Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Биосфера – оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Суть концепции биосферы была впервые предложена известным ученым-естествоиспытателем Ж.Б.Ламарком (1744-1829), но термин был введен в 1875 году австрийским геологом и палеонтологом Э.Зюсом (1831-1914), как область земной поверхности, населенной жизнью. Целостное учение о биосфере было разработано выдающимся российским естествоиспытателем В.И. Вернадским (1863-1945). Он рассматривает биосферу не как простую совокупность живых организмов, а как единую термодинамическую оболочку, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды.
В общем случае, можно сказать, что биосфера - это часть литосферы (литобиосфера), атмосферы (аэробиосфера) и гидросферы (гидробиосфера), заселенная живыми организмами. Границы биосферы определяются условиями существования жизни, такими, как достаточное количество воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа, благоприятный температурный режим и др. Теоретические пределы биосферы чрезвычайно широки. Область жизни в атмосфере фактически исчезает за озоновым слоем. Гидросфера в настоящее время считается заселенной полностью. В литосфере основная масса живых организмов сосредоточена в почвенном слое, на глубине не превышающей несколько метров, однако теоретические пределы распространения жизни в ней гораздо шире. По максимальным оценкам специалистов граница литобиосферы находятся на глубине около 25 км должна существовать критическая температура в 460С, при которой при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна. Однако основная масса живого вещества сосредоточена в относительно узком пространстве, называемом биогеосферой, или пленкой жизни (см.рисунок 2.1). Ее верхняя граница расположена на высоте нескольких десятков метров над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном; нижняя - по горизонту грунтовых вод или максимального проникновения корней растений и роющих животных. В океане биогеосфера ограничена слоем проникновения солнечных лучей, необходимых для осуществления фотосинтеза микроводорослями (не более 100 м) или глубиной сохранения биологической активности в донных осадках. Хотя в остальной части биосферы содержится ничтожное количество живых организмов, она заполнена продуктами их жизнедеятельности (газами атмосферы, органическими веществами).
Рисунок 2.1. Границы биосферы.
Гидросфера. В состав гидросферы (гидробиосферы) включают все типы водоемов. Ее подразделяют на Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. К гидросфере часто относят воду, входящую в состав ледников и почвенную влагу.
Основная масса воды сосредоточена в водоемах океанического типа (71% поверхности Земли занимает Мировой океан, 5% - внутренние водоемы). В составе гидросферы океан составляет 94%, подземные воды - 4,1%, ледники - 1, 6%, озера - 0,016%, почвенная влага - 0,005%, пары атмосферы - 0,001%, а речные воды составляют лишь 0,0001%.
Вода имеет огромное значение для поддержания жизни на Земле. Без нее невозможно осуществление метаболизма. Это значение обусловлено, прежде всего, уникальными свойствами воды. Она является универсальным растворителем, поэтому в водной среде осуществляются все биохимические реакции. Большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Плотность воды примерно в 800 - 1000 раз выше плотности воздуха (в зависимости от солености). В результате водные организмы (особенно активно передвигающиеся животные) сталкиваются с достаточно мощными силами гидродинамического сопротивления, что направило эволюцию многих групп животных на формирование органов и типов движения, снижающих лобовое сопротивление. В связи с высокой плотностью водной среды многие ее обитатели лишены обязательной связи с субстратом, характерной для наземных форм и вызванной силами гравитации. В толще Мирового океана сложились комплексы живых организмов, свободно "парящих" в воде и самостоятельно поддерживающих круговорот веществ. Благодаря этому жизнь распространена в гидросфере по всей ее толщине, встречаясь даже в самых глубоководных океанических впадинах - на глубине до 11 км, где давление достигает 100 атм.
Атмосфера. Атмосфера - это газовая (воздушная) среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с ней. Современная атмосфера по химическому составу относится к азотно-кислородному типу (азота 78,09%, кислорода 20,95%, аргона 0,93%, углекислого газа 0,03%, неона 0,0018%, гелия 0,00052%, метана 0,00015%). Кислород, углекислый газ и азот – являются наиболее важными компонентами воздуха. Они участвуют во всех основных биологических циклах.
Своеобразие состава современной атмосферы Земли выражается в ничтожном содержании инертных газов (кроме аргона) и молекулярного водорода). Прозрачность атмосферы определяет то обстоятельство, что до поверхности планеты доходит порядка 47% падающего на внешнюю границу планеты потока солнечного излучения. Немногим менее половины его составляет фотосинтетически активная радиация с длиной волны 380 - 710 нм.
Свойства газовой оболочки Земли неодинаковы по вертикали. В частности, большое значение имеет высотное падение атмосферного давления, т.к. процессы фотосинтеза и дыхания зависят соответственно от величины парциального давления кислорода и углекислого газа в среде. Основной запас воздуха сосредоточен в нижнем слое атмосферы, тропосфере. Нижние, прилегающие к поверхности Земли слои тропосферы, высотой около 3 км подвержены действию географических факторов (рельеф, континенты или океаны). В этой части атмосферы сосредоточена основная масса водяного пара и загрязняющих веществ, поступающих с поверхности Земли. Над этим слоем располагается свободная атмосфера, которую от выше лежащей стратосферы отделяет тропопауза. Циркуляция воздушных масс в тропосфере регулирует погоду и ее изменения. Над тропосферой располагается стратосфера, в которой расположен так называемый озоновый слой, представляющий собой область повышенной концентрации озона (O3), сосредоточенную на высоте 22-24 км. Озоновый экран имеет огромное значение для сохранения жизни на Земле: в слое озона поглощается большая часть идущего от Солнца ультрафиолетового излучения (его коротковолновая составляющая - "жесткое ультрафиолетовое излучение", наиболее губительное для живых организмов). До поверхности доходит только мягкая часть потока ультрафиолетовые излучения с длиной волны около 300 - 400 нм, относительно безвредных, а по некоторым параметрам необходимых для нормального развития и функционирования живых организмов.
Воздух как среда жизни обладает определенными особенностями. Так, высокое содержание кислорода определяет возможность формирования высокого уровня энергетического метаболизма (обмена веществ между организмом и средой). Не случайно именно в этой среде возникли гомойотермные животные (организмы, поддерживающие температуру тела на постоянном, не зависящем от среды уровне - птицы, млекопитающие), отличающиеся высоким уровнем энергетики организма, большой степенью автономности относительно внешних условий. Кроме того, атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью, что ограничило возможности освоения воздушной среды, а у ее обитателей направило эволюцию системы водно-солевого обмена и структуру органов дыхания. Также следует отметить низкую плотность воздуха в атмосфере как среде жизни, благодаря чему жизнь сосредоточена вблизи поверхности земли, проникая в толщу атмосферы на высоту не более 50 - 70 м (кроны деревьев тропических лесов). Если исключить единичные случаи «рекордных подъемов», верхней границей распространения жизни в атмосфере (границей аэробиосферы) следует считать высоты порядка 8 - 10 км.
Литосфера. Литосфера – «каменная» оболочка Земли. Жизнь в ее пределах сосредоточена только в ее верхнем слое - почве. Почва – это продукт физического, химического и биологического выветривания поверхностного слоя литосферы, содержащий, как неорганические, так и органические компоненты. Как правило, этот слой выделяют в единую оболочку, которую называют эдафосферой или педасферой.
Значение почвы в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов. Почва служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в глубокие слои литосферы.
Образование почвы невозможно без участия живых организмов, воды и воздуха. При определенных климатических условиях на каждой материнской породе поселяется определенный вид растительности. Между минеральными и органическими компонентами, растительностью и почвенными микроорганизмами возникает целая серия взаимосвязей, которая определяет состав почв. Большинство почв характеризуется наличием слоев с одинаковыми признаками, или горизонтов. Поверхностный горизонт обычно состоит из остатков растительности, составляющих основу гумуса.
Гумус - это высокомолекулярные темноокрашенные органические вещества почвы, содержащие гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин и ульмин. Образуется он в результате гумификации продуктов разложения органических остатков и содержит элементы питания растений. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы, так как с его помощью осуществляется целая серия обменных процессов, в которых участвуют не только кислород, углерод, азот и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве.
В гумусе содержатся углерод, водород, кислород, азот, определенное количество фосфора, кальция, серы и других химических элементов. В верхних горизонтах почвы содержание гумуса колеблется от десятых долей процента до 18 % (в черноземных почвах). Мощность гумусового горизонта изменяется от нескольких сантиметров до 2,5 м. Под гумусовым горизонтом располагаются другие горизонты. Все они содержат смесь органических и минеральных элементов, которые в разной степени участвуют в деятельности почвенных микроорганизмов.
В состав минеральной части почв входят макроэлементы – кремний, алюминий, железо, калий, натрий, магний, кальций, фосфор, сера и некоторые микроэлементы - медь, молибден, йод, бор, фтор, свинец. Миграция и дифференциация химических элементов осуществляется благодаря почвенному раствору - жидкой части почвы.
Почва насыщена микроорганизмами (бактерии, водоросли, грибы, простейшие одноклеточные), в ней живут также черви и членистоногие. Так, на 1 га почвы приходится, кг: 1000-7000 бактерий, 100-3000 грибов, 10-300 водорослей, 5-10 простейших, до 1000 членистоногих и 350-1000 кольчатых червей.
Таким образом, почва в биосфере выполняет ряд важнейших функций: она фильтрует грунтовые воды, зaдерживaет питaтельные веществa и воду, необходимые для ростa растений, она является жизненной средой для многих организмов (среди которых и те, которые делают возможным рaспaд оргaнических веществ); поглощает, аккумулирует и отрaжaет солнечную энергию.
В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую как сами живые организмы, так и среду их обитания. В ее пределах он выделял семь разных, геологически взаимосвязанных типов веществ:
Такая классификация не является логически безупречной, так как выделенные категории частично перекрывают друг друга. Так, вещество космического происхождения одновременно является и косным. Атомы многих элементов являются и радиоактивными и рассеянными одновременно. При этом они могут входить в состав как живого, так и косного вещества. А биокосное вещество по сути своей является не веществом, а динамической системой, состоящей одновременно как из живого, так и из косного вещества. Тем не менее такая классификация позволяет полноценно объяснять основные процессы, протекающие в биосфере.
