесным хозяйством в осуществлении мероприятий по защите лесного фонда от вредителей и болезней леса; • своевременно информировать лесхозы федерального органа управления лесным хозяйством о появлении в лесном фонде вредителей и болезней леса. 1.1.6. Основные правовые принципы и положения в области охраны животного мира Основными принципами в области охраны и использования животного мира, сохранения и восстановления среды его обитания являются: • обеспечение устойчивого существования и устойчивого использования животного мира; • поддержка деятельности, направленной на охрану животного мира и среды его обитания; • осуществление пользования животным миром способами, не допускающими жестокого обращения с животными, в соответствии с общими принципами гуманности; • недопустимость совмещения деятельности по осуществлению государственного контроля за использованием и охраной животного мира и среды его обитания с деятельностью по использованию объектов животного мира; • привлечение граждан и общественных объединений к решению задач в области охраны, воспроизводства и устойчивого использования объектов животного мира; • отделение права пользования животным миром от права пользования землей и другими природными ресурсами; • платность пользования животным миром; • приоритет международного права в области использования и охраны животного мира, охраны и восстановления среды его обитания. В целях сохранения и воспроизводства объектов животного мира и среды их обитания осуществление отдельных видов пользования животным миром, а также пользования определенными объектами животного мира могут быть ограничены, приостановлены или полностью запрещены на определенных территориях и акваториях или на определенные сроки решением исполнительной власти Российской Федерации или органа исполнительной власти субъекта Российской Федерации в пределах их компетенции по представлению соответствующего специально уполномоченного государственного органа по охране, контролю и регулированию использования объектов животного мира и среды их обитания. 1.1.7. Основные принципы государственного законодательства в области охраны атмосферного воздуха Государственное управление в области охраны атмосферного воздуха основывается на следующих принципах: • приоритет охраны жизни и здоровья человека, настоящего и будущего поколений; • обеспечение благоприятных экологических условий для жизни, труда и отдыха человека; • недопущение необратимых последствий загрязнения aтмосферного воздуха для окружающей природной среды; • обязательность государственного регулирования выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и вредных физических воздействий на него; • гласность, полнота и достоверность информации о состоянии атмосферного воздуха, его загрязнении; • научная обоснованность, системность и комплексност подхода к охране атмосферного воздуха и охране окружающей природной среды в целом; • обязательность соблюдения требований законодательства Российской Федерации в области охраны атмосферного воздуха, ответственность за нарушение данного законодательства. В целях определения критериев безопасности и (или) без вредности воздействия химических, физических и биологических факторов на людей, растения и животных, особо охраняемые территории и объекты, а также в целях оценки состояния атмосферного воздуха устанавливаются гигиенические и экологические нормативы качества атмосферно го воздуха и предельно допустимые уровни физических воз действий на него. Гигиенические и экологические нормативы качества атмосферного воздуха, предельно допустимые уровни физических воздействий на атмосферный воздух устанавливаются и пересматриваются в порядке, определенном Правительством Российской Федерации. Выброс вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух стационарными источниками допускается на основании разрешения, выданного территориальным органом специально уполномоченного федерального органа исполнительной власти в области охраны атмосферного воздуха в порядке, определенном Правительством Российской Федерации. Разрешением на выброс вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух устанавливаются предельно допустимые выбросы и другие условия, которые обеспечивают охрану атмосферного воздуха. При изменении состояния атмосферного воздуха, которое вызвано аварийными выбросами вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и при котором создается угроза жизни и здоровью человека, принимаются экстренные меры по защите населения в соответствии с законодательством Российской Федерации о защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. 1.1.8. Основы реализации, цели водного законодательства Российской Федерации Водное законодательство Российской Федерации регулирует отношения в области использования и охраны водных объектов в целях обеспечения прав граждан на чистую воду и благоприятную водную среду; поддержания оптимальных условий водопользования; качества поверхностных и подземных вод в состоянии, отвечающем санитарным и экологическим требованиям; защиты водных объектов от загрязнения, засорения и истощения; предотвращения или ликвидации вредного воздействия вод, а также сохранения биологического разнообразия водных экосистем. Цели водного законодательства Российской Федерации реализуются на основе принципа устойчивого развития (сбалансированного развития и улучшения состояния окружающей природной среды). Государственное управление в области использования и охраны водных объектов основывается на принципах: • устойчивого развития (сбалансированного развития экономики и улучшения состояния окружающей природной среды); • сочетания рационального использования и охраны всего бассейна водного объекта и его части в границах территорий отдельных субъектов Российской Федерации (сочетание бассейнового и административно-территориального принципов); • разграничение функции управления в области использования и охраны водных объектов и функций их хозяйственного использования. Использование отдельных водных объектов или их частей может быть ограничено, приостановлено или запрещено в целях обеспечения защиты основ конституционного строя, обороны страны или безопасности государства, охраны здоровья населения, окружающей природной среды и историко-культурного наследия, прав и законных интересов других лиц в соответствии с законодательством Российской Федерации. Ограничение, приостановление или запрещение использования водных объектов устанавливаются Правительством Российской Федерации или органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации по представлению специально уполномоченного государственного органа управления, использованием и охраной водного фонда, согласованного с государственным органом управления использованием и охраной недр, специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, государственным органом санитарно-эпидемиологического надзора и органом управления использованием и охраной рыбных ресурсов. Поддержание поверхностных и подземных вод в состоянии, соответствующем экологическим требованиям, обеспечивается установлением и соблюдением нормативов предельно допустимых вредных воздействий на водные объекты. Нормативы предельно допустимых вредных воздействий на водные объекты устанавливаются законодательством Российской Федерации об охране окружающей природной среды и водным законодательством Российской Федерации. Нормативы предельно допустимых вредных воздействий на водные объекты устанавливаются исходя из: • предельно допустимой величины антропогенной нагрузки, длительное воздействие которой не приведет к изменению экосистемы водного объекта; • предельно допустимой массы вредных веществ, которая может поступить в водный объект и на его водосборную площадь. Основным принципом экономического регулирования использования, восстановления и охраны водных объектов является плотность водопользования. Экономическое регулирование использования, восстановления и охраны водных объектов предусматривает создание систем: • платежей, связанных с пользованием водными объектами; • финансирования восстановления и охраны водных объектов; • экономического стимулирования рационального использования, восстановления и охраны водных объектов. 1.1.9. Кадастры природных ресурсов Тщательный учет имеющихся природных ресурсов есть непременный признак процветающего государства. Свод экономических, экологических, организационных и технических показателей, характеризующих количество и качество природного ресурса, состав и категории природопользователей, называется кадастром природного ресурса. Единого кадастра природных ресурсов не существует. Кадастры представлены по видам природного ресурса. Через определенное время кадастры обновляются. Данные кадастровой оценки используются при планировании использования ресурса, для оценки степени рациональности использования, при определении платежей за ресурс и т.д. Разработаны следующие виды кадастров. Земельный кадастр включает сведения о природном и хозяйственном использовании земель, их состоянии, учет их количества и качества, данные регистрации землепользователей (собственников, пользователей, арендаторов), рекомендации по эффективному использованию и охране земель и т.д. Водный кадастр – это свод сведений о водах региона или бассейна, содержащий данные о реках, озерах, прудах, болотах, морях, ледника, включающий также данные о режиме, качестве и использовании вод и водопользователях. Он состоит из трех разделов: 1. поверхностные воды; 2. подземные воды; 3. использование вод. Лесной кадастр – свод данных о лесах, качественном составе, запасах древесины, ежегодном ее приросте, степени вовлечения лесов в эксплуатацию. Кадастр месторождений полезных ископаемых – содержит сведения о местонахождении, количестве, качественном составе природных ископаемых, их ориентировочной стоимости, степени использования и т.д. Природно – заповедный фонд – данные о особо охраняемых природных территориях, их площади, географическом положении, фито-, зоо- и микробиоценозах заповедных территорий, возможностях их использования в качестве рекреационных территорий и т.д. Реестр охотничьих животных – включает данные о видах животных, на которых разрешена охота, их количестве, распространении, указаны сроки разрешенной охоты, количество отстрела или отлова, способы охоты и др. Реестр рыбных запасов - включает данные о видах промысловых и непромысловых рыб, их ареалах, объемах рыбных запасов, а также сроках и объемах отлова, квотах на рыбную ловлю и т.д. Красная книга - является официальным документом, содержащим свод сведений о редких исчезающих видах животных и растений, а также необходимых мерах по их охране и восстановлению. Формы управления природопользованием – перечислены и описаны все субъекты природопользования, виды и способы использования а также формах управления использованием природных ресурсов. Реестр загрязнений - содержит сведения о видах, источниках загрязнений, состоянии природной среды различных территорий и т.д. В последнее время встал вопрос о необходимости учета размещения промышленных отходов по составу и степени токсичности, а также регистрации загрязнений окружающей среды – ксенобиотиков, препаратов бытовой химии, лекарств, пестицидов и т.д., т.е.чужеродных для организмов соединений, которые попадая в организмы могут вызвать их гибель а также нарушение процессов в биосфере. Т.