Основными типами как по массе, так и по значению, являются живое, косное, биогенное и биокосное вещества. Масса живого вещества составляет всего 0.01% от всей массы биосферы, тем не менее именно оно является главным ее компонентом.
Благодаря своим уникальным свойствам живое вещество обладает крайне высокой преобразующей способностью. К ним относятся:
Все вышеперечисленные свойства обуславливаются концентрацией в живом веществе больших запасов энергии.
Функции живого вещества в биосфере чрезвычайно важны и разнообразны. Это:
Биосфера является уникальной, единой термодинамической системой, осуществляющей улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым вещество и окружающей средой. Биосфера обладает рядом специфических свойств:
Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы земли. В зависимости от движущей силы выделяют геологические (геологические процессы), биогеохимические (деятельность живых организмов) и антропогенные (деятельность человека) круговороты. Геологический и биогеохимический круговороты в значительной степени замкнуты, а антропогенный – практически не замкнут, что приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды.
Наибольшее значение в биосфере имеют биогеохимические круговороты, сильно влияющие на состояние и состав среды обитания микроорганизмов. Обычно в них выделяют две группы веществ:
В зависимость от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты делят на два типа:
1. Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и биосфере (круговороты углерода, азота, кислорода)
2. Круговороты осадочного типа с резервным фондом веществ в земной коре (фосфора, железа, кальция и т.д.)
Подавляющее большинство биогеохимических процессов расходуют солнечную энергию и лишь один процесс ее связывает в органические вещества – фотосинтез. Именно на нем основаны круговороты самых важных биогенных элементов, кислорода и углерода.
Подробнее рассмотрим основные биогеохимические круговороты: круговорот воды, кислорода, углерода, азота и фосфора.
Круговорот воды. Упрощенная схема круговорота воды показана на рисунке 2.2. С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физического испарения добавился более сложный процесс биологического испарения (транспирация), связанный с жизнедеятельностью растений и животных.
Кратко круговорот воды в природе можно описать следующим образом. Вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся из водяного пара, попадающего в атмосферу в результате физического испарения и испарения воды растениями. Одна часть этой воды вновь испаряется прямо с поверхности водных объектов или косвенно, при посредстве растений и животных, а другая питает подземные воды.
Рисунок 2.2. Круговорот воды.
Характер испарения зависит от многих факторов. Так, с единицы площади в лесной местности испаряется значительно больше воды, чем с поверхности водного объекта. С уменьшением растительного покрова уменьшается и транспирация, а, следовательно, и количество осадков.
Загрязнение водных объектов и в первую очередь морей и океанов нефтепродуктами резко ухудшает процесс физического испарения, а уменьшение площади лесов - транспирацию. Это сильно сказывается на характере круговорота воды в природе.
Круговорот кислорода, который является сильнейшим окислителем, имел самое важное значение для становления биосферы. Он в значительной степени определяет и протекание других биогеохимических круговоротов.
В более или менее значительных количествах кислород начал накапливаться в атмосфере после распространения фотосинтезирующих организмов - примерно 2 млрд. лет тому назад. По мере возрастания количества кислорода в атмосфере он начал частично трансформироваться под действием ультрафиолетового излучения в озон, из которого впоследствии сформировался защитный озоновый слой. В последние 20 миллионов лет содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось. В атмосфере кислород содержится в виде O2, СО2, О3, в воде - в растворенном виде как газ и в соединении с водородом - Н2O, в литосфере - в форме различных оксидов (Fе2O3, Na2O, SiO2, К2O и т.д.) и солей (СаСОз и др.).
Схема круговорота кислорода приведена на рисунке 2.3. Кратко его можно описать следующим образом: образование свободного кислорода происходит главным образом в результате фотосинтеза растений, а потребление - в ходе дыхания, реакции окисления (в том числе сжигания топлива) и других химических преобразований.
Рисунок 2.3. Круговорот кислорода
Стоит обратить внимание на количественные показатели. Общее количество свободного кислорода в настоящее время оценивается приблизительно в 1,21015 т. Сейчас свободный кислород образуется со скоростью примерно 1,55109 т/год, а расходуется со скоростью около 2,161010т/год. Таким образом, расход кислорода больше его поступления в атмосферу. Зеленые растения освобождают в год около 1/2500 содержания кислорода в атмосфере, поэтому время его круговорота в атмосфере составляет примерно 2500 лет. Пока усиление техногенного потребления кислорода, а также вырубка лесов не привели к заметному снижению содержания свободного кислорода в атмосфере, но наметившаяся тенденция этого процесса в перспективе опасна.
Круговорот углерода. Фонды углерода в биосфере обширны. Основная его масса аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,31016 т), каменном угле и нефти (0,341016 т). Аккумулированный углерод принимают участие в медленном геологическом круговороте Земли. Влияние этого круговорота на краткосрочное функционирование экосистемы незначительно.
Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшим количеством углерода, содержащимся атмосфере и участвующим в малом (биогеохимическом) круговороте. Биологический круговорот углерода проще круговорота кислорода, так как в нем участвуют только органические соединения и диоксид углерода. Его схема показана на рисунке 2.4.
Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях, прекращается в диоксид углерода.
Рисунок 2.4. Круговорот углерода
Если принять за 100 % углерод, ассимилированный растениями в ходе фотосинтеза, то примерно 30 % возвращается в фонд атмосферного углекислого газа в результате дыхания растений, а остальные 70 % обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в пищевых цепях. В наземных экосистемах в круговорот вовлекается ежегодно 12 % содержащегося в атмосфере углекислого газа. Поэтому углерод сравнительно быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Время переноса атмосферного углерода составляет приблизительно восемь лет. Поэтому круговорот кислорода значительно больше подвержен влиянию внешних воздействий, чем круговорот кислорода. С середины XIX в. ускорился процесс перехода углекислого газа в атмосферу за счет сжигания топлива. Его содержание к атмосфере увеличилось на 22 % и продолжает расти, т.е. нарушается сложившееся в природе энергетическое равновесие. В результате накопления CO2 в атмосфере возникает так называемый «парниковый эффект», который подробнее будет рассмотрен в разделе 2.4.
Круговорот азота. Азот - один из главных биогенных элементов, он входит в состав важнейших биологических молекул: белков и нуклеиновых кислот. Основным резервуаром газообразного азота служит атмосфера (напомним, что из него состоит 78 % объема приземного слоя воздуха).
В отличие от круговорот кислорода и углерода, круговорот азота достаточно сложен и обладает рядом особенностей:
Содержание азота в тканях живых организмов около 3%. В окружающую среду органический азот попадает в виде аминогруппы NH2 или мочевины СО(NH2)2.
В процессе денитрификации (освобождения) азот переводится в газообразное состояние и частично фиксируется клубеньковыми растениями, а остальная часть попадает в виде свободного азота в атмосферу.
В естественных условиях процессы связывания и освобождения азота уравновешивают друг друга, однако искусственное внесение азота с удобрениями может приводить к избыточному накоплению азота в некоторых почвах и водоемах.
Круговорот фосфора мы рассмотрим в качестве примера круговорота осадочного типа. Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, его содержание в земной коре не превышает 1%. Основным источником фосфора служат осадочные породы. Живым организмам фосфор необходим для синтеза нуклеиновых кислот, ДНК и РНК.
Фосфор поступает в растения в растворенном виде, в форме фосфат-ионов, PO43-, растворимые только в узком диапазоне кислотности - в слабокислой среде, во всех остальных случаях фосфор переходит в нерастворимую форму. Растворенный неорганический фосфор поглощается растениями и переводится в состав живого вещества растений и потребляющих растения животных. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и экскрементами животных возвращаются в землю, подвергаются переработке микроорганизмами и снова включаются в круговорот.
С текучими водами фосфор поступает в водоемы. Если на суше круговорот его происходит в сравнительно благоприятных условиях, то в водоемах дело обстоит сложнее. Отмершие организмы накапливаются в донных отложениях. Разложение органики вблизи дна замедленно вследствие недостаточного притока кислорода. Минерализованный фосфор образует нерастворимые соединения и прочно удерживается в осадке. Происходит обеднение фосфором верхних слоев воды. Это ограничивает развитие водной растительности.
Возврат фосфора из донных отложений происходит в основном только при сезонном перемещении вод. Фосфаты возвращаются в верхние слои воды с пузырьками метана, сероводорода и при перемешивании вод. Анаэробный возврат фосфора в жаркое время нередко бывает причиной массового "цветения" водоемов.
Ежегодный вынос фосфора в водные объекты оценивается в 1,4107 т. Скорость его обратного переноса на сушу птицами и продуктами рыбного промысла значительно меньше - около 105 т/год. Искусственное внесение удобрений оценивается в 7107 т/год, причем заметная доля их смывается с полей в водоемы.
Поскольку на Земле запасы фосфора малы и круговорот его недостаточно совершенен, любые воздействия человека на его биогеохимический круговорот могут привести к серьезным последствиям.
Высокая степень замкнутости биотического круговорота и биологическая регуляция окружающей среды - закономерный результат эволюции биосферы.
Идеи В.И. Вернадского. Важнейшей частью учения В.И. Вернадского о биосфере является его представление о ее возникновении и развитии. В сжатом виде идеи Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:
Основные этапы эволюции биосферы. Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготавливала возникновение жизни, и собственно биологической эволюции. Согласно сложившимся представлениям последовательность основных этапов такова:
Добиогическая эволюция:
Биотическая эволюция:
Фотосинтез - единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается иногда на очень длительное время.
Дальнейшее развитие биосферы привело к возникновению сложных экологических систем и достижению высокой степени замкнутости биотического круговорота.
Для описания последнего этапа в 1944 г. Вернадский разработал представление о переходе биосферы в ноосферу, т.е. в такое состояние биосферы, когда ее развитие будет управляться полностью разумом человека. Ноосфера – сфера разума, высшая развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором ее развития.
Сейчас легко можно выделить ряд основных признаков переходы биосферы в ноосферу:
Каждому биологическом виду присущи его собственные морфологические и анатомические признаки. Каждый вид в среде, где он обитает, занимает определенное место, которое обусловлено его потребностью в пище, территории, связано с функцией воспроизводства. Такое место называется среда обитания.