о. возникла необходимость создания реестра (кадастра) отходов. Объектом регистрации должны быть все опасные и потенциально опасные вещества, как производимые на территории России, так и ввозимые из-за рубежа. Источником сведений для составления и пополнения кадастров служит сеть наблюдательных постов, режимных станций, специальных экспедиций. Разработка и внедрение таких кадастров позволяют создать в нашей стране базу для решения проблем ресурсосберегающих технологий и рационального использования природных ресурсов. 1.1.10. Особо охраняемые природные территории В наибольшей степени биологическое и ландшафтное разнообразие сохраняется на особо охраняемых природных территориях (ООПТ). Поэтому увеличение их площадей, обеспечение установленного режима и реальной охраны является одним из приоритетных направлений в работе по сохранению природной среды. ООПТ предназначены для сохранения типичных и уникальных природных ландшафтов, разнообразия животного и растительного мира, охраны объектов природного и культурного наследия. Полностью или частично изъятые из хозяйственного использования, они имеют режим особой охраны, а на прилегающих к ним участках земли и водного пространства могут создаваться охранные зоны или округа с регулируемым режимом хозяйственной деятельности. На территориях государственных природных заповедников, национальных парков и на других особо охраняемых природных территориях охрана животного мира и среды его обитания осуществляется в соответствии с режимом особой охраны данных территорий, который устанавливается Федеральным законом «Об особо охраняемых природных территориях». Федеральный закон регулирует отношения в области использования особо охраняемых территорий в целях сохранения уникальных и типичных природных комплексов и объектов, достопримечательных природных образований, объектов растительного и животного мира, их генетического фонда, изучения естественных процессов в биосфере и контроля за изменением ее состояния, экологического воспитания населения. Особо охраняемые природные территории — участки земли, водной поверхности и воздушного пространства над ними, где располагаются природные комплексы и объекты, которые имеют особое природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, которые изъяты решениями органов государственной власти полностью или частично из хозяйственного использования и для которых установлен режим особой охраны. Особо охраняемые природные территории относятся к объектам общенационального достояния. Различают следующие основные категории указанных территорий: – государственные природные заповедники, в том числе биосферные; – национальные парки; – природные парки; – государственные природные заказники; – памятники природы; – дендрологические парки и ботанические сады; – лечебно-оздоровительные местности и курорты; – объекты всемирного наследия. Сохранение и развитие особо охраняемых природных территорий является одним из приоритетных направлений государственной экологической политики Российской Федерации Гоударственные природные заповедники Заповедники - образцы нетронутой, дикой природы. Их основная задача состоит в строжайшей охране эталонов дикой природы соответствующей зоны и ландшафтов для сравнения и анализа тех изменений, которые вносит в природу человек. Необходимо помнить, что сбережение всех видов животных и растений, обитающих на земле, имеет важное научное и практическое значение. Это тот драгоценный генетический фонд, который может оказаться крайне необходимым человечеству. При организации сети заповедников в основу были положены научные принципы, не утратившие своего значения и в настоящее время. Выбираемые под заповедники территории были в наименьшей степени изменены под влиянием хозяйственной деятельности человека. Природные комплексы заповедников включали редкие виды животных и растений (или редкие экосистемы). Заповедники служили образцами ландшафтно-географических зон. Территории заповедников были достаточны для обеспечения саморегуляции происходящих природных процессов. В первую очередь заповедовались “эталоны” тех ландшафтов, которым угрожала опасность исчезновения. В Российской Федерации наиболее традиционной формой территориальной охраны природы, имеющей приоритетное значение для сохранения биологического разнообразия, являются государственные природные заповедники. Система государственных заповедников как эталонов ненарушенных природных территорий является предметом заслуженной гордости отечественной науки и природоохранного движения России. Сеть заповедников создавалась в течение восьми десятилетий. На 2000г в России 99 государственных природных заповедника общей площадью 33,152 млн. га, в том числе сухопутные (с внутренними водоемами) – 26,678 млн. га, что составляет 1,56% территории России. Заповедники расположены на территории 18 республик в составе Российской Федерации, 4 краев, 35 областей, одной автономной области, 7 автономных округов. В соответствии с законодательством государственные природные заповедники имеют статус природоохранных, научно-исследовательских и эколого-просветительских учреждений. Система российских государственных природных заповедников всемирно признана: 21 из них имеет международный статус биосферных резерватов (им выданы соответствующие сертификаты ЮНЕСКО), 7 находятся под юрисдикцией Всемирной конвенции о сохранении культурного и природного наследия, 10 попадают под юрисдикцию Конвенции о водно-болотных угодьях, имеющих международное значение главным образом в качестве местообитания водоплавующих птиц (Рамсарская конвенция), 4 (Окский, Тебердинский, Центрально-Черноземный и Костомукшский) имеют дипломы Совета Европы. Национальные парки. Национальными парками объявляются территории, которые включают природные комплексы и объекты, имеющие особую экологическую, историческую и эстетическую ценность и предназначенные для использования в природоохранных, просветительских, научных, культурных целях и для регулируемого туризма. Государственная система национальных парков Российской Федерации начала формироваться сравнительно недавно, первый национальный парк Российской Федерации ("Сочинский") был образован в 1983 г. По состоянию на 2000 г. в Российской Федерации имеется 34 национальных парка общей площадью 6,787 млн. га (0,4% площади Российской Федерации). Национальные парки расположены на территории 11 республик, 2 краев, 17 областей (табл. 3). Большинство (33) национальных парков находятся в ведении Федеральной службы лесного хозяйства России и один – в ведении Правительства Москвы ("Лосиный остров"). Роль и значение российских национальных парков признаны мировым сообществом: три национальных парка находятся под юрисдикцией Всемирной конвенции о сохранении культурного и природного наследия (это национальный парк "Югыд ва", на территории которого сохранился наибольший массив старовозрастных (девственных) лесов в Европе, и национальные парки "Прибайкальский" и "Забайкальский", входящие в водоохранную зону оз. Байкал). Часть территории национального парка "Мещерский" (пойма р. Ока и участок поймы р. Пра) подпадает под юрисдикцию Конвенции о водно-болотных угодьях, имеющих международное значение главным образом в качестве местообитания водоплавающих птиц (Рамсарская конвенция). Природные парки. Природные парки регионального значения – относительно новая категория особо охраняемых природных территорий России. Природные парки являются природоохранными рекреационными учреждениями, находящимися в ведении субъектов Российской Федерации, территории (акватории) которых включают в себя природные комплексы и объекты, имеющие значительную экологическую и эстетическую ценность, и предназначены для использования в природоохранных, просветительских и рекреационных целях. Территории природных парков располагаются на землях, предоставленных им в бессрочное (постоянное) пользование, в отдельных случаях – на землях иных пользователей, а также собственников. Государственные природные заказники и памятники природы Государственные природные заказники – это территории (акватории), имеющие особое значение для сохранения или восстановления природных комплексов или их компонентов и поддержания экологического баланса. Объявление территории государственным природным заказником допускается как с изъятием, так и без изъятия у пользователей, владельцев и собственников земельных участков. Государственные природные заказники федерального или регионального значения могут иметь различный профиль, в том числе быть: – комплексными (ландшафтными), предназначенными для сохранения и восстановления природных комплексов (природных ландшафтов); – биологическими (ботаническими и зоологическими), предназначенными для сохранения и восстановления редких и исчезающих видов растений и животных, в том числе ценных видов в хозяйственном, научном и культурном отношениях; – палеонтологическими, предназначенными для сохранения ископаемых объектов; – гидрологическими (болотными, озерными, речными, морскими), предназначенными для сохранения и восстановления ценных водных объектов и экологических систем; – геологическими, предназначенными для сохранения ценных объектов и комплексов неживой природы. Памятники природы – уникальные, невосполнимые, ценные в экологическом, научном, культурном и эстетическом отношениях природные комплексы, а также объекты естественного и искусственного происхождения. Памятники природы могут иметь федеральное или региональное значение в зависимости от природоохранной, эстетической и иной ценности охраняемых природных комплексов и объектов. Kaк и заказники, эта категория особо охраняемых природных территорий наиболее распространена на региональном уровне, памятников природы федерального значения в России всего 28 общей площадью 19,351 тыс. га. По состоянию на 1 января 1999 г. под охраной органов лесного хозяйства находилось 2920 памятников природы и заказников. Памятники природы выделены на площади 1058 тыс. га, заказники – на площади 9691 тыс. га. Распределение памятников природы и заказников в лесном фонде по профилю представляются в следующем виде: памятники природы биологические – 40%, гидрологические – 25%, геологические – 4%, комплексные – 31%, заказники биологические – 14%, гидрологические – 8%, комплексные – 78%. В памятниках природы и заказниках, находящихся под охраной органов лесного хозяйства, установлен и поддерживается режим невмешательства в процессы естественного развития природных сообществ, исключающий проведение рубок главного пользования, а в отдельных случаях и рубок ухода. Лечебно-оздоровительные местности и курорты Анализ и обобщение материалов режимных наблюдений показывает, что на улучшение экологического состояния курортных территорий и лечебно-оздоровительных местностей продолжают оказывать заметное влияние такие факторы, как спад промышленного и сельскохозяйственного производства, обуславливающий тенденцию к постоянному снижению объемов сброса промышленных сточных вод и применяемых ядохимикатов и химических удобрений. Такая тенденция особенно ярко проявляется на курортах и в лечебно-оздоровительных местностях, расположенных в промышленных регионах центра и северо-запада Европейской территории России, на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке, а также в районах интенсивного земледелия черноземной