Среда обитания организма – часть природы, окружающей организмы и оказывающая на них определенное воздействие. Выделяют 4 типа сред обитания: водная, наземно-воздушная, почвенная и организменная. По другому среду обитания можно определить как совокупность абиотических и биотических условий его жизни. Она воспринимается организмов через экологические факторы (определенные условия и элементы среды, которые могут оказывать воздействие на организм). Для каждой из сред обитания характерны специфические факторы. Кратко охарактеризуем основные среды обитания.
Водная среда жизни. Пожалуй, главной отличительной особенностью водной среды является ее относительная консервативность (постоянство). Например, амплитуда сезонных или суточных колебаний температуры в водной среде намного меньше, чем в наземно-воздушной.
Особенности водной среды связаны с физико-химическими свойствами воды, такими как высокая плотность, вязкость, высокая теплоемкость, гомогенность, недостаток кислорода, снижение освещенности и увеличение плотности с глубиной.
В связи с этим у водных организмов возникли специфические приспособления к среде. Прежде всего, это обтекаемая форма тела, возникшая у активно двигающихся водных организмов для преодоления гидродинамического сопротивления среды и изменения формы тела у планктонных организмов, направленные на повышение плавучести (например, повышение площади поверхности у фитопланктона). Кроме того, к приспособлениям живых организмов к водной среде относятся: потеря обязательной связи с субстратом, развитие воздухоносных полостей внутри тела, гладкие слизистые поверхностные оболочки, развитие эхолокационных органов чувств и осморегуляции.
Наземно-воздушная среда характеризуется огромным разнообразием условий существования, экологических ниш и заселяющих их организмов. Надо отметить, что организмы играют первостепенную роль в формировании условий наземно-воздушной среды жизни, и прежде всего - газового состава атмосферы. Основными особенностями наземно-воздушной среды является большая амплитуда изменения экологических факторов, неоднородность среды, действие сил земного тяготения, низкая плотность воздуха. Высокое содержание кислорода в атмосфере (около 21%) определяет возможность формирования высокого (энергетического) уровня обмена веществ. Кроме того, атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью, что частично лимитировало (ограничивало) возможности освоения наземно-воздушной среды, и определило развитие водно-солевого обмена и структуры органов дыхания у наземных организмов.
Почва как среда жизни. Почва является результатом деятельности живых организмов, заселявших наземно-воздушную среду. Она представляет собой сложную систему, включающую твердую фазу (минеральные частицы), жидкую фазу (почвенная влага) и газообразную фазу. Соотношение этих трех фаз и определяет особенности почвы как среды жизни.
В почве имеется определенное количество органического вещества, которое образуется в результате отмирания живых организмов и входит в состав их экскретов (выделений). Условия почвенной среды обитания определяют такие свойства почвы как ее аэрация (то есть насыщенность воздухом), влажность (присутствие влаги), теплоемкость и термический режим (суточный, сезонный, разногодичный ход температур). Термический режим, по сравнению с наземно-воздушной средой, более консервативный, особенно на большой глубине. В целом, почва отличается довольно устойчивыми условиями жизни. В почве возможно обитание организмов, обладающих как водным, так и воздушным типом дыхания. Вертикальный градиент проникновения света в почве еще более выражен, чем в воде. Микроорганизмы встречаются по всей толще почвы, а растения (в первую очередь, корневые системы) связаны с наружными горизонтами.
Для почвенных организмов характерны специфические органы и типы движения (роющие конечности у млекопитающих; способность к изменению толщины тела; наличие специализированных головных капсул у некоторых видов); формы тела (округлая, червеобразная); прочные и гибкие покровы; редукция глаз и исчезновение пигментов. Среди почвенных обитателей широко развита сапрофагия - поедание трупов других животных, гниющих остатков и т.д.
Организм, как среда обитания. Живой организм сам может служить средой обитания - для паразитов и симбионтов. Например, человеческий организм является средой обитания для огромного числа различных симбионтов (прежде всего, нормальной микрофлоры кишечника), а не редко - и паразитов (разнообразных плоских и круглых червей, простейших).
Организм как среда обитания характеризуется определенным постоянством физико-химических свойств и состава (гомеостазом). В то же время некоторые виды паразитов вынуждены противостоять агрессивной среде организма (например, агрессивной среде желудочно-кишечного тракта) и иммунной системе организма. Организм, как правило, обеспечивает паразитов и симбионтов питательными веществами, находящимися в доступной форме и не требующими дальнейшего пищеварения и переработки. Поэтому у большинства паразитов наблюдается упрощение строения (редукция) органов пищеварения. Стратегия их выживания направлена на оставление как можно большего числа потомков, формирование защитных механизмов и приспособлений к распространению.
Жизненные формы организмов. Среди приспособлений организмов к условиям среды, возникших в результате эволюции, наиболее наглядными можно считать приспособления (адаптации), проявляющиеся в особенностях внешнего строения растений и животных. Их называют морфологическими (от греч. морфе ― форма). Определенные типы внешнего строения, возникшие как приспособления к экологическими условиям местообитаний, называют жизненными формами организмов.
Жизненные формы у растений и животных очень разнообразны. Они выделяются по совокупности признаков строения и образа жизни. Так, наиболее широко распространенные жизненные формы растений ― деревья, кустарники, травы. Яркие примеры приспособлений к суровым условиям среды дают такие жизненные формы растений, как суккуленты (в засушливом климате), лианы (при недостатке света), стланики и растения-подушки (в тундрах, высокогорьях с низкой температурой и сухостью при сильных ветрах).
Жизненные формы животных выделяются по разным признакам для разных систематических групп. Так, для зверей одними из основных признаков для выделения жизненных форм, помимо среды обитания, считаются способы передвижения (ходьба, бег, прыжки, плавание, ползание). Жизненные формы птиц различают по типу их местообитания и способу добывания пищи, а у рыб ― в основном по форме тела. Жизненные формы обитателей водоемов также выделяют по типу их местообитаний. Так, в водной толще мелкие организмы образуют планктон (от греч. планктос ― блуждающий), то есть совокупность организмов, живущих во взвешенном состоянии и неспособных противостоять течениям. Обитатели грунта образуют бентос (от греч. бентос ― глубина). К отдельным жизненным формам относятся организмы, живущие у поверхностной пленки воды или на различных твердых субстратах.
Для характеристики взаимодействия организма со средой, в том числе отклика на воздействия, необходимо обратиться к понятию «экологический фактор».
Под экологическими факторами понимают те воздействия, свойства компонентов экосистемы и характеристики ее внешней среды, которые оказывают непосредственное влияние на характер и интенсивность протекающих в экосистеме процессов.
Число всевозможных экологических факторов представляется потенциально неограниченным, поэтому классификация их - дело сложное. Для классификации используют различные признаки, учитывающие как многообразие этих факторов, так и их свойства.
По отношению к экосистеме экологические факторы делят на внешние (экзогенные, или энтопические) и внутренние (эндогенные). Несмотря на определенную условность такого деления, считают, что внешние факторы, действуя на экосистему, сами не подвержены или почти не подвержены ее влиянию. К ним относят солнечную радиацию, атмосферные осадки, атмосферное давление, скорость ветра и течений и т. д. Внутренние факторы соотносятся со свойствами самой экосистемы и образуют ее, т. е. входят в ее состав. Это - численность и биомасса популяций, количество различных химических веществ, характеристики водной или почвенной массы и т. п.
Такое разделение на практике зависит от постановки задачи исследования. Так, например, если анализируют зависимость развития какого-либо биогеоценоза от температуры почвы, то этот фактор (температура) будет считаться внешним. Если же анализируют динамику загрязняющих веществ в биогеоценозе, то температура почвы будет являться внутренним фактором по отношению к биогеоценозу, но внешним по отношению к процессам, определяющим поведение загрязняющего вещества в нем.
Экологические факторы по происхождению могут природными и антропогенными. Природные подразделяются на две категории: факторы неживой природы - абиотические и факторы живой природы - биотические. Чаще всего выделяют три равноценные группы. Такая классификация экологических факторов представлена на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5. Классификация экологических факторов.
К абиотическим факторам относят совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение организмов. Выделяют физические (источник которых – физическое состояние или явление), химические (происходят от химического состава среды (соленость воды, содержание кислороды)), эдафические (почвенные – совокупность механических и др. свойств почвы, оказывающих влияние на организмы почвенной биоты и корневую систему растений (влияние влажности, структура почвы, содержание гумуса)), гидрологические.
Под биотическими факторами понимают совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на другие (внутривидовые и межвидовые взаимодействия). Внутривидовые взаимодействия складываются в результате конкурентной борьбы в условиях роста численности и плотности популяций за места гнездовий, пищевые ресурсы. Межвидовые значительно более разнообразны. Именно они и являются основой существования биотических сообществ. Биотические факторы способны влиять на абиотическую среду, создавая микроклимат или микросреду, в которой обитают живые организмы.
Отдельно выделяют антропогенные факторы возникающие в результате деятельности человека. К ним, например, относятся загрязнение среды, эрозия почв, уничтожение лесов и др. Подробнее некоторые виды воздействия человека на окружающую среду будут рассмотрены в разделе 2.3.
Существуют и другие классификации экологических факторов. Например, они могут оказывать на организм прямое и косвенное развития. Косвенное воздействие при этом проявляются через другие экологические факторы.
Факторы, изменение которых во времени повторяются – периодические (климатические факторы, приливы и отливы);а возникающие неожиданно – непериодическими.
На организм в природе экологические факторы воздействуют комплексно. Комплекс факторов, под действием которых осуществляются все основные жизненные процессы организмов, включая нормальное развитие и размножение, называют «условиями жизни». Все живые организмы способны к адаптации (приспособлению) к условиям среды. Она развивается под действием трех основных факторов: наследственности, изменчивости и естественного (и искусственного) отбора. Существует три основных пути адаптации:
Обычно организмами используется комбинация всех трех путей. В основе адаптации могут лежать три основных механизма, на основании которых выделяются следующие типы:
Факторы среды имеют количественное выражение (см. рисунок 2.6). По отношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (угнетения) и пределы выносливости организма (верхний и нижний). Оптимум – это такое количество экологического фактора, при котором интенсивность жизнедеятельности организмов максимальна. В зоне пессимума жизнедеятельность организмов угнетена. За пределами выносливости существование организма невозможно.
Рисунок 2.6. Зависимость действия экологического фактора от его количества.