зоны и юга России. В качестве отрицательных факторов, ухудшающих экологическую обстановку на курортах, на первое место вышли аварийное состояние многих канализационных и бальнеотехнических систем, очистных сооружений и устройств, а также несанкционированное строительство частных предприятий, захват земельных участков и сохранение мелких вредных производств, в том числе и на участках первых и вторых зон горно-санитарной охраны. Такая тенденция сохраняется и даже усиливается, прежде всего в крупных городах-курортах: Пятигорск, Кисловодск, Ессентуки, Нальчик, Сочи, Анапа, Геленджик, в Калининградской и Санкт-Петербургской курортных зонах, Садгороде Приморского края и др. В связи с уменьшением числа обслуживаемых на курортах граждан отмечается резкое и необоснованное сокращение в целом по стране использования природных ресурсов – минеральных вод и лечебных грязей. За последние годы техническое состояние гидроминерального и бальнеотехнического хозяйства на многих курортах и в санаторно-оздоровительных учреждениях не удовлетворяет существующим требованиям. Отсутствие средств не позволяет проводить плановые ремонты и замену изношенного и устаревшего оборудования. Ботанические сады и дендрологические парки В соответствии с Федеральным законом "Об особо охраняемых природных территориях" ботанические сады и дендрологические парки представляют собой отдельную самостоятельную категорию объектов с особым режимом охраны и функционирования. В последние годы сеть ботанических садов и дендрологических парков России продолжала расширяться, в первую очередь, за счет садов, расположенных на территориях курортных зон и оздоровительных учреждений. В настоящее время Совет ботанических садов России – ведущий координационный орган в соответствующей области – объединяет 80 ботанических садов и дендрологических парков (табл. 6) различной ведомственной принадлежности. В числе основных направлений деятельности ботанических садов как особо охраняемых природных территорий выделяются: сохранение биоразнообразия, создание и сохранение генофонда растений, в том числе редких и исчезающих видов, а также изучение и разработка подходов к охране и рациональному использованию растительных ресурсов. Повсеместно в стране велико рекреационное и образовательно-просветительское значение ботанических садов и дендрологических парков. Это связано с высокой эстетической привлекательностью их территорий, богатством и разнообразием их коллекций, сложившимися традициями их деятельности как очагов экологической культуры, высоким профессиональным уровнем их сотрудников. В настоящее время ботанические сады и дендрологические парки России испытывают определенные трудности, обусловленные, прежде всего недостаточным финансированием. Во многих ботанических садах сократились объемы научных исследований, под угрозой оказались коллекции растений и семян, ослабло взаимодействие (обмен материалом, контакты сотрудников и т.п.) между садами. Размещаясь преимущественно в городах и пригородах, ботанические сады испытывают воздействие тех же неблагоприятных экологических факторов, что и окружающие их территории: загрязнение воздушного бассейна и водотоков, шумовое загрязнение, рекреационная перегрузка и др. Проблема при этом обостряется вследствие зачастую повышенной чувствительности коллекций растений к факторам негативных внешних воздействий в сравнении с местной растительностью. Особенно сильно на экологическое состояние садов и парков влияют химическое и шумовое загрязнения среды, вызванные прохождением в непосредственной близости от их территорий автомагистралей, что наиболее характерно для садов, расположенных в крупных городах. Нередко специфическим фактором экологического риска для них является также обычная застройка близлежащих площадей, вызывающая подтопление территории садовых ландшафтов. Одной из основных проблем ботанических садов и дендрологических парков является сохранение территориальной целостности. Территории садов и парков часто представляются весьма привлекательными для реализации различных проектов, таких как создание рекреационных объектов, строительство спортивных площадок, коттеджей, автостоянок, прокладка автострад и т. п. Объекты всемирного наследия В декабре 1998 г. на очередной 22-й сессии Комитета всемирного наследия была одобрена заявка России на включение в Список всемирного природного наследия объекта "Золотые горы Алтая" (Республика Алтай). Таким образом, по состоянию на 1 января 1999 г. в Список объектов природного наследия ЮНЕСКО от Российской Федерации включено 4 природных объекта. Объекты природного наследия представляют Урал ("Девственные леса Коми"), Сибирь ("Золотые горы Алтая", "Озеро Байкал") и Дальний Восток ("Вулканы Камчатки"); они в целом включают территории 7 заповедников, 4 национальных парков, 4 природных парков, 3 государственных природных заказников федерального значения, а также ряд иных особо охраняемых природных территорий. Суммарная площадь участков, отнесенных к всемирному природному наследию в России, – 17 млн. га, включая 3,3 млн. га акватории, в том числе озеро Байкал (8,8 млн. га), морскую акваторию Кроноцкого заповедника (135 тыс. га), Телецкое озеро (23 тыс. га). 1.1.11. Защита генофонда биосферы. Красные книги животных и растений Более 106 видов зверей и 139 видов и подвидов птиц уже уничтожено по вине человека. В 1949 г. МСОП (Международный союз охраны природы) начал собирать информацию о редких животных и растениях. Понадобилось 14 лет, чтобы в 1963 г. появилась первая Красная книга МСОП (Red Data Воок). Два тома представляли собой сводку о 211 млекопитающих и 312 птиц. В 1966-71 гг. вышло второе издание, которое было уже гораздо более объемным, и включало сведения не только о млекопитающих и птицах, но и амфибиях и рептилиях. Так же как и первое, это издание не было рассчитано на широкое распространение. Тома 3-го издания Красной книги МСОП начали появляться с 1972 г., и уже начали поступать в продажу, ее тираж был значительно увеличен. Издание, вышедшее в 1978-80 гг., включило 226 видов и 70 подвидов млекопитающих, 181 вид и 77 подвидов птиц, 77 видов и 21 подвид рептилий, 35 видов и 5 подвидов амфибий, 168 видов и 25 подвидов рыб. Среди них 7 восстановленных видов и подвидов млекопитающих, 4 - птиц, 2 вида рептилий. С 1981 г. при участии Всемирного центра мониторинга окружающей среды (WCMC) в Кембридже (Великобритания) начали выходить издания, в титуле которых значилось «Красная книга МСОП». Уже около тысячи зверей, птиц и других позвоночных, которым грозит гибель в ближайшие годы, занесено в ее списки. Началом создания Красной книги СССР можно считать первый список птиц и млекопитающих для Красной книги МСОП, подготовленный Г.П. Дементьевым, В.Г. Гептнером, А.А. Насимовичем, А.Г. Банниковым и другими зоологами в 1961-64 гг. В 1974 году приказом министра сельского хозяйства СССР учреждена «Красная книга СССР». Она была издана в 1978 году. В ее списках редких и находящихся под угрозой исчезновения животных значатся 62 вида и подвида млекопитающих, 63 вида птиц, 8 видов амфибий и 21 вид пресмыкающихся. Значение Красной книги СССР в охране редких видов заключалось в первую очередь в том, что она стала основой для законодательных актов, направленных на охрану животного и растительного мира. Кроме того, она по сути своей представляет собой научно обоснованную программу практических мероприятий по спасению редких видов. И, наконец, неоценима роль Красной книги как средства воспитания и пропаганды разумного и бережного отношения к животным и растениям вообще и редким, в частности. Второе издание Красной книги СССР было осуществлено в 1984 г. Оно было гораздо более объемным, в первый том «Животные» вошли новые крупные разделы: из позвоночных добавился класс рыб, впервые были включены беспозвоночные животные. Красная книга растений составила второй том. Продолжается работа и над Красной книгой России. Официальным основанием для ее создания сейчас являются Закон «О животном мире» (1995 г.) и Постановление Правительства от 1996 года «О Красной книге Российской Федерации». В нем, частности, декларируется, что Красная книга Российской Федерации является официальным документом, содержащим свод сведений о редких и исчезающих видах животных и растений, а также необходимых мерах по их охране и восстановлению. Виды, включенные в Красную книгу, подразделяются на 5 категорий: 1. Исчезающие виды – находящиеся под серьезной угрозой исчезновения; их спасение невозможно без специальных мер охраны и восстановления (красные страницы). 2. Редкие виды – не находящиеся под прямой угрозой вымирания, но сохранившиеся в небольшом количестве или на ограниченных территориях; имеется опасность их исчезновения (белые страницы). 3. Виды, находящиеся под угрозой исчезновения – их численность быстро и неуклонно падает (желтые страницы). 4. Неопределенные виды – очевидно находящиеся под угрозой исчезновения, но достоверных фактов о состоянии их популяций нет (серые страницы). 5. Восстанавливающиеся виды. (Зеленые страницы). 1.1.12. Экологический туризм как часть природосберегающей стратегии Туризм играет одну из главных ролей в мировой экономике, обеспечивая десятую часть мирового валового национального продукта. Эта отрасль экономики развивается быстрыми темпами и в ближайшие годы станет наиболее важным ее сектором. В последние годы туризм стал одним из самых прибыльных видов бизнеса в мире. Он использует примерно 7% мирового капитала. Однако рост международного туризма вызывает некоторые негативные последствия, например инфляция, разрушение окружающей среды и нарушение традиций местного населения. Это особенно наглядно проявляется в развивающихся странах. С начала 80-х годов нашего столетия наметился сдвиг в приоритетах путешественников. Вместо жаркого солнца всё чаще предпочтение отдаётся тенистым лесам, а вместо городских громад - поселениям традиционных народностей. Это заставляет говорить о феномене так называемого экологического туризма, особого сектора туристской области, который, по некоторым оценкам, уже охватывает более 10% туристского рынка, а темпы его роста в 2-3 раза превышают соответствующие темпы во всей индустрии туризма. Новый вид туризма противопоставляется туризму традиционному. Он базируется на стремлении привести к минимуму изменения окружающей среды. Отличие туризма экологического от традиционного - в приоритетах туристов, которые стремятся в первую очередь к общению с природой, познанию ее объектов и явлений, активному отдыху на природе. Встречается, также, термин «зелёный туризм» или «природный туризм». Неотделимо от экологического туризма и экологическое просвещение и такие свойства экотуризма, как забота о социальном, культурном и экономическом благополучии местного населения. Познавая природу, туристы проникаются необходимостью бережного к ней отношения. Вклад экологического туризма в формирование экологической культуры поистине неоценим. Согласно Закону Российской Федерации "О туризме" экологический туризм - путешествия, совершаемые с целью экологического воспитания и образования туристов. Главная цель экотуриста - не природоведческое образование, а потребление экологических ресурсов, в т.ч. и информационных. Экологические ресурсы - это свойства естественного баланса компонентов природной среды (животных, растительности, почв, климата, рельефа и т.