Способность живых организмов переносить количественные колебания действия экологического фактора в той или иной степени называется экологической толерантностью (валентностью, пластичностью, устойчивостью). Значения экологического фактора между верхним и нижним пределами выносливости называют зоной (диапазоном) толерантности. Для обозначения пределов толерантности к условиям среды обитания используют термины «эврибионтный» – организм с широким пределом толерантности – и «стенобионтный» – с узким (см. рисунок 2.7). Приставки эври- и стено- используют для образования слов, характеризующих влияние различных экологических факторов, например, температуры (стенотермный – эвритермный), солености (стеногалинный – эвригалинный), пищи (стенофагный – эврифагный) и т. д.
Рисунок 2.7. Экологическая валентность (пластичность) видов (по Ю.Одуму, 1975)
Зоны толерантности у отдельных особей не совпадают, у вида она заведомо шире, чем у любой из особей. Набор таких характеристик по всем факторам среды, влияющим на организм называется экологический спектр вида
Экологический фактор, количественное значение которого выходит за пределы выносливости вида, называется лимитирующим (ограничивающим). Такой фактор будет ограничивать распространение и жизнедеятельность вида даже тогда, когда количественные значения всех остальных факторов буду благоприятными.
Впервые понятие «лимитирующий фактор» ввел еще в 1840 г. века Ю.Либих, который установил «закон минимума»: Жизненные возможности экосистемы лимитируются теми из экологических факторов среды, количество и качество которых близки к необходимому экосистеме минимуму, снижение их ведет к гибели организма или разрушению экосистемы.
Представления о лимитирующем влиянии максимума наравне с минимумом ввел В. Шелфорд в 1913г., сформулировавший этот принцип как «закон толерантности»: Лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма по отношению к данному фактору.
Сейчас закон толерантности, сформулированный В. Шелфордом, был расширен рядом дополнительных положений:
Можно выделить несколько закономерностей совместного действия экологических факторов. Самые важные из них:
Все эти закономерности имеют важное значение и на практике. Так, избыточное внесение в почву азотных удобрений приводит к накоплению нитратов в продукции сельского хозяйства. Широкое применение поверхностно активных веществ (ПАВ), содержащих фосфор, вызывает бурное развитие биомассы водорослей и снижение качества воды. Многие животные и растения весьма чувствительны к изменениям параметров экологических факторов. Концепция лимитирующих факторов позволяет понять многие негативные последствия человеческой деятельности, связанные с неумелым или неграмотным воздействием на природную среду.
Свет. Свет в форме солнечной радиации обеспечивает все жизненные процессы на Земле. Большая часть поступающей энергии рассеивается. 19 % поглощается облаками и водяными парами, 34 % отражается обратно в космос. Только 47 % достигает земной поверхности.
В спектре солнечного света выделяют три области, различающиеся по биологическому действию:
Для организмов важны следующие характеристики света: длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия (длина дня, или фотопериод). Особое значение свет имеет для растений (источник фотосинтеза).
По отношению к свету выделяют следующие группы растений: гелиофиты (светолюбивые – растения, обитающие в условиях хорошего освещения (мелкие листья, сильноветвящиеся); сциофиты (тенелюбивые – растения, плохо переносящие прямые солнечные лучи; характеризуются крупными тонкими горизонтальными листьями) и факультативные гелиофиты (теневыносливые – растения, которые могут обитать в любых условиях)
Чрезвычайно важную роль в регуляции активности живых организмов и их развития играет продолжительность воздействия света - фотопериод. В умеренных зонах, выше и ниже экватора, цикл развития растений и животных приурочен к сезонам года и подготовка к изменению температурных условий осуществляется на основе сигнала длины дня, которая в отличие от других сезонных факторов в определенное время года в данном месте всегда одинакова. С этой точки зрения выделяют короткодневные растения (обитатели низких широт) и длиннодневные растения (обитатели умеренных и высоких широт).
Для животных свет – это необходимое условие для ориентации в пространстве. По отношению к свету выделяют животных с дневным, ночным, сумеречным образом жизни.
Кроме сезонных изменений, смена дня и ночи определяет суточный ритм активности как целых организмов, так и физиологических процессов. Способность организмов ощущать время, наличие у них "биологических часов"- важное приспособление, обеспечивающее выживание особи в данных условиях среды, непосредственно связана с реакцией организмов на протяженность светового дня.
Температура. От температуры окружающей среды зависит в разной степени температура всех организмов, а, следовательно, и скорость химических реакций обмена веществ. Большинство видов приспособлено к довольно узкому диапазону температур от 0ºС до +50ºC. Однако, некоторые организмы, особенно в стадии покоя (споры микроорганизмов, семена, сперматозоиды) способны переносить очень низкие температуры (-190ºC – -273°С). Отдельные виды бактерий и водорослей могут жить и размножаться в горячих источниках при температуре +80°С – +88°С. Верхним передом жизни являются температуры +120°С – +140°С (их способны переносить некоторые бактерии).
Диапазон колебаний температуры в воде значительно меньше, чем на суше, соответственно и пределы выносливости к колебаниям температуры у водных организмов уже,чем у наземных. Однако и для водных и для наземных обитателей оптимальной является температура в пределах 15-30°С.
Организмы могут использовать два источника тепла: внешний (в основном, тепловая энергия Солнца) и внутренний (тепло, выделяемое при обмене веществ). В зависимости от основного, преобладающего источника тепла, различают организмы с непостоянной температурой тела - пойкилотермные (от греч. ποικίλος (poikilos) - различный, переменчивый и θέρμη (therme) - тепло) и организмы с постоянной температурой тела - гомойотермные (от греч. ὅμοιος (homoios) - подобный и θέρμη (therme) - тепло). Температура тела пойкилотермных организмов зависит от температуры окружающей среды и обычно приблизительно равна ей. Ее повышение вызывает у них интенсификацию жизненных процессов и, в известных пределах, ускорение развития. Резкие колебания температуры - сильные морозы или зной - также неблагоприятны для пойкилотермных организмов. Гораздо меньше зависят от температурных условий среды животные гомойотермные - птицы и млекопитающие. Особенности физиологии и строения позволяют этим двум классам сохранять активность при очень резких перепадах температур и освоить практически все места обитания.
Существует много приспособлений для борьбы с охлаждением или перегревом. Так, некоторые организмы (растения, некоторые пойкилотермные животные) с наступлением зимы впадают в состояние зимнего покоя. Интенсивность обмена веществ резко снижается, в тканях запасается много жиров и углеводов. Количество воды в клетках уменьшается, накапливаются сахара и глицерин, препятствующие замерзанию. В жаркое время года включаются физиологические механизмы, защищающие от перегрева. У растений усиливается испарение воды через устьица, что приводит к снижению температуры листьев. У животных в этих условиях также усиливается испарение воды через дыхательную систему и кожные покровы. Кроме того, пойкилотермные животные избегают перегрева путем приспособительного поведения: выбирают местообитания с наиболее благоприятным микроклиматом, в жаркое время дня скрываются в норах или под камнями, проявляют активность в определенное время суток и т. п. Таким образом, температура окружающей среды представляет собой важный и зачастую ограничивающий жизненные проявления фактор.
Вода, как экологический фактор. Вода играет исключительно важную роль в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Поддержание количества воды на достаточном уровне составляет одну из основных физиологических функций любого организма. Среднее содержание воды в клетках большинства организмов составляет 70%. Основные функции воды в организме:
Роль влажности как экологического фактора для наземных организмов обусловлена тем, что осадки (а соответственно влажность воздуха и почвы) распределяются на земной поверхности в течение года очень неравномерно. Так как большинство наземных животных и растений влаголюбивы, то недостаток влажности часто оказывается причиной, ограничивающей их жизнедеятельность и распространение.
Основным показателем, характеризующим количество воды в среде обитания для наземных организмов, является влажность воздуха - содержание в нем паров воды. Она оказывает значительное влияние на терморегуляцию организмов, в том числе и человека. Высокая относительная влажность воздуха при высокой температуре способствует перегреванию организма. При низкой температуре воздуха повышенная влажность воздуха усиливает теплоотдачу с поверхности кожи и способствует переохлаждению организма.
По отношению к воде живые организмы делят на следующие экологические группы: гигрофилы (влаголюбивые), ксерофилы (сухолюбивые) и мезофилы.
У организмов в процессе эволюции сформировались различные приспособления к добыванию и экономному расходованию влаги, к переживанию засушливого времени года в состоянии покоя и др. Так, многолетние растения пустыни имеют сильно развитые корни, иногда очень длинные (например, у верблюжьей колючки до 16 м), достигающие влажного слоя, или чрезвычайно разветвленные.
Большинство животных пустыни может обходиться без воды; источником влаги для грызунов, пресмыкающихся, насекомых и других мелких животных служит пища. У некоторых животных вода образуется в организме в результате окислительных реакций. Поэтому характерные для многих обитателей пустыни обильные жировые отложения служат своеобразным резервом воды в организме, например горб у верблюда, подкожные отложения жира у грызунов. Защитой от испарения воды у животных служит малая проницаемость наружных покровов тела. Иной тип приспособления к недостатку влаги наблюдается у многих растений и животных, обитающих в условиях периодической сухости. У них возникает состояние покоя, которое характеризуется остановкой роста и развития, резко сниженным обменом. Некоторые грызуны и черепахи с наступлением жаркого и сухого периода в пустыне, когда выгорает растительность, впадают в летнюю спячку.
Биотические факторы сводятся обычно к формированию устойчивых связей и взаимодействий между группами организмов, как одного вида (внутривидовые), так и разных видов (межвидовые взаимодействия). Внутривидовые взаимодействия складываются в результате конкурентной борьбы в условиях роста численности и плотности популяций за места гнездовий, пищевые ресурсы. Межвидовые отношения значительно более разнообразны. Именно они и являются основой существования биотических сообществ.
Биотические факторы способны влиять на абиотическую среду, создавая микроклимат или микросреду.
Между разными организмами могут возникать следующие типы устойчивых связей:
Типы межвидовых взаимодействий кратко описаны в таблице 2.1. Условные обозначения: “0” - нет воздействия на организм (или оно нейтральное), “–“ – отрицательные взаимодействия (один вид подавляет другой), “+” – положительные взаимодействия (организм получает преимущества из взаимодействия с другим организмом.
Таблица 2.1
Классификация типов взаимодействия между живыми организмами
|
№ |
Тип взаимодействия |
Вид |
Общий характер взаимодействия, примеры |
|
|
1 |
2 |
|||
|
1 |
Нейтрализм |
0 |
0 |
Ни одна из популяций не влияет на другую (белки и лоси) |
|
2 |
Конкуренция, непосредственное взаимодействие |
- |
- |
Прямое взаимное подавление обоих видов |
|
3 |
Конкуренция, взаимодействие из-за ресурсов |
- |
- |
Опосредованное подавление, возникающее, когда появляется недостаток в каком-либо факторе, используемом обоими видами |
|
4 |
Аменсализм |
- |
0 |
Одна популяция подавляет другую, но сама не испытывает отрицательного влияния (пеницилл и бактерии |
|
5 |
Паразитизм |
- |
+ |
Особи паразита обычно меньше, чем хозяина. Паразит не подавляет хозяина совсем |
|
6 |
Хищничество |
- |
+ |
Особи хищника обычно больше особей добычи |
|
7 |
Комменсализм |
+ |
0 |
Популяция комменсала получает пользу от объединения с популяцией хозяина, для которой это объединение безразлично (рапана и водоросль) сюда относится и нахлебничество |
|
8 |
Протокооперация |
+ |
+ |
Взаимодействие друг с другом полезно для обеих популяций, но не является облигатным (рак с актинией) |
|
9 |
Мутуализм |
+ |
+ |
Облигатное взаимодействие, полезное для обеих популяций (лишайники, бактерии в кишечнике) |
Каждый вид занимает определенное местообитание и определенную экологическую нишу.
Местообитание – это территория или акватория, занимаемая видом, с комплексом присущих ей экологических факторов. Местообитание вида является компонентом ее экологической ниши.
Экологическая ниша – совокупность всех факторов среды, в пределах которого возможно существование вида в природе. Экологическая ниша – место вида в природе. То есть экологическая ниша – это место вида в природу, включающее не только его положение в пространстве и отношение к абиотическим факторам, но и его функциональную роль в сообществе (прежде всего, трофический статус). Условно говоря, местообитание – это «адрес» организма, а экологическая ниша – это его «профессия».
Экологическая ниша обычно характеризуется двумя важными показателями, шириной ниши и спектром перекрывания ее с соседними нишами.
Экологические ниши разных видов и перекрываться в разной степени. Они могут различаться за счет приуроченности разных видов к разными местообитаниям, разной пищи и разному времени использования одного и того же местообитания. Однако, следует помнить, что экологическая ниша не может быть пустой. Если ниша пустеет в результате вымирания какого-то вида, то она тут же заполняется другим видом.
В пределах одного и того же местообитания могут быть ниши разных видов, однако, согласно принципу Гаузе они не могут полностью совпадать. Т.е. принцип конкурентного исключения (Гаузе) гласит: «Два вида не могут существовать в одной и той же местности, если их экологические потребности идентичны. Такие виды обязательно должны быть разнесены в пространстве или времени».
Благоприятные условия для жизни человека на нашей планете весьма ограниченны, область его обитания занимает по объему лишь небольшую часть биосферы, однако путем изменения, как окружающей природной среды, так и создания новых, специфических сред, в настоящее время человек населяет практически все природные зоны Земли.
Для благоприятной жизни имеют значения следующие компоненты человека: воздух, вода, почва, содержимое недр, животный и растительный мир, климат, компоненты энергетической среды. Рассмотрим их подробнее
При дыхании через наши легкие ежегодно проходят тысячи кубометров воздуха, поэтому именно загрязнение воздушной среды сказывается, прежде всего, на организме человека.
Воздушная среда для человека может быть:
Воздух чистой наружной среды наиболее благоприятен для дыхания по составу и свойствам, однако в настоящее время его качество по различным причинам снижается. Основные проблемы, связанные с состоянием наружной среды, будут рассмотрены ниже (см. раздел 2.4). Качество воздух внутренней производственной среды, является одним из основных предметов рассмотрения дисциплины «Безопасность жизнедеятельности», являющейся обязательным компонентом образования по направлению «Техносферная безопасность»
Внутренний воздух в жилых помещениях имеет, как правило, повышенное содержание углекислого газа и другие химические вещества: формальдегид (источники - мебель, фанера, пенопласт), асбест (изоляционный материал), различные продукты сгорания, например СO, NO и др.
Водная среда. Человек не живет в водной среде, однако качество воды имеет для него огромное значение. Для человека водная среда включает поверхностные и подземные воды.
Наибольшее значение для человека имеет пресная вода, которая составляет всего лишь 2,7 % общего объема воды на Земле, причем всего 0,36 %, ее имеется в легкодоступных местах.
Наибольшее практическое значение для человека представляют речные воды. Вода озер используется в меньшей степени, а ледниковые воды пока практически не используются. Значительные запасы воды сосредоточены в водоносных слоях горных пород (подземные воды).
Формально Российская Федерация является одной из двух водоизбытычных стран (наряду с Бразилией). На одного жителя России приходится 28,5 тыс. м3/год пресной воды, однако распределение речного стока крайне неравномерно. Среднемноголетний суммарный сток рек России 4270 км3/год, однако, более 90 % его приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. На бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает 80 % населения России и сосредоточен ее основной промышленный и сельскохозяйственный потенциал, приходится меньше 8 % общего годового стока.
Например, недостаточно обеспечены собственными водными ресурсами Ростовская, Астраханская, Липецкая, Воронежская, Белгородская, Курская области, Республика Калмыкия и некоторые другие регионы. Кроме того, наблюдается прогрессирующее снижение водных ресурсов южных рек страны под влиянием хозяйственной деятельности. Уменьшение годового стока в среднем составляет от 10 (Волга) до 50 % и более (Кубань, Терек, Урал и др.), что превышает уровень экологически допустимого забора воды.
Почва представляет собой поверхностный плодородный слой земной коры. От нее напрямую зависит количество произведенного продовольствия. В биосфере она выполняет две основные функции, которые имеют огромное значение для человека:
В настоящее время почва стала еще и биологическим фильтром, поглощающим и обезвреживающим промышленные и бытовые отходы.
Чаще всего почву рассматривают, как земельные ресурсы, т.е. земли, систематически используемые или пригодные к использованию для конкретных хозяйственных целей. Земельные ресурсы ограничены. Они не заменимы другими средствами производства. Различаются они по агропроизводственным свойствам, плодородию и расположению. Земельный фонд мира распределяется следующим образом:
Качество продуктивных земель в разных районах Земли может очень сильно различаться. На значительной части суши землепользование вообще и земледелие в частности ограничивается различными природными факторами:
Таким образом, лишь на 11% земель серьезные лимитирующие факторы отсутствуют и возможно более-менее полноценное земледелие.
В начале 21-го века на одного человека в среднем приходилось около 0,3 га пашни (в Японии 0,04га, в США 0,63 га, в России 0,88 га). С 1970 годов это количество непрерывно сокращается, несмотря на постоянное вовлечение в сельскохозяйственный оборот новых земель. Связано это, прежде всего, с ростом населения.
Необходимо отметить, что в связи с интенсивным земледелием качество земель снижается. В сухом и жарком климате это часто приводит к опустыниванию. Такое явление наблюдается с древнейших времен. Так, в настоящее время пустыней является большая часть территории Передней Азии (Иран, Ирак, Сирия), на которой в свое время (приблизительно 10 тысяч лет назад) появилось земледелие.
Основные причины снижения количества и качества сельскохозяйственных земель: загрязнение почв, зарастание лесом и кустарником мелкоконтурных и удаленных участков, развитие эрозионных процессов, подтопление и заболачивание земель.
Почвы вокруг больших городов и промышленных центров на несколько десятков километров загрязнены тяжелыми металлами, нефтепродуктами, соединениями фтора.
Эрозия – это процесс разрушения почвенного покрова и сноса частиц почвы потоками воды (водная эрозия) или ветром (ветровая эрозия). В России площадь пашни, подверженной водной и ветровой эрозии, составляет 82 млн. га, или 64 % к общей ее площади. Ежегодно площадь эродированных земель возрастает на 0,4-0,5 млн. га, а потери плодородной почвы составляют 1,5 млрд. т. Значительная часть орошаемых и осушенных сельхозугодий требует комплексной реконструкции, необходимо переустройство и коллекторно-дренажной сети. Несмотря на осушительные мелиорации, площади переувлажненных и заболоченных земель постоянно возрастают. Из всех сельхозугодий 7,3 % имеют в различной степени засоленные земли. Хотя постоянно проводятся работы по раскислению почв, их площадь практически не сокращается и составляет ныне около 5 млн. га. Состояние аридных территорий в России повсеместно ухудшается, опустынивание приобретает все более значительные масштабы. Темпы рекультивации нарушенных земель также неудовлетворительны.
Состояние земельных ресурсов во всем мире, и прежде всего в развивающихся странах, вызывает серьёзные опасения в связи с задачами увеличения производства продуктов питания.
Недра — часть земной коры, расположенной ниже почвенного слоя, а при его отсутствии — ниже земной поверхности и дна водоемов и водостоков, простирающейся до глубин, доступных для геологического изучения и освоения. Основным компонентом недр являются минерально-сырьевые ресурсы — совокупность полезных ископаемых, содержащихся в недрах земли, являющихся основой для развития отраслей народного хозяйства. В составе минерально-сырьевых ресурсов выделяют: цветные и редкие металлы, благородные металлы, энергетическое сырье, нерудные полезные ископаемые, сырье для строительной индустрии, лечебные источники и грязи.
Недра дают сырье не только промышленности, но и сельскому хозяйству (для производства минеральных удобрений). На земном шаре каждые 15-18 лет происходит удвоение объема добычи полезных ископаемых. Доля России в общемировом горно-промышленном производстве составляет 14%. В нашей стране ежегодно извлекается 9-10 % мировой добычи нефти, 20-25% природного газа, 5-7% угля, 7-8% железных руд, 12-20% никеля и кобальта, более 10% вольфрама, 26% алмазов, 12% калийных солей, 6% фосфорного концентрата, значительна часть других цветных и редких металлов, золота, серебра, платины и платиноидов. Минерально-сырьевая продукция продолжает оставаться главной составляющей российского экспорта, обеспечивающей около 70% всех валютных поступлений России.