д.), который формировался без активного влияния человеческой деятельности. Главной ценностью экологических ресурсов является природная естественность. Именно она притягивает туристов из городов, где люди постоянно ощущают отрицательное воздействие загрязненных воздуха и воды, шума и социальных конфликтов. Потребляя экологические ресурсы, отдыхающие получают оздоровительный и познавательный эффект. Можно выделить пять критериев, которым должен соответствовать экологический туризм. Экологический туризм должен быть: 1) обращённым к природе и основанным на использовании преимущественно природных ресурсов; 2) не наносящим ущерба или минимизирующим ущерб среде нашего обитания, т.е. экологически устойчивым; 3) нацеленным на экологическое образование и просвещение, на формирование отношений равноправного партнёрства с природой; 4) заботящимся о сохранении местной социокультурной сферы; 5) экономически эффективным и обеспечивающим устойчивое развитие тех районов, где он осуществляется. Сейчас для управления туристическими потоками с целью сохранения экологических ресурсов используется инструментарий визитного менеджмента, который контролирует: 1. Время поездок (максимальную длительность пребывания, время посещений) 2. Виды посещений (разрешенные виды спорта и т.д.) 3. Интенсивность использования региона (максимально допустимое число посетителей). Ограничительные меры проводятся с помощью: 1.Информирования населения. 2.Повышения стоимости путешествий. 3.Государственными указами. Такие меры предпринимаются только в развитых странах, но и там осуществление этих мер весьма затруднительно, т.к.: а) отсутствует желание местных жителей быть ограниченными в активности в свободное время; б) отсутствует человек, способный взять на себя ответственность за сохранение природы в данном регионе; в) ограничительные меры не совпадают с кратковременными интересами туристических предприятий. Такие затруднения связаны с нежеланием людей думать о будущем. И никто их не заставит это сделать. Они должны захотеть позаботиться об уникальных природных богатствах сами. Им можно только помочь в этом, проводя различные экологические мероприятия, показывая различные передачи о растительном и животном мире, выпуская большее кол-во книг об экологии, культуре. Ребенка же родители с детства должны учить бережному отношению к природе. Классификация экотуризма по видам транспорта имеет свои особенности. Различают экологически водный туризм (на байдарках, на плотах, каноэ, парусники и другие), пешеходный, лыжный, конный, велосипедный, автомобильный (электромобили), авиационный (планеры, аэростаты). Всё большее распространение получает агротуризм, или агроэкотуризм. Это туризм в сельской местности, при котором туристы во время своего отдыха ведут сельский образ жизни на фермах и хуторах. Развитие такого вида туризма наиболее актуально для стран Западной Европы (и отчасти США) с небольшим процентом естественных ландшафтов и высоким уровнем сельскохозяйственной освоённости территории. В широком обиходе находятся также синонимические термины устойчивый, или поддерживающий, туризм и «зелёный» туризм. Они подразумевают туризм с применением технологий, оказывающих минимальное воздействие на окружающую среду. Но не всякий устойчивый туризм можно считать экологическим, так как экологические технологии могут быть использованы и в организации пляжного туризма, и в гостиничном деле в крупных городах, и даже в авиаперевозках. Обычно в путешествии турист надеется, с одной стороны, получить определённый объём знаний, а с другой - отдохнуть на природе. По преобладанию той или иной цели можно выделить научный, познавательный и рекреационный виды экотуризма. Чисто научным экотуризмом занята относительно небольшая часть туристов. Однако этот вид является источником информации об удалённых и малоизученных районах, необходимой как для науки, так и для грамотного планирования развития самого экотуризма. В последнее время в научных полевых исследования, не требующих высокой квалификации, всё чаще стала использовать помощь обыкновенных туристов-добровольцев. Многие из них с удовольствием совмещают отдых на природе с такими экзотическими занятиями, как сбор яиц редких видов черепах где-нибудь в Коста-Рике или учёт численности копытных в заповедниках России. Вклад экотуризма в формирование экологической культуры неоценимый. Поскольку туристы, находясь на природе, познают её лучше и осознают необходимость бережного отношения к ней. При условии грамотного развития экологический туризм может сыграть свою роль в разрешении современного социально-экологического кризиса. Он содействует охране природы и традиционных культур. Возрастающий спрос в этом секторе туризма приводит к созданию новых особо охраняемых природных территорий, в первую очередь национальных и природных парков. Экологический туризм приносит существенный доход в государственный бюджет. Особенно это касается развивающихся стран. Для их слабой экономики несколько миллиардов долларов, которые приносит экологический туризм в казну всех развивающихся стран, - большие деньги. На многих территориях экологический туризм может стать отраслью специализации, представляя конкурентоспособную альтернативу разрушающей природу хозяйственной деятельности. Наша страна обладает обширными территориями с нетронутой природой. К сожалению, до последнего времени развитие экотуризма в России шло преимущественно на самодеятельном уровне. Сейчас мы выходим на многие мировые рынки, в том числе и на рынок туризма. Развитие экологического туризма может сохранить природную красоту уникальных территорий. 4.2. Экологический мониторинг 1.1.1. Динамика состояния растительного и животного мира, суши, рыбных ресурсов. Мониторинг окружающей среды Важнейшим вопросом стратегии регулирования качества окружающей природной среды (ОПС) является вопрос создания системы, способной определять наиболее критические источники и факторы антропогенного воздействия на здоровье населения и окружающую природную среду, выделять наиболее уязвимые элементы и звенья биосферы, подверженные такому воздействию. Такой системой признана система мониторинга антропогенных изменений состояния окружающей природной среды, способная представить необходимую информацию для принятия решений соответствующими службами, ведомствами, организациями. Осознание во многих странах неэффективности усилий по финансированию сбора и переработки информации о состоянии окружающей среды потребовало новых подходов и координации действий как на национальном, так и на международном, глобальном уровнях. Первым шагом в этом направлении стала конференция ООН по охране окружающей среды в Стокгольме в 1972 году. Одним из важных решений Стокгольмской конференции была рекомендация по созданию глобальной системы мониторинга окружающей среды (YEMS). В 1974 году в Найроби была образована межправительственная комиссия по системе глобального мониторинга, разработана первая схема организации мониторинга антропогенных загрязнителей. Тогда же был уточнен список наиболее опасных загрязнителей для учета их при организации мониторинга. Загрязнители оценивались по различным критериям, в т. ч. по воздействию на здоровье человека; влиянию на климат или экосистемы; склонности к разрушению природной среды; способности накапливаться в пищевых цепях; возможности химической трансформации во вторичные токсические или мутагенные вещества и другим. Следует отметить, что еще до этого в нашей стране под руководством известного ученого Ю.А. Израэля были разработаны научные основы мониторинга, которые были доложены на заседании Совета управляющих Программ ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП) в Найроби, а затем и на других международных симпозиумах и совещаниях. В последующем вопросы мониторинга окружающей среды неоднократно обсуждались на различных уровнях, как национальных, так и международных правительственных и общественных организаций, что находило отражение в многочисленных печатных изданиях, посвященных проблемам мониторинга окружающей среды. Так, например, исключительный интерес представляют труды Международных симпозиумов «Комплексный глобальный мониторинг загрязнения окружающей природной среды», состоявшихся в 1978 и 1982 гг., пять томов сборника «Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем», изданных Институтом прикладной геофизики в 1978 - 1982 гг. В настоящее время в России создана и функционирует Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ). В связи с этим был принят государственный стандарт определения понятия «мониторинг окружающей природной среды» — это система мероприятий наблюдения и контроля, проводимых регулярно по определенной программе для оценки состояния окружающей среды, анализа происходящих в ней процессов и своевременного выявления тенденций ее изменения» (ГОСТ Р 22,1,02-95). Таким образом, объектом экологического мониторинга является окружающая среда. Окружающую среду следует рассматривать как совокупность факторов и элементов, способных оказывать прямое влияние на живые организмы на любой из стадий индивидуального развития. В настоящее время с развитием антропосферы необходимо учитывать прямую и обратную связь между деятельностью человека и состоянием окружающей среды, что позволяет сделать мониторинг. Таким образом, задачи и цели мониторинга окружающей природной среды следующие: • наблюдение за состоянием окружающей среды; • выявление факторов и источников антропогенного воздействия на окружающую среду; • определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду; • оценка и прогнозирование состояния окружающей среды. Наблюдение за состоянием окружающей среды, по сути, представляет собой сбор информации о фактическом состоянии объектов окружающей среды; об источниках загрязнения; об основных изменениях в состоянии окружающей среды под воздействием загрязнителей. В соответствии с целями и задачами мониторинга сбор информации о состоянии окружающей среды относится к системе так называемого «диагностического» мониторинга, который служит основой для оценки наблюдаемых изменений, составления прогнозов наблюдаемых изменений окружающей среды, предотвращения отрицательных последствий антропогенного воздействия на окружающую среду и разработки стратегии оптимальных взаимоотношений общества и окружающей среды. Таким образом, весь процесс технологии мониторинга можно представить в виде алгоритма: измерение-анализ-описание-моделирование-оптимизация. Подобный алгоритм действий характерен для любого вида мониторинга окружающей среды. 1.1.2. Виды мониторинга окружающей среды Мониторинг состояния окружающей среды предусматривает постоянное наблюдение за процессами, происходящими в природе и техносфере, с целью предвидения изменений их качества, ухудшения среды обитания человека, деградации биосферы. В зависимости от конкретных целей, задач, объектов наблюдения различают несколько видов мониторинга. Так, например, существует понятие общего мониторинга, объектом исследования которого является «многокомпонентная совокупность природных явлений, подверженная многообразным естественным динамическим изменениям и испытывающая разнообразное воздействие и преобразование ее человеком». Для конкретизации действий и удобства рассмотрения общий мониторинг подразделяют на следующие блоки: биоэкологический, геоэкологический, биосферный. В каждый из этих блоков могут быть включены определенные виды мониторинга в зависимости от конкретных объектов наблюдения. В свою очередь, структура отдельного вида мониторинга может состоять из отдельных подсистем или подпрограмм и других видов мониторинга. Между отдельными видами мониторинга не всегда представляется возможным провести четкую грань, поскольку отдельные виды мониторинга могут быть использованы другими или входят в их структуру. В настоящее время наибольшую актуальность приобретает мониторинг антропогенных изменений, так как именно техногенное и хозяйственное воздействие человека на окружающую среду приносит опасные изменения в экологические системы, ландшафты, Природные комплексы. Основой для этого служит фоновый мониторинг в неизменных или мало измененных природных комплексах. Исключительно важное значение имеют результаты фонового мониторинга в процессе биосферного мониторинга, предназначенного для определения глобально-фоновых изменений в окружающей природной среде под усиливающимся антропогенным воздействием. Последствиями антропогенного «давления» на биосферу могут быть изменения циркуляции газов между океаном и воздушной оболочкой Земли, погодно-климатических условий на планете, нарушение озонового слоя, загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, нарушение естественных мест обитания и путей миграции в животном мире, нарушение биогеоценозов и т.д. Подобные нарушения имеют веские аргументы, полученные при биосферном мониторинге. Неотъемлемой частью биосферного мониторинга являются биосферные заповедники (заказники), позволяющие поддерживать стратегию биоразнообразия. В Российской Федерации создана и функционирует Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ), общее руководство которой осуществляет Госко-мэкологии России. Эта организация координирует деятельность всех заинтересованных ведомств в области наблюдений за состоянием окружающей среды. При этом осуществляются: мониторинг источников антропогенного воздействия на окружающую природную среду; мониторинг животного и растительного мира; мониторинг наземной фауны и флоры; мониторинг водной среды водохозяйственных систем в местах водозабора и сброса сточных вод. Мониторинг лесов осуществляет Федеральная служба лесного хозяйства России, а наблюдение за состоянием земельного фонда — Госкомитет РФ по земельной политике России. В структуре ЕГСЭМ исключительно важное место принадлежит гидрометеорологическому мониторингу, осуществление которого возложено на гидрометеорологическую службу (Росгидромет). В функции последней входит наблюдение, оценка и прогнозирование состояния атмосферы, почв, поверхностных вод, суши, морской среды, сельскохозяйственных культур и пастбищной растительности, околоземного космического пространства, трансграничного переноса загрязняющих веществ. Эта служба осуществляет сбор и обобщение гидрометеорологической и гелиогеофизической информации, данных о метеорологических, агрометеорологических и гидрологических явлениях и процессах, об изменении климата, о радиационной обстановке на поверхности Земли и в околоземном космическом пространстве. В ее обязанности входит предоставление всем заинтересованным организациям сведений об опасных природных явлениях, экстремальных загрязнениях окружающей среды. Кроме того, Росгидромет в пределах своих полномочий контролирует соблюдение требований по всем видам работ в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды, выполняемых предприятиями, учреждениями и организациями независимо от их организационно-правовых форм; координирует деятельность федеральных органов исполнительной власти по уменьшению негативного влияния хозяйственной деятельности на климат и предотвращение отрицательных последствий изменения климата для экономики и природной среды. В России с 1994 года функционирует система социально-гигиенического мониторинга. Эта система предусматривает: получение и обработку информации государственных и отраслевых систем наблюдения, оценку и прогнозирование изменения состояния здоровья населения, окружающей природной, производственной и социальной среды, социально-экономического развития, а также данных государственной статистики; выявление причинно-следственных связей между состоянием здоровья и средой обитания человека, создание информационно-аналитических сетей и баз данных и др. Информационный фонд социально-гигиенического мониторинга пополняется необходимой информацией как за счет деятельности учреждений самой службы, так и других ведомств в рамках ЕГСЭМ. В качестве информационных показателей для социально-гигиенического мониторинга информационный фонд наряду со многим другим содержит: базы данных, включающие наблюдения за природно-климатическими факторами, источниками антропогенного воздействия на окружающую природную среду, качеством атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвы, ведение которых осуществляется в рамках ЕГСЭМ различными министерствами, службами и подведомственными им организациями и учреждениями; базы данных, содержащие наблюдения за радиационной безопасностью, ведение которой осуществляется также в рамках Единой Государственной автоматизированной системы контроля за радиационной обстановкой Росгидрометом, Минздравом и Минсельхозпродом России. Система социально-гигиенического мониторинга наглядно демонстрирует важность и необходимость интеграции различных видов мониторинга окружающей среды. 1.1.3. Уровни мониторинга окружающей среды и его организация Эффективность любой системы (вида) мониторинга во многом определяется его организацией, что представляет собой сложную, многоплановую задачу. Прежде всего, сложность организации мониторинга зависит от его уровня. Мониторинг окружающей среды может охватывать локальные территории (район, область) — локальный уровень, отдельные регионы (округа) — региональный уровень, а земной шар в целом — глобальный уровень. При этом с учетом уровня мониторинга должна быть создана достаточная сеть станций, пунктов, постов наблюдения, оснащенных самым современным оборудованием, использующих новейшие технологии. Так, например, система гидрометеорологического мониторинга до недавнего времени насчитывала более 1800 гидрометеостанций, около 3500 наблюдательных постов, 42 гидрометеорологические обсерватории, более 190 авиаметеорологических и около 150 аэрозольных станций. В системе используются для получения необходимой информации как национальные («Метеор», «Океан», «Прогноз» и др.), так и международные космические комплексы и аппараты. Важным вопросом организации и функционирования системы мониторинга является ее финансовое обеспечение. В России наряду с бюджетным финансированием различных служб и ведомств, осуществляющих мониторинг окружающей среды, функционирует Федеральный экологический фонд Российской Федерации (ФЭФРФ). ФЭФРФ осуществляет финансирование по направлениям природоохранной деятельности и Федеральным целевым экологическим программам, в том числе, в его задачи входит развитие системы экологического мониторинга и его обеспечение. Вместе с тем эффективность мониторинга окружающей природной среды во многом зависит от научного обоснования его теоретических и методологических основ, критериев оценки различных факторов и показателей антропогенных изменений и нарушений в биосфере. Решение этих вопросов существенно повысит уровень практической значимости результатов, полученных в процессе реализации программ мониторинга окружающей природной среды. 1.1.4. Экологическая безопасность России Демографическая ситуация в России близка к катастрофической, о чем свидетельствуют следующие цифры. Двое из каждых трех российских граждан - мужчин умирают пьяными (не от пьянки, а в пьяном состоянии). Продолжительность жизни (средняя) мужчин - 58,5 года, у женщин - 71,7 года (в США эти цифры составляют 72,9 и 79,6). Только 10-15 % детей рождаются здоровыми. Две трети всех беременностей кончаются абортами, 75% беременных женщин имеют те или иные патологии. За последнее десятилетие анемия у беременных возросла в четыре раза. Сифилис среди девочек от 10 до 14 лет возрос в 40 раз. Среди юношей от 15 до 17 лет только 3 0% обладают хорошим здоровьем. Героин из Афганистана продается дешевле марихуаны. Число больных СПИДом дошло до 500 000. Половина россиян живет ниже прожиточного минимума с доходами, составляющими лишь 40% от уровня 1991 года. Год Рождаемость Смертность (на 1000 чел) 1980 15,9 11 1985 16,6 11,3 1990 13,4 11,2 1991 12,11 11,4 1992 10,7 12,2 1993 9,4 14,5 1995 9,3 15 1996 8,9 14,3 2000 9,02 13,8 Таблица 8 Рисунок 12 Из рис. 12 и табл. 8 ясно видна фигура «русский крест», что свидетельствует о неблагоприятной демографической ситуации. Несмотря на то что в пределах России находится самый большой в мире Северный Евроазиатский центр стабилизации окружающей среды, благодаря которому естественные экосистемы сохранились на 2/3 ее территории, Россия была и остается страной с очень сложной экологической ситуацией. В первую очередь это относится к Главной полосе расселения. В начале 2002 г. на Всемирном экономическом форуме в Нью-Йорке был охарактеризован экологический рейтинг 142 стран мира. Россия оказалась в нем на 74 месте. Причины возникновения подобной экологической ситуации в России, да и в других странах СНГ уходят корнями в эпоху существования Советского Союза, так что экологические деформации накапливались в них на протяжении десятилетий. Среди главных причин общего экологического неблагополучия обычно называют ресурсную расточительность сверхцентрализованной экономики; гипертрофированное развитие отраслей тяжелой промышленности, включая мощный ВПК; чрезмерную концентрацию «грязных» производств в отдельных районах и центрах; гигантоманию, т. е. увлечение строительством огромных индустриальных комплексов — особенно крупных разрушителей естественных экосистем. Казалось бы, что в независимой России с переходом к рыночной экономике экологическая ситуация должна была измениться к лучшему. Действительно, по всем данным в 1990-х гг. загрязнение атмосферы, гидросферы, литосферы в стране заметно уменьшилось. Однако это произошло не в результате принятия необходимых и действенных природоохранных мер, а на 4/5 в результате падения производства. С другой стороны, сохранились и даже еще более усугубились многие негативные тенденции, характерные для прошлого. К ним относится очень большая доля ресурсоемких отраслей горнодобывающей промышленности и обрабатывающей промышленности «нижних этажей» в структуре промышленного производства, ориентация на вывоз природных ресурсов из страны, которую Н. Н. Клюев образно охарактеризовал как наращивание экспорта отечественных ландшафтов. Более того, ко многим старым добавились и новые факторы, осложняющие экологическую ситуацию. Такие, например, как экономическая дезинтеграция на территории бывшего СССР, возникновение очагов политической и социальной напряженности, еще больший износ основных фондов, отсутствие необходимых средств для проведения природоохранных мероприятий, потребительское отношение к природе со стороны значительной части «новых русских» предпринимателей. В результате, по мнению самых авторитетных отечественных экологов и географов, Россия фактически уже вступила в стадию жестокого экологического кризиса. Первые правдивые данные о действительном уровне экологического кризиса в СССР стали достоянием общественности в 1989 г., когда был опубликован государственный доклад Госкомприроды о состоянии окружающей среды. Поистине шоковое впечатление произвели сведения о том, что в условиях неблагоприятной экологической обстановки проживает более 20% всего населения страны, т. е. 50—55 млн. человек, в том числе 39% горожан. Как оказалось, в 103 городах уровень загрязнения атмосферы в 10 раз и более превышал предельно допустимые нормы. Всего в стране оказалось около 300 ареалов со сложной экологической ситуацией, которые занимали 4 млн. км2, или 18% ее общей площади. А с учетом деградированных тундровых, степных и полупустынных пастбищ этот показатель возрастал до 20%. На пороге XXI в. в России насчитывалось 195 городов (с общим населением в 65 млн. человек!), в атмосфере которых средние за год концентрации одного или нескольких загрязняющих веществ превышали ПДК. Г. М. Лаппо пишет о том, что в список особо неблагополучных в экологическом отношении городов входят все 13 городов-«миллионеров», все 22 крупных города с населением от 500 тыс. до 1 млн. человек, подавляющее большинство областных, краевых и республиканских центров (63 из 72), почти 3/4 больших городов с населением от 100 тыс. до 500 тыс. человек (113 из 165). Среди городов с наибольшими выбросами в атмосферу разного рода загрязняющих веществ преобладают центры черной и цветной металлургии, химической и целлюлозно-бумажной промышленности. Именно поэтому в первую десятку самых загрязненных городов страны попадают (по убывающей): Норильск, Новокузнецк, Череповец, Липецк, Магнитогорск, Нижний Тагил, Красноярск, Ангарск, Новочеркасск, а замыкает этот список Москва. К категории районов с катастрофической экологической ситуацией в пределах стран СНГ отнесены две территории — район влияния аварии на Чернобыльской АЭС и район Аральского моря. К категории районов с кризисной экологической ситуацией ныне относят 18 районов стран СНГ, из которых 12 находятся на территории России. Исходя из первопричины экологического кризиса в этих районах и их народнохозяйственной специализации, их правомерно подразделить на три группы. Первую и самую большую группу образуют промышленно-городские районы с преобладанием отраслей тяжелой промышленности и в особенности ее наиболее «грязных» производств. Для них характерно сильное загрязнение атмосферы, водного бассейна, почвенного покрова, изъятие из оборота продуктивных сельскохозяйственных земель, утрата почвенного плодородия, деградация растительности и животного мира и, как следствие, общее сильное ухудшение экологической обстановки, чреватое отрицательными последствиями для здоровья людей. К категории таких районов в России относятся: Кольский полуостров, Московский столичный регион. Среднее Поволжье и Прикамье, Северный Прикаспий, промышленная зона Урала, Норильский промышленный район, Кузбасс, нефтегазоносный район Запасной Сибири, Приангарский и Байкальский районы. Ко второй группе районов с кризисной экологической ситуацией в СНГ можно отнести такие преимущественно сельскохозяйственные районы, как Калмыкия, Молдавия, Фергана. Особенно угрожающая обстановка создалась в Калмыкии, где интенсивная пастбищная нагрузка, превышающая нормальную в три-четыре раза, привела к резкому увеличению площадей, совершенно лишенных растительного покрова. Ныне процессами опустынивания охвачено более 4/5 территории республики, причем сильное и очень сильное опустынивание выявлено уже на 1/2 ее площади, а подвижными песками занято более 500 тыс. га. Ученые считают, что здесь образовалась первая антропогенная пустыня в Европе. К третьей группе районов с кризисной экологической ситуацией следует, по-видимому, отнести природно-рекреационную зону, протягивающуюся вдоль побережий Черного и Азовского морей и в России, и на Украине, и в Грузии. В этой зоне рекреационная функция давно уже вошла в противоречие с промышленным развитием, которое привело к сильному загрязнению морской среды, да и побережья. В результате был нарушен экологический режим и потерян природно-рекреационный (и шире — природно-ресурсный) потенциал на обширных территориях. При этом к промышленному добавилось и сельскохозяйственное загрязнение среды. Несколько особое место в реестре кризисных районов России занимает Новая Земля, где основной причиной резкого обострения экологической ситуации стали испытания ядерного оружия, которые проводились здесь с 1957 г. Всего на Новой Земле было осуществлено более 130 взрывов (до 1963 г. в атмосфере, а затем под землей). В последнее время в отечественной географии стали использовать сравнительно новое понятие об эколого-географическом. положении России. Н. Н. Клюев отмечает, что хотя в целом для нее характерна относительная природно-географическая изолированность, Россия имеет довольно тесные экологические связи со многими своими соседями. Эти связи находят выражение в первую очередь в трансграничном переносе загрязнений воздуха и воды. Баланс такого переноса в целом для России невыгоден, поскольку «импорт» загрязнений в страну значительно превышает их «экспорт». При этом основная экологическая угроза исходит от соседей России на Западе: только Украина, Белоруссия и Эстония поставляют 1/2 всех трансграничных веществ, загрязняющих атмосферу, с территории Украины в Россию поступает в 1,5 раза больше сточных вод, чем идет в обратном направлении. На эколого-географическое положение России влияют и очаги трансграничного переноса, возникшие у ее южных границ — в китайском Приамурье, Прииртышском, Павлодарско-Экибастузском и Усть-Каменогорском районах Казахстана. Перспективы развития экологической ситуации в России зависят в первую очередь от того, будет или не будет ослабевать антропогенная нагрузка в районах с острой экологической ситуацией, будут или не будут внедряться в производство природоохранные технологии. По мнению ученых, понятие экологической безопасности должно входить важной составной частью в более широкое понятие национальной безопасности России. Из этого исходит и Экологическая доктрина России, разработка которой была закончена в 2000 г. В начале 2002 г. был принят федеральный закон «Об охране окружающей среды». На территории России, отличающейся огромными размерами и, следовательно, чрезвычайным разнообразием природных условий, наблюдается более 30 видов опасных природных явлений. Основной ущерб обычно приносят наводнения (около 30%), оползни, обвалы и лавины (21), ураганы и смерчи (14,), сели (3%). Большую угрозу представляют и землетрясения, которые время от времени происходят в Камчатско-Курильском, Прибайкальском и Северо-Кавказском районах. За год в стране случается от 350 до 400 таких неблагоприятных и опасных явлений, в результате которых часто возникают действительно чрезвычайные ситуации. Еще больше возникает чрезвычайных ситуаций техногенного характера, связанных с железнодорожными авариями и катастрофами, авариями на трубопроводах и на шахтах, авиакатастрофами, пожарами и т. п. При этом их количество в последнее время имеет тенденцию к увеличению (в 1998 г. по сравнению с 1991 г. оно возросло в восемь раз), что во многом объясняется большим износом основных фондов. В федеральном законе «Об охране окружающей среды» есть глава VIII, в которой рассматриваются зоны экологического бедствия и зоны чрезвычайных ситуаций. Кроме того, в 1994 г. был принят федеральный закон о защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. К основным направлениям экологической политики обычно относят: 1) оптимизацию использования природных ресурсов в процессе общественного производства; 2) охрану природы от негативных последствий человеческой деятельности; 3) экологическую безопасность населения. Можно добавить, что осуществление всех этих направлений во многом зависит от общего уровня развития той или иной страны, от того, как в ней решаются главные социально-экономические проблемы. В территориальном аспекте экологическую политику можно подразделить на глобальную и государственную (национальную). Экологическое состояние Московского региона. 4.3. Международное сотрудничество в решении экологических проблем 1.1.1. Принципы международного сотрудничества в области охраны окружающей среды Экологическая безопасность на сегодняшний день является наиболее актуальной и долгосрочной проблемой для всего мирового сообщества, поскольку большинство вопросов возможно решить лишь при совместной деятельности всего человечества. Объектами международно-правовой охраны признаются природные объекты, по поводу которых у субъектов международного права (государств и международных организаций) возникают и развиваются экологические отношения. Они подразделяются на 2 категории: 1. Не входящие в юрисдикцию отдельных государств: • воздушный бассейн; • Ближний Космос; • Мировой океан; • Антарктида; • мигрирующие виды животных; • объекты на территории отдельных государств, отнесенные к объектам мирового природного наследия: редкие и исчезающие растения и животные, занесенные в Международную Красную книгу, международные реки, моря, озера. 2. Входящие в юрисдикцию отдельных государств: Объекты первой категории охраняются и используются в соответствием с нормами международного права, второй – в соответствии с законами конкретного государства. Основополагающие принципы международного сотрудничества в области охраны окружающей среды были сформулированы в Декларации Стокгольмской конференции ООН по проблемам окружающей среды в 1972г. 1. Государства вправе использовать собственные ресурсы в соответствии со своей национальной политикой в подходе к проблемам окружающей среды. Однако на них лежит ответственность за то, чтобы их деятельность не причиняла ущерба окружающей среде других государств и регионов, лежащих за пределами национальной территории. 2. Природные ресурсы Земли, включая воздух, воду, землю, флору, фауну и особенно репрезентативные (характерные) образцы естественных экосистем, должны быть сохранены для нынешнего и будущих поколений путем тщательного планирования деятельности человека и управления ею по мере необходимости. 3. Невозобновимые ресурсы должны разрабатываться таким образом, чтобы обеспечивалась их защита от истощения в будущем и чтобы выгоды от их разработки в международных пространствах получило все человечество. Затем принципы были дополнены во Всемирной хартии природы, одобренной Генеральной Ассамблеей ООН и провозглашенной 28 октября 1988г.: 1. Биологические ресурсы используются лишь в пределах их природной способности к восстановлению. 2. Производительность почв поддерживается или улучшается благодаря мерам по сохранению их долгосрочного плодородия и процесса разложения органических веществ, по предотвращению эрозии и любых других форм саморазрушения. 3. Ресурсы многократного использования, включая воду используются повторно или рециклируются. 4. Невозобновимые ресурсы эксплуатируются в меру возможностей рациональной переработки для потребления и совместимости их эксплуатации с функционированием естественных систем. 5. Должны приниматься особые меры с целью недопущения сброса радиоактивных и токсичных веществ. 6. Необходимо воздерживаться от деятельности, способной нанести непоправимый ущерб природе. 7. Районы, пришедшие в результате деятельности человека в упадок, подлежат восстановлению в соответствии с их природным потенциалом и требованием поддержания благосостояния проживающего в этом районе населения. В настоящее время сложились два вида международной эколого-правовой ответственности государств: политическая и материальная. К мерам политической ответственности относятся санкции _ меры принудительного воздействия к государству-нарушителю. Материальная ответственность наступает в случае нарушения тем или иным государством своих международных обязательств, которое причинило материальный ущерб мировому сообществу или отдельным его членам. Имеются следующие виды материальной ответственности: репарация – возмещение экологического ущерба в денежном выражении; реституция – возврат в натуре неправомерно изъятого имущества; субституция – замена неправомерно уничтоженного или поврежденного; ресторация – восстановление прежнего состояния какого-либо природного объекта, например, качества воды, которая подверглась загрязнению. 1.1.2. Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды Б. Н. Зиминым была предложена экономико-экологическая типология стран мира с подразделением всех стран на шесть следующих типов: 1) страны с крайне низким уровнем экономического развития, в которых меры по борьбе с деградацией окружающей среды совсем или почти совсем не осуществляют прежде всего по причине чрезвычайной бедности; 2) страны с низким уровнем экономического развития, в которых природоохранные мероприятия если и проводятся, то только с помощью международных организаций и зарубежных инвестиций; 3) страны со средним уровнем экономического развития, в которых финансирование природоохранной и ресурсосберегающей деятельности поставлено лучше; 4) страны с высоким уровнем экономического развития, уже наладившие охрану природы, но часто за счет использования таких способов, которые не очень дорогостоящи и не столько ликвидируют загрязнения, сколько обеспечивают их вывод за пределы основных очагов расселения; 5) страны с высоким уровнем экономического развития, которые имеют возможность не только перевести свое производство на малоотходные и безотходные технологии, но и осуществлять миграцию «грязных» производств в страны Юга; 6) развитые страны с «идеальным» опытом использования безотходных производств (например, Швейцария). Разумеется, эту типологию следует считать лишь первым «наброском», который нуждается в совершенствовании. Исторически отношение общества к природе определялось потреблением, использованием природных ресурсов для удовлетворения материальных и духовных потребностей людей. Такую форму взаимодействия можно назвать экономической. Проблема рационального природопользования Человеческое общество не может существовать, не используя природные ресурсы, а, следовательно, не внося изменений в окружающую его природную среду. Природопользование - это теория и практика использования человеком природных ресурсов; сфера общественно-производственной деятельности, направленная на удовлетворение потребностей человечества. Оно делится на два типа - рациональное (разумное) и нерациональное. Нерациональное природопользование ведет к истощению природных ресурсов, подрыву восстановительных сил биосферы, снижению оздоровительных и эстетических качеств, то есть эта система деятельности не обеспечивает сохранение природно-ресурсного потенциала. Рациональное природопользование обеспечивает экономное использование природных ресурсов, их воспроизводство с учетом перспективных интересов развивающегося народного хозяйства и сохранения здоровья людей; оно складывается из изучения, охраны, освоения и преобразования природных ресурсов (схема 3). Схема 3. Основные принципы рационального природопользования В понятие рациональное освоение природных ресурсов входит наиболее полное использование достоинств среды и экономичное получения энергии; целенаправленность преобразования рассчитана на умножение и обогащение природных ресурсов и на улучшение природных условий. Так, при использовании исчерпаемых и при этом невозобновимых (например, минеральных) ресурсов важны комплексность и экономичность добычи, сокращение отходов и т.п. Охрана ресурсов среды означает поддержание их качеств, благоприятных для ведения хозяйства, а преобразование - их улучшение (мелиорация, рекультивация и др.). В основе рационального природопользования должны лежать экологические законы взаимодействия различных природных систем. К сожалению, современное состояние природопользования в большинстве случаев может быть охарактеризовано как нерациональное, ведущее к истощению (вплоть до исчезновения) природных ресурсов, даже возобновимых, нарушению экологического равновесия природных систем, загрязнению окружающей среды. Причин здесь много: это и недостаточное понимание законов экологии, и слабая материальная заинтересованность производителей, и низкая экологическая культура населения и др. Господствовавшие на протяжении многих веков принципы потребительского, варварского отношения человека к природе нашли отражение в знаменитых изречениях: «Природа не храм, а мастерская» или «Мы не можем ждать милостей от природы. Взять их у нее - наша задача!». Потребительское отношение к природе привело к загрязнению, истощению и разрушению окружающей среды. Это породило конфликт между обществом и природой, но одновременно привело к появлению другой экологической формы взаимодействия, целью которой стала охрана естественной среды обитания живых организмов, в том числе и человека. Стали возникать многочисленные «зеленые» движения, вводиться соответствующие курсы в учебных заведениях; озабоченность качеством окружающей среды стала входить в первую тройку причин, волнующих население при социологических опросах, а это означало, что представители выборной власти должны были принимать какие-либо шаги для смягчения обстановки. 1.1.3. Концепции и глобальные модели будущего мира Существует несколько концепций взаимодействия общества и природы. В условиях экологического кризиса 50-70 г.г. XX столетия потребительские концепции сменились озабоченностью человечества судьбой биосферы, появились различные общественные движения, отражающие реакцию людей на разрушение среды своего обитания. Пессимисты рисуют мрачную картину будущего человечества и уверены, что современная цивилизация неминуемо идет к катастрофе. Оптимисты верят в разум и способности человека решить экологические проблемы. Они очень близки к учению В.И. Вернадского о ноосфере. Современные экологические концепции появились в 70-х г.г. XX в. в виде докладов Римского клуба. В 1968 г. по инициативе итальянского промышленника Аурелио Печчеи группа биологов, математиков, социологов, экономистов и просто дальновидных людей (30 человек из 10 стран) собрались в Риме, чтобы обсудить настоящие и будущие проблемы человечества. Это собрание получило название «Римского клуба», который подготовил серию докладов под общим названием «Трудности человечества». Наиболее известны следующие работы: Медоуз Д. «Пределы роста», Месаревич М., Пестель Э. «Человечество на перепутье», Тинберген М. «Пересмотр мирового порядка», Лаело Э. «Цели глобального общества» и др. На основе этих докладов к началу 80 г.г. XX в. было создано более десятка крупномасштабных математических моделей развития, которые имитировали физические и социально-экономические системы мира и прогнозировали будущее, исходя из заключенных в них данных. Наиболее известны четыре модели: - модель Форрестера, - модель Медоуза с соавторами, - модель Мисаревича - Пестеля, - «Глобал 2000». Были разработаны также социально-экономические модели, в которых не использовались данные по ресурсам и населению: латиноамериканская модель мира, британская, японская и мировая модель ООН. Все модели основывались на допущениях, что в несчастьях повинны не только ограниченность ресурсов и пресс народонаселения, но и политическое, социальное и экономическое неравенство. Сегодня очень велики различия между богатыми и бедными во многих странах, а также между странами: 30% богатых промышленно развитых и 70% бедных неиндустриальных стран. Значительны различия в питании и ценностях, рыночные и нерыночные товары и услуги, чудовищные различия в уровне образования. Чтобы люди и окружающая среда находились в гармоничном равновесии, необходимо преодолеть эти противоречия. Построение стабильного гармоничного общества требует революционной перестройки потребительского мышления, компетентного руководства и широкой образованности людей. В противном случае к тому времени, когда проблема станет очевидной, предпринимать какие-либо действия будет слишком поздно. Оценивая значение докладов "Римского клуба" и последующих моделей будущего мира, можно отметить, что благодаря им возросла международная осведомленность о глобальном характере экологических проблем и был сделан переход от описания положения к поискам подходов к решению проблем. Однако, пока не удалось ничего сделать, чтобы у мирового сообщества возникло желание им следовать. Никто не знает, как можно личный интерес соотнести с решением глобальных проблем. К концу XX в. мир убедился, что дальнейшее развитие экономики невозможно без охраны окружающей природной среды. В то же время нельзя охранять окружающую среду, не развивая экономику. Взаимосвязь экологии и экономики является основой современной экологической концепции взаимоотношений человека и природы - концепции устойчивого развития. Модель устойчивого развития. Программа на XXI век Термин «устойчивое развитие» впервые появился в докладе Пру Хар-лем Брундтланд, возглавлявшей в 1987 г. Всемирную комиссию ООН по окружающей среде и развитию. Она констатировала необходимость поиска новой модели цивилизации, обозначив ее как устойчивое развитие. Модель предполагает прогресс и движение вперед, при котором удовлетворение потребностей нынешнего поколения должно происходить без лишения такой возможности будущие поколения. Для развития этой концепции в июне 1992 г. была созвана Международная конференция ООН в Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и правительств, которая называлась «Окружающая среда и развитие» (ОСР) и в которой приняло участие 180 стран мира. Устойчивое развитие подразумевает: 1) право людей на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой; 2) охрану окружающей среды как неотъемлемую часть процесса развития; 3) удовлетворение потребностей в благоприятной окружающей среде как нынешнего, так и будущих поколений; 4) уменьшение разрыва в уровне жизни между народами мира, а также между бедными и богатыми в каждой стране; 5) совершенствование природоохранного законодательства; 6) исключение моделей развития производства и потребления, не способствующих устойчивому развитию. На конференции в Рио были приняты три основополагающих документа, имеющих историческое значение: - Декларация Рио по окружающей среде и развитию; - Заявление о принципах глобального консенсуса (согласия) по управлению, сохранению и устойчивому развитию всех видов лесов; - Повестка дня на XXI в., или Повестка 21. В Декларации были провозглашены обязательства государств по основным принципам достижения устойчивого развития. Она содержит 27 рекомендательных принципов, раскрывающих существо и цели движения к устойчивому развитию; необходимость согласования национальных и общечеловеческих интересов, роль государства и различных слоев населения и др. Программа 21 является документом, которому были посвящены основные усилия главного комитета Конференции. Повестка дня на XXI век констатирует, что человечество переживает решающий момент в истории. Противоречие между уровнем цивилизации и природой достигли предела. Документ объемом более 500 страниц содержит 4 раздела, включающие 40 глав. Первый раздел рассматривает социальные и экономические аспекты. В него включены главы, посвященные борьбе с нищетой, изменению структуры потребления, динамике роста населения, охране здоровья человека и др. Второй раздел касается сохранения и рационального использования ресурсов. Третий раздел содержит предложения по усилению роли основных групп населения в реализации программных целей XXI в. Четвертый раздел предлагает средства осуществления программ: финансовые ресурсы и механизмы, развитие экологической безопасности, технологий, науки, просвещение населения и подготовка кадров; помощь развивающимся странам, международные организационные механизмы и правовые документы, информационные системы. Повестка дня на XXI в. подписана главами более 100 государств. Руководствуясь этими программными документами и решениями последующих международных форумов и соглашений многие страны ЕЭС, Восточной Европы, США, Канады и др. разработали национальные концепции переходов к устойчивому развитию и приняли национальные программы по охране окружающей среды. 