По объему разведанных запасов Россия занимает ведущее положение в мире. В недрах России, территория которой составляет 12% суши Земли, сосредоточено 14% мировых запасов нефти, 35% газа, 11% угля, 26% железных руд, значительная часть мировых запасов золота, алмазов, цветных и редких металлов.
В целом проблема количественного роста добычи касается лишь ограниченного круга полезных ископаемых (марганца, хрома, сурьмы, ртути, мусковита, плавикового шпата). Однако следует отметить, что уровень потерь достаточно высок при подземном способе добычи угля (23,5 %), хромовой руды (27,7 %), калийных солей (62,5 %). Серьезный ущерб государство несет от потерь ценных компонентов в период их переработки и транспортировки. Наиболее острыми остаются вопросы комплексного использования минерального сырья. В настоящее время горнопромышленный комплекс превратился в один из самых крупных источников загрязнения окружающей среды.
Растительный покров играет в жизни человека огромную роль. Растения участвуют в образовании гумуса почвы, в формировании газового состава атмосферного воздуха. Важнейшим растительным ресурсом земного шара служит лес, который производит более 60 % биологически активного кислорода (одно дерево за 24 ч восстанавливает такое количество кислорода, которое необходимо для нормального дыхания трех человек в течение суток). Зеленые растения континентов составляют 99,2 % биомассы организмов Земли, а на леса приходится более 90% всей растительной биомассы суши. Поэтому леса занимают самое важное место в жизни человека и природы. Лес как составная часть биосферы является мощным регулятором климата и водного баланса. Высока его роль в очищении атмосферного воздуха от вредных примесей и болезнетворных микробов, восполнении запасов кислорода, поддержания равновесия химического состава атмосферы, особенно балансов кислорода, углерода и азота; в поддержании гидрологического режима рек; предупреждении эрозии почв; борьбе с засухами и суховеями. 1 гектар леса, в зависимости от его видового состава, способен в течение года поглотить 5-10 т диоксида углерода и выделить 10-20 т кислорода. Кроме того, лес — среда обитания разнообразных видов диких животных, место произрастания грибов и ягод, поставщик древесины — ценнейшего сырья для хозяйственной деятельности человека. Доказано, что только рекреационная ценность лесов в десятки раз выше стоимости всей древесины.
Роль древесных насаждений заключается не только в удержании пыли, поглощении углекислого газа, но и в замечательном качестве растений выделять в окружающую среду фитонциды биологически активные вещества, подавляющие рост и развитие болезнетворных микроорганизмов. Лесные полосы являются лучшим средством оптимального снегораспределения на полях. К сожалению, во многих регионах России, как и во всем мире, отмечаются увеличение скорости негативных изменений растительного покрова и снижение флористического разнообразия. От 8 до 21 % видов дикой флоры нуждается в защите.
Несмотря на прирост в последние годы лесопокрытой площади, качество леса ухудшается за счет уменьшения полноты и снижения возрастного состава насаждений.
Животный мир к возобновимым природным ресурсам. Он имеет большое значение для почвообразовательных процессов, участвует в формировании газового состава атмосферы, водного режима и растительного мира биосферы.
Науке известны две причины исчезновения животных: естественные процессы, обусловленные изменениями окружающей среды, и деятельность человека. Когда темпы изменения окружающей среды превосходят адаптационные способности видов, последние вымирают. Сейчас отмечается тенденция к обеднению фауны примерно на 10 % от мировой фауны.
Фаунистическое многообразие диких животных на территории России оценивалось на 1991 г. следующими показателями: насекомые до 80 тыс. видов, водные бсзпозвоночные до 12 тыс., пресноводные рыбы около 400, морские рыбы около 2400, земноводные 26, пресмыкающиеся 66, птицы 720, млекопитающие328 видов. Ныне отмечается тенденция к обеднению фауны, особенно в районах с высокой концентрацией промышленности и населения в среднем примерно на 10 % от мирового фаунистического разнообразия.
Климат. Климатическая среда является важным фактором, определяющим развитие различных видов живых организмов. Не меньшее значение имеет климат как для развития человеческого общества в целом, так для экономического развития отдельных стран.
Характерной особенностью России является то, что на большей части ее территории климат более холодный, чем в других странах. Для примера приведем средние значения температуры января в разных городах мира: Москва – -6,5С; Вашингтон – +2,2С; Нью-Йорк– +0,3С; Рим – +8,1С; Стокгольм – -2,3С; Париж – +4,2С. Стоит также отметить, что холодный период в нашей стране в среднем на 2-3 месяца длиннее, чем, например, в Европе.
49 % территории страны занимают вечномерзлые грунты. С точки зрения экологии климатические условия России наименее благоприятные: во-первых, повышенные расходы топлива для отопления приводят к дополнительному загрязнению воздушной среды в холодное время года, а, во-вторых, северные районы более чувствительны к загрязнению и менее устойчивы к внешним воздействиям.
Энергетическая среда как компонент среды обитания человека формируются под воздействием шума, вибрации, ультразвука, инфразвука, электромагнитных полей, ионизирующих излучений. Они могут быть естественного и искусственного происхождения.
Шумом являются любые звуки, выходящие за рамки звукового комфорта. Чаще всего это неупорядоченные звуковые колебания; но бывают и упорядоченные, мешающие восприятию нужных звуков либо вызывающие неприятное ощущение и повреждающие органы слуха. Уровни шума можно характеризовать интенсивностью звука. Шум измеряется в децибелах, слышимый диапазон в укладывается в 140 децибел.
Чем выше частота звука в области ультразвука и слышимого звука, тем тяжелее вынести шум. Особенно тяжело переносятся внезапные резкие звуки высокой частоты. Ухо человека воспринимает звуки с частотой 16-20000 Гц. Неслышимые человеком колебания с частотой менее 16 Гц инфразвук, а с частотой более 20000 Гц ультразвук и гиперзвук. Адаптация к шуму невозможна. С шумом 30-40 дБ ощущается легкий дискомфорт. 50-60 дБ негативно воздействует на нервную систему человека, особенно занятого умственным трудом (отвлекающее, раздражающее действие).
Вибрацией называют сложные колебания в механических системах, которые передаются через грунт и воспринимаются лишь при контакте с вибрирующим телом; при частоте 1-100 Гц они воспринимаются как сотрясения.
Основные источники вибрации технологическое оборудование ударного действия (молоты, прессы), мощные энергетические установки (насосы, компрессоры, двигатели), рельсовый транспорт. Вибрации распространяются по грунту и достигают фундаментов общественных и жилых зданий, часто вызывая и звуковые колебания, которые разрушающе действуют на конструкции и сооружения.
Электромагнитное загрязнение (по Н.Реймерсу) возникает в результате изменений электромагнитных свойств среды, приводящих к нарушениям работы электронных систем и изменениям в тонких клеточных и молекулярных биологических структурах. Естественные изменения в электромагнитном фоне (при изменении солнечной активности, магнитных "бурях" и др.) называют электромагнитными аномалиями. В последнее время, в связи с широчайшим развитием электронных систем управления, передач, связи, электроэнергетических объектов на первый план вышло антропогенное электромагнитное загрязнение – создание искусственных электромагнитных полей (ЭМП). Их влияние на нашу жизнь многообразно, но недостаточно изучено.
Таким образом, электромагнитное загрязнение возникает в результате изменений электромагнитных свойств среды. В последнее время уделяется большое внимание искусственным электромагнитным полям (ЭМП), источником которых является радиопередающие устройства, электрифицированные транспортные средства, линии электропередач и др.
Ионизирующее излучение это вид излучения, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов. Несколько десятилетий назад оно исходило лишь от естественных источников радиоактивности. С началом использования ядерной энергии к естественному излучению прибавилась искусственная, обусловленная цивилизацией радиационная нагрузка. Воздействие ионизирующих излучений на живые организмы в зонах радиоактивного загрязнения может вызвать тяжелые поражения, в том числе генетические.
Основными видами ионизирующих излучений являются:
α лучи, тяжелые, положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью 107 м/с и поглощающиеся алюминиевой фольгой толщиной несколько микрон (миллионная часть метра). Этими частицами являются ядра гелия.
β – легкие, отрицательно заряженные частицы, двигающиеся со скоростью, близкой к скорости, и поглощаемые слоем алюминия толщиной 1мм. Этими частицами являются электроны.
γ лучи – сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в электрическом, ни в магнитном полях. Природа γ лучей – жесткое э/м излучение, имеющее еще более короткую волну, чем рентгеновское излучение.
Радиоактивность – самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений.
Главной характеристикой степени опасности ионизирующих излучений является доза излучения (порция энергии, переданная излучением веществу). Выделяют несколько групп доз. Например, экспозиционная доза – количество g-излучения, способного к ионизации сухого воздуха. Экспозиционная доза характеризует потенциальную опасность g-излучения. Поглощенная доза количество энергии любого вида излучения, поглощенное в единице массы вещества. Это физическая доза излучения.
Эквивалентная доза количество энергии любого вида излучения, поглощенное в единице массы вещества с учетом качества излучения. Это наиболее важная с точки зрения биологического эффекта доза. Она не может быть измерена, а должна быть рассчитана.
Проблема воздействия на природную среду и здоровье человека энергетической среды заслуживает самого пристального внимания.
Человек принадлежит к биологическому виду человек разумный Homo sapiens, образует несколько рас и распространен на планете Земля повсеместно. Сейчас между природной средой и человеческим обществом существуют достаточно сложные взаимодействия, обмен веществом и энергией. Взаимодействие общества и природы воздействие человеческого общества (антропогенных факторов) на природу и природы на здоровье и хозяйственную деятельность человека.
Все виды воздействия человека на природу можно разделить на несколько групп, некоторые из которых по сути перекрываются:
Развитие хозяйственной деятельности человека и усиление его воздействия на биосферу привело к развитию понятия техногенез (совокупность геохимических процессов, вызванных производственно-хозяйственной деятельностью человека). С геохимической точки зрения производственно-хозяйственную деятельность человека можно разделить на три типа:
Несбалансированные взаимоотношения общества и природы, т.е. нерациональное природопользование, часто приводят к экологическому кризису и даже экологической катастрофе.