1 апреля 1996 г. подписан Указ Президента РФ № 440 «О концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию», а постановлением Правительства РФ от 19.02.96 г. №155 принят план действий Правительства РФ в области охраны окружающей среды и природопользования. Как теоретическая схема, концепция устойчивого развития представляет собой способ гармонизации взаимоотношений человека и природы и путь к созданию экологического общества. Как конкретная практическая программа, она подверглась критике с нескольких сторон. Оппоненты отмечали, что нужна большая финансовая помощь развивающимся странам и большая конкретность в решениях, без чего все хорошие слова останутся нереализованными; нужны решения об охране природы в развитых странах, как главных загрязнителях; необходимо обсуждение отрицательных последствий рыночного механизма и деятельности транснациональных корпораций. Остается открытым вопрос о принципиальной возможности устойчивого развития классового общества, поскольку в таковом, как указывал еще Н.Ванер, невозможен гомеостаз. Утопичность концепции устойчивого развития в том, что нет единого центра, который бы гарантировал ее реализацию, и нет какой-либо «предустановленной гармонии», которая привела бы к успеху. Нет природных причин не справиться с угрозой экологической катастрофы, но нет и неизбежности улучшения ситуации. Все зависит от действий человека и от его нравственных качеств. И тем не менее многие ученые убедительно показывают, что если не произойдут радикальные изменения в материальной и духовной культуре современного общества, то в середине нынешнего столетия начнется необратимое разрушение биосферы Земли. Выживание человечества возможно при переходе к устойчивому развитию, как было декларировано на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в 1992 году. Сейчас, спустя 10 лет после этой Конференции, подтверждается, что переход к устойчивому (непрерывно поддерживаемому) развитию является единственным спасительным путем для человечества. Чтобы выжить в наступившем тысячелетии мировое сообщество должно разработать новую, современную теорию и стратегию концепции устойчивого развития. Глобальная экологическая политика прошла в своем развитии несколько последовательных этапов. Основными ее вехами стали две Всемирные конференции, проведенные ООН в 1972 и в 1992 гг. Первая Всемирная конференция ООН по окружающей человека среде, состоявшаяся в 1972 г. в Стокгольме, положила начало формированию общечеловеческих подходов и созданию международной природоохранной инфраструктуры, именно на ней были провозглашены основные принципы интернациональной экологической политики. Как уже было отмечено, именно в Стокгольме было положено начало созданию нескольких международных природоохранно-экологических организаций и программ (ЮНЕП, МАБ и др.). Именно после этой конференции началось выполнение таких крупных всемирных программ по окружающей среде, как «Человек и биосфера», «Всемирная климатическая программа» и «Международная геосферно-биосферная программа», стали регулярно публиковать отчеты о состоянии окружающей природной среды, начала функционировать разветвленная Глобальная система мониторинга окружающей среды (рис. 137). Рис. 137. Глобальная система мониторинга окружающей среды (по В. Н. Экзарьяну) В 1980 г. под эгидой ЮНЕП был принят важный документ под названием «Всемирная стратегия охраны природы», а в 1982 г. Генеральная Ассамблея ООН провозгласила «Всемирную хартию охраны природы». Стали также возникать многочисленные неправительственные экологические организации (например, «Гринпис»), движения «зеленых», стали создаваться правительственные органы, отвечающие за охрану окружающей среды, увеличилось расходы на эти цели, расширилось экологическое образование, от которого, по мнению академика Н. Н. Моисеева, зависит очень многое. В качестве примеров конкретных соглашений на международном уровне можно привести Хельсинкский протокол 1979 г., в соответствии с которым намечалось снизить выбросы CO2 в 1993 г. на 30% по сравнению с 1980 г. На конференции в Торонто в 1988 г. была сформулирована задача снижения таких выбросов на 20% к 2005 г. и на 50% к середине XXI в. В 1985 г. в Вене было заключено соглашение по хлорфторуглеродам и охране озонового слоя. В 1987 г. 50 стран подписали Монреальский протокол, предусматривающий снижение мирового производства фреонов к 1993 г. на 20%, а к 1998 г. на 50%. В 1989 г. в Лондоне при участии более 120 стран было принято решение о полной приостановке производства фреонов, хотя и без установления точного срока. Вторая Конференция ООН по окружающей среде и развитию состоялась летом 1992 г. в Рио-де-Жанейро. В ней приняли участие 179 стран, 114 глав государств и правительств, представители 1600 неправительственных организаций. Одновременно с конференцией проходил «Глобальный форум» по экологическим проблемам, собравший тысячи участников. Итогом конференции «Рио-92» явилось принятие пяти основных документов. Первый из них — Декларация по окружающей среде и развитию. Второй документ конференции имеет название «Повестка дня на XXI век». Этот документ объемом в 700 страниц представляет собой программу работы мирового сообщества на ближнюю и дальнюю перспективу и охватывает все аспекты устойчивого развития. Третий документ, принятый на конференции в Рио-де-Жанейро, — заявление о принципах в отношении лесов. В нем говорится о необходимости признать ключевую роль всех видов лесов в деле поддержания экологических процессов, удовлетворения потребности в энергии и различных видах сырья и потребительских продуктов, благоприятного воздействия на устойчивое развитие сельского хозяйства. Четвертый документ конференции — Конвенция о биоразнообразии. Она предусматривает многочисленные меры по сохранению и устойчивому использованию биологического разнообразия как в природной среде, так и в искусственных условиях. Наконец, пятый документ конференции — Конвенция об изменении климата. Она исходит из того, что изменения климата Земли и его неблагоприятные последствия должны быть предметом общей озабоченности человечества. В 1992 г. в Копенгагене было заключено еще одно соглашение по защите озонового слоя. В 1997 г. в Киото был подписан очень важный протокол, определивший обязательства стран мира по ограничению и сокращению выбросов в атмосферу парниковых газов. Все эти меры дали определенный положительный эффект. Тем не менее сколько-нибудь радикального сдвига к лучшему в состоянии глобальной природной среды достигнуть пока не удалось. К такому выводу пришла XIX Специальная сессия Генеральной Ассамблеи ООН, созванная в 1997 г. для подведения итогов деятельности государств — членов этой организации в области охраны окружающей среды за пятилетний период после конференции в Рио-де-Жанейро. На ней было отмечено, что очень многие стратегические решения конференции не были выполнены. Это относится не только к национальным экологическим программам, но и, например, к финансированию богатыми странами Севера природоохранных мер в бедных странах Юга: вместо ежегодных отчислений на эти цели в объеме 0,7% ВВП они составили только 0,3% ВВП. Собственно, к подобному же выводу пришел и Саммит тысячелетия — заседание Генеральной Ассамблеи ООН, проходившее в сентябре 2000 г. В докладе Генерального секретаря ООН Кофи Анана на этом Саммите было сказано, что проблемам охраны окружающей среды человечество уделяет слишком мало внимания и что в 2002 г. ООН проведет следующую Всемирную конференцию по окружающий среде и развитию. На ней состоится подписание уже подготовленной «Декларации (или Хартии) Земли». В целом гораздо последовательнее такая политика проводится в экономически развитых странах Севера, особенно постиндустриальных, где экологизация стала необратимой частью научно-технического прогресса. В этих странах действует строгое природоохранное законодательство, активно внедряются природоохранные технологии, быстро развивается эко-индустрия, расширяется экологический рынок, отражающий рост «спроса на экологию». Экологизация экономической и социальной жизни весьма характерна и для некоторых новых индустриальных стран. Вот почему в состав первой десятки стран, отличающихся наивысшей степенью влияния законодательства по защите окружающей среды на конкурентоспособность национальной экономики, в середине 1990-х гг. входили Сингапур, Ирландия, Новая Зеландия, Португалия, Норвегия, Малайзия, Швеция, Финляндия и Китай. А непосредственно за ними в этом рейтинге следовали Франция, Великобритания, Швейцария, Испания, Япония. Значительно более тревожной выглядит экологическая обстановка в развивающихся странах. Хотя некоторые из них стали уделять больше внимания сохранению своих природных ресурсов и защите окружающей природной среды, начали осуществлять ряд крупных комплексных проектов, общую тенденцию к ухудшению экологической обстановки преодолеть пока так и не удалось. Именно в странах Юга наибольшие масштабы приняли процессы опустынивания, обезлесения, деградации почв, загрязнения вод и т. д. Успех природоохранных мероприятий во многом зависит от тех средств, которые государство может выделить на эти цели. В высокоразвитых странах Запада доля природоохранных расходов в структуре ВВП обычно колеблется в пределах от 1 до 1,5%. В России в 1990-е гг. проблема экологической безопасности стала одной из самых приоритетных. Еще в 1991 г. был принят Закон «Об охране окружающей природной среды», а вслед за ним начали действовать еще несколько федеральных законов и законодательных актов. В этот же период произошли большие изменения в экологической политике России. Во-первых, теперь затраты на охрану среды производят не столько из государственного бюджета, сколько из местных бюджетов и экологических фондов предприятий. Во-вторых, шире стали применять наряду с административными методы экономического регулирования природопользования — через налоги, тарифы, штрафы. Экологическую политику стали строить с большим учетом особенностей отдельных регионов.