Экологический кризис (чрезвычайная экологическая ситуация) — экологическое неблагополучие, характеризующееся устойчивыми отрицательными изменениями окружающей среды и представляющее угрозу для здоровья людей. Это обратимое изменение равновесного состояния природных комплексов. Он характеризуется не столько усилением воздействия человека на природу, сколько резким увеличением влияния измененной людьми природы на общественное развитие. Проявление экологического кризиса нередко называют «эффектом бумеранга». Человек выступает при экологическом кризисе активно действующей стороной.
Экологическая катастрофа (экологическое бедствие) — это природная аномалия (длительная засуха, массовый мор, например, скота и т. д.), зачастую возникающая на основе прямого или косвенного воздействия человеческой деятельности на природные процессы и ведущая к остро неблагоприятным экономическим последствиям или массовой гибели населения определенного региона; авария технического устройства (атомной электростанции, танкера и т. п.), приведшая к остро неблагоприятным изменениям в среде и повлекшей за собой массовую гибель живых организмов и экономический ущерб; одно из состояний природы. Экологическая катастрофа отличается от экологического кризиса тем, что кризис — это обратимое состояние, где человек выступает активно действующей стороной, а катастрофа— необратимое явление, человек здесь вынужденно пассивная, страдающая сторона. В более широком понимании экологические катастрофы — это фазы развития биосферы, где происходит качественное обновление живого вещества, например вымирание одних видов и возникновение других.
Экологический кризис и экологическая катастрофа в зависимости от масштаба могут быть локальными, региональными и глобальными.
Стоит отметить, что взаимодействие общества и природы подчинено определенным законам. Ниже приведены важнейшие из них (по Куражковскому, 1989). Порядок расположения отражает последовательность проявления законов в истории взаимоотношений между обществом и природой.
С самого начала своего существования (не менее 50 тыс. лет назад) человек преобразовывал среду своего обитания значительно активнее, чем подавляющее большинство других организмов. Воздействие на окружающую среду усугубилось. В свою очередь нельзя забывать, что факторы окружающей среды в значительной степени определяют развитие человеческих обществ. Подробнее про эту концепцию написано в замечательной книге известного американского биолога Джареда Даймонда «Люди, микробы и сталь».
В начале своего существования человек разумный был «обычным» видом и его воздействие было составной частью биотических факторов, но по мере становления его влияние на природу возрастало во все большей степени, приобрело характер специально выделяемых антропогенных факторов и в настоящее время приравнивается к «геологическим силам» воздействия.
Человек, как организм вступает в разнообразные пищевые отношения. Он является гетеротрофным, всеядным организмом, консументом первого, второго и третьего порядков одновременно, так как может питаться и растениями, и растительноядными, и плотоядными животными.
Человек не только добывает пищу как все другие организмы, охотясь на нее (это занимает малую часть его деятельности), но и создает условия, при которых пищевые ресурсы получаются искусственно (выращивает растения, разводит животных, создав искусственные формы культурных растений и домашних животных). Считается, что именно переход на производство продовольствия приблизительно 8,5 тысяч лет назад определил современное развитие человеческого общества и послужил предпосылкой для катастрофического антропогенного изменения окружающей среды и большинства экологических кризисов.
Человек промышленным создает искусственные соединения, которые облегчают его существование (лекарства, пищевые добавки, взрывчатые вещества и т.д.). Эти вещества образуют отдельные антропогенные круговороты, все этапы которых оказывают воздействие на окружающую среду.
Большое влияние на природу оказывает промышленное и гражданское строительство, которое изменяет ландшафты, меняет комплекс биотических и абиотических факторов, разрушает (полностью) биогеоценозы на территории строительства или добычи полезных ископаемых и т.д. Перечень воздействий современного человека можно довольно долго продолжать.
Исторически экологическая роль человека менялась. Если в начале становления человека как вида его роль практически ограничивалась биотическим воздействием, то с начала хозяйственной деятельности эта роль возросла. Она возросла также и в связи с ростом народонаселения и с уровнем познания человеком сил природы и способов хозяйственной деятельности.
Таким образом, на протяжении всей истории человечество стремилось осуществить свои экономические и социальные цели путем усиленного природопользования, не обращая должного внимания на механизмы экологической саморегуляции. История цивилизации доказывает, что вслед за экологическим кризисом следует революционное изменение во взаимоотношениях общества и природы.
Основные исторические этапы взаимоотношения общества и природы, экологические кризисы и революции в истории человеческого общества представлены на рисунке 2.8 и в таблице 2.2.
Рис. 2.8. Экологические кризисы и революции в истории взаимоотношений человеческого общества и природы (масштаб условный) (Н.Ф.Реймерс, 1990)
Человек появился на Земле около 3 - 5 млн. лет назад. Сначала это был человек-собиратель. Однако, около 1,6 млн. лет назад человек научился пользоваться огнем, что позволило ему заселить территории с умеренным климатом и заняться охотой. Использование огня и изобретение оружия привело к массовому уничтожению (перепромыслу) крупных млекопитающих средних широт. Это стало причиной первого экологического кризиса (кризиса консументов). Этот кризис заставил человека перейти от присваивающего типах хозяйства (охота и собирательство) к производящему.
Первые земледельческие цивилизации возникли в районах недостаточного увлажнения, что потребовало создания оросительных систем. В результате эрозии и засоления почв произошли локальные экологические катастрофы в бассейнах рек Тигр и Евфрат, а сведение лесов привело к появлению пустыни Сахара на месте плодородных земель. Таким образом проявился кризис примитивного земледелия.
Таблица 2.2.
Экологические кризисы в развитии биосферы и цивилизаций (по Реймерсу, 1992)
|
Название кризиса |
время |
причины |
Пути выхода |
|
Доантропогенный кризис аридизации |
3 млн. лет назад |
Наступление засушливого периода (аридизация климата) |
Возникновение прямоходящих антропоидов |
|
Кризис обеднения ресурсов собирательства и промысла для человека |
30-50 тыс. лет назад |
Недостаток доступных древнему человеку ресурсов |
Биотехнологическая революция. Появление простейших биотехнологий, например выжигания растительности для обновления экосистем |
|
Кризис перепромысла крупных животных (кризис консументов) |
10 – 50 тыс. лет назад |
Массовое истребление человеком крупных животных |
Первая сельскохозяйственная революция – переход к примитивному земледелию и скотоводству |
|
Кризис примитивного поливного земледелия |
1,5 – 2 тыс. лет назад |
Примитивный полив, сопутствующие ему истощение и засоление почв |
Вторая сельскохозяйственная революция. Переход к неполивному (богарному) земледелию |
|
Кризис недостатка растительных ресурсов и продовольствия (кризис продуцентов) |
1000 - 200 лет назад (Западная Европа). В остальном мире - продолжается |
Перепромысел лесов, истощительное земледелие, отсталые технологии |
Промышленная революция, новые технологии в сельском хозяйстве |
|
Кризис загрязнения окружающей среды (кризис редуцентов) |
70 лет назад – до наст. времени |
Многоотходные технологии, загрязнение окружающей среды ксенобиотиками, истощительное, нерациональное природопользование |
Экологизация производства, поиск энергосберегающих и безотходных технологий |
|
Глобальный термодинамический кризис |
Начался и прогнозируется |
Выделение в ОС избыточного количества тепла, парниковый эффект |
Нестабильность климатической системы, поиск решений: например, ограничение использования энергии и парниковых газов. |
|
Кризис глобального исчерпания надежности экологических систем |
прогнозируется |
Нарушение экологического равновесия в масштабах планеты |
Приоритет экологических ценностей перед всеми другими, поиск решений |
Позднее земледелие продвинулось на территории достаточного увлажнения, в районы лесостепи и леса, в результате чего началась интенсивная вырубка лесов. Развитие земледелия и нужда в древесине для строительства и отопления помещений привели к катастрофическому уничтожению лесов в Западной Европе. Это явление характеризуется как кризис продуцентов.
С XVIII века в результате промышленной, а затем и научно-технической революции на смену доиндустриальной эпохи приходит индустриальная. За последние 100 лет потребление возросло по крайней мере в 100 раз, в результате чего появилось огромное количество отходов, причем часто в виде несвойственных для биосферы веществ. Так проявляет себя кризис редуцентов. Редуценты сейчас не успевают очищать биосферу от загрязнения, часто они просто неспособны разлагать образующиеся вещества. В результате нарушаются круговороты веществ в биосфере.
В настоящее время происходит также и тепловое загрязнение биосферы, следствием которого может стать глобальное потепление. Этот кризис получил название термодинамического кризиса.
Еще одним экологическим кризисом является снижение надежности экологических систем. В настоящее время он пока только прогнозируется, однако, если человечество не сделает экологическое состояние планеты своим приоритетом, он в перспективе может разрушить биосферу полностью.
К глобальным экологическим проблемам обычно относят загрязнение окружающей среды; проблемы, связанные с ростом народонаселения; глобальные изменения климата; разрушение озонового слоя; кислотные осадки; снижение видового разнообразия флоры и фауны.
Некоторые из этих проблем особенно ярко проявляются в определенных регионах, подверженных различным специфическим воздействиям, например, определенному виду производств. В этом случае говорят о региональных экологических проблемах.
Загрязнением в узком смысле считается привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение естественного уровня этих агентов в среде. Так как объектом загрязнения всегда является экосистема), наличие вредных веществ означает применение режимов воздействия экологических факторов, что приводит к нарушению в экологической нише (или звена в пищевой цепи). Это в свою очередь приводит к нарушению обмена веществ, снижению интенсивности ассимиляции продуцентов, а значит, и продуктивности биоценоза в целом.
Прежде всего, выделяют природные и антропогенные загрязнения. Природное з. возникают в результате естественных причин (пыльные бури, вулканический пепел и т.д.). Антропогенное з. – возникает под влиянием деятельности человека. В большинстве случаев экологическими проблемами становятся последние, однако иногда сильные вулканические загрязнения могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду. Примером такого явления может служить извержение вулкана Эйяфьядлайёкюдль в 2010 году, которое привело к закрытию воздушного пространства над Европой в связи с загрязнением атмосферы вулканической пылью.
Антропогенные загрязнения можно классифицировать разными способами. Так, по видам загрязняющих агентов выделяют:
По масштабам выделяют глобальное, региональное и локальное загрязнение.
По объектам загрязнения различают загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение поверхностных и подземных вод, загрязнение почв, загрязнение космического пространства.
Существует также классификация загрязнений, основанная на системном подходе. В этом случае выделяют:
Ингредиентное загрязнение – совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам.
Параметрическое загрязнение – изменение качественных параметров окружающей природной среды (шумовое, тепловое, радиационное, электромагнитное).
Биоценотическое загрязнение – воздействия, вызывающие нарушения в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и акклиматизация видов и т.д.).
Стационарно-деструктивное загрязнение – воздействие, приводящее к нарушению и преобразованию ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (вырубка лесов, эрозия почв, зарегулирование водотоков).
Наиболее практически ценными являются классификация по видам загрязняющих объектов и по объектам загрязнения. Рассмотрим их немного подробнее.
Химическое загрязнение. Химические загрязнители могут вызывать острые отравления, хронические болезни, а также оказывать канцерогенное, мутагенное и тератогенное действие. Например, тяжелые металлы получили свое название благодаря высоким значениям атомной массы. Они способны накапливаться в растительных и животных тканях, оказывая токсичное воздействие. В небольших количествах некоторые тяжелые металлы необходимы для жизнедеятельности человека. Среди них – медь, цинк, марганец, железо, кобальт, молибден и другие. Однако увеличение их содержания выше нормы вызывает токсичный эффект и представляет угрозу для здоровья. Кроме того, существует около 20 металлов, не являющихся необходимыми для функционирования организма. Наиболее опасные из них – ртуть, свинец, кадмий и мышьяк. Отравление человека ртутью известно как болезнь Минимато. Она впервые была обнаружена у японских рыбаков при потреблении рыбы из загрязненных ртутью водоемов. Клиническая картина связана с необратимыми изменениями в нервной системе вплоть до летальных исходов.
Кадмий представляет собой один из самых опасных токсикантов среды. Воздействие кадмия на организм приводит к нарушению работы почек и вызывает необратимые изменения в скелете. Он опасен в любой форме – доза 30-40 мг может оказаться смертельной. Больше всего кадмия в организм поступает с растительной пищей. Растения и грибы поглощают до 70% кадмия из почвы и 30% из воздуха. Аккумуляцию кадмия в организме тормозит достаточное количество железа в крови, а большие дозы витамина Д действуют как противоядие при отравлении кадмием.
Свинец и многие его соединения используются в промышленности для изготовления некоторых сплавов, аккумуляторов, припоев, химической аппаратуры, защитных средств от ионизирующего излучения, в производстве хрусталя, а также в качестве красок (свинцовые белила), глазури для гончарных изделий и пр. Основным источником загрязнения среды свинцом является автотранспорт. Попадая в организм, свинец накапливается во многих органах и тканях, создавая депо: большая часть его откладывается в костях, вытесняя соли кальция из костной ткани. Кроме того, он депонируется в мышцах, печени, почках, селезенке, головном мозге, сердце и лимфатических узлах. Из депо свинец выделяется медленно, иногда в течение нескольких лет после прекращения контакта с ним.
Помимо тяжелых металлов, особо опасными загрязнителями являются диоксины, которые образуются из хлор- и фтор -производных ароматических углеводородов, используемых при производстве бактерицидных и гербицидных препаратов. Диоксины практически не выводятся из почвы и водной среды. Они чрезвычайно токсичны для человека и животных даже в очень низких концентрациях. Вызывают поражение печени, почек, иммунной системы, обладают канцерогенным, тератогенным и мутагенным действием.
Формальдегид выделяется из прессованных плит, используемых в конструкции настилов полов, шкафов и другой мебели. Обладает выраженным эмбриотоксическим действием, а также канцерогенным, тератогенным и мутагенным эффектами.
Бензапирен – содержится в загрязненном городском воздухе, выхлопных газах, сигаретном дыме. Является сильным канцерогеном. Так же сильными канцерогенами являются и остальные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) образуется при неполном сгорании органических веществ, содержащих углерод и водород. Основная их масса образуется при горении мусора, древесины, нефти.
Широкая химизация сельского хозяйства привела к активному применению для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур пестицидов и гербицидов, которые являются ядохимикатами и при контакте с человеком могут привести как к хроническим интоксикации, так и к острым отравлениям. Хлорорганические (ХОС) и фосфорорганические (ФОС) ядохимикаты при поступлении в организм внутрь, а также через дыхательные пути, слизистые и кожные покровы могут вызвать острые отравления, проявляющиеся рвотой, резкими болями в животе, повышением артериального давления, явлениями почечной и сердечно-сосудистой недостаточности, нарушениями со стороны ЦНС.
При химических загрязнениях атмосферный путь поступления токсичных веществ в организм человека является ведущим, так как в течение суток он потребляет около 15-25 кг воздуха, 2,5-5 кг воды и 1,5-2,5 кг пищи. Кроме того, при ингаляции химические элементы поглощаются организмом особенно интенсивно. Загрязнением атмосферы обусловлено до 30% общих заболеваний населения промышленных центров.
Физическое загрязнение. Физическим загрязнением называют загрязнение, которое связано с изменением физических параметров среды: шумовых, радиационных, световых, температурных, электромагнитных, и т.п.
Основными источниками шума являются все виды транспорта (и прежде всего авто- и железнодорожный), промышленные предприятия и бытовое оборудование (включая звуковую аппаратуру).
Шум порядка 90-100 дБ вызывает постепенное ослабление слуха, нервно-психический стресс, язвенную болезнь, сердечно-сосудистые заболевания (в крови существенно повышается уровень холестерина), заболевания щитовидной железы. Длительное воздействие очень сильного шума (более 110 дБ) приводит к агрессивному состоянию (т. н. «шумовому» опьянению), разрушению тканей тела, обострению хронических заболеваний и снижению продолжительности жизни.
Шумовое загрязнение отрицательно воздействует на организм человека, вызывая повышенную утомляемость, снижение умственной активности, понижение производительности труда, развитие сердечно-сосудистых и нервных заболеваний. По мнению ученых, шум сокращает продолжительность жизни человека в больших городах на 8-12 лет. Физиолого-биохимическая адаптация человека к шуму невозможна.
Сильный шум является для человека физическим наркотиком. Поэтому часть людей и, прежде всего молодежь, увлекаясь современной музыкой с большой интенсивностью ее звучания, подвергает свое здоровье опасности вследствие воздействия на организм физического наркотика.
В шумных районах выявлена тенденция к увеличению таких заболеваний, как вегетососудистая дистония (на 20 %), ишемическая болезнь (на 5-10 %). Ослабляющее действие шума на защитные силы организма проявляется в значительном увеличении общей заболеваемости.
Несмотря на сложную акустическую обстановку в крупных городах, вопросы защиты от шума практически не решаются. Уровень шума отечественных транспортных средств значительно выше, чем зарубежных. Не уделяется должного внимания разработке и внедрению малошумных конструкций автомашин, двигателей, самолетов, малошумных технологий. Недостаточно внедряются шумозащитные сооружения, мало строят домов с повышенной изоляцией стен и окон.
Население крупных городов подвергается воздействию вибрации, которая возникает при движении рельсового транспорта, тяжелых грузовых автомобилей и при работе промышленных предприятий.
Основными источниками электромагнитных излучений (ЭМИ) являются радиотехнические объекты (РТО), телевизионные и радиолокационные станции (РЛС), технологические установки, используемые в промышленности, научных и медицинских учреждениях. Повышение радиофона наблюдается в районах аэропортов.
Электромагнитные поля промышленной частоты в основном поглощаются почвой, поэтому на небольшом расстоянии от линии электропередачи ~ 100 м) напряженность этого поля падает с десятков тысяч до нескольких десятков вольт на метр.
При длительном воздействии электромагнитных излучений (ЭМИ) возможны нарушения в сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной системах. Новые научные данные свидетельствуют об усугубляющем влиянии электромагнитных полей на онкологические заболевания.
Электромагнитные излучения влияют на структуру почв, в результате чего огромные площади становятся непригодными для сельского хозяйства и лесных насаждений. Данный эффект особенно проявляется в местах расположения линий электропередачи (ЛЭП). Суммарная площадь пятна, охваченная повреждающим эффектом ЛЭП, ежегодно растет.
Электромагнитные излучения теле-, радиостанций и линий электропередачи в некоторых жилых районах в 10 раз и более превышают допустимые уровни.
Одним из видов физического загрязнения является ионизирующее излучение. Оно обладает энергией, достаточной для того, чтобы выбить один или более электронов из атомов и образовать положительно заряженные ионы, которые в свою очередь вступают в реакцию и разрушают ткани живых организмов. Примерами ионизирующего излучения являются ультрафиолетовое излучение Солнца и аппаратов ультрафиолетового облучения, рентгеновское излучение, нейтронное излучение, возникающее в ходе реакции ядерного деления и ядерного синтеза, а также альфа-, бета- и гамма-излучение, испускаемое радиоактивными изотопами. У некоторых веществ все изотопы радиоактивные (технеций, прометий, а также все элементы таблицы Менделеева, начиная с полония и кончая трансурановыми).
Фоновое радиоактивное излучение складывается из трех групп факторов: природного естественного радиоактивного фона, вызванного присутствием в биосфере многочисленной группы радионуклидов, технологически повышенного естественного фона, вызванного деятельностью человека, искусственных источников излучения (флюорография, рентгенодиагностика и т.п.).
Воздействие ионизирующего излучения приводит к повреждению клеток человеческого организма двумя способами. Один из них наносит генетические повреждения, которые изменяют гены и хромосомы. Другой способ вызывает соматические повреждения: ожоги, выкидыши, гладкие катаракты, раковые заболевания костей, щитовидной и молочной желез, легких.
Ионизирующее излучение вызывает острую и хроническую лучевую болезнь, тяжесть которой зависит от дозы облучения. Оно оказывает мощное мутагенное, эмбриотоксическое и тератогенное воздействие. При этом более чувствительны к нему высокоорганизованные организмы, в том числе человек, а наиболее устойчивыми являются микроорганизмы. Источники радиоактивного загрязнения: глобально распространенные радиоактивные изотопы продукты испытаний ядерного оружия; плановые и аварийные выбросы радиоактивных веществ в окружающую среду от предприятий атомной промышленности; выбросы в атмосферу и водные системы радиоактивных веществ с действующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации; привнесенная радиоактивность (твердые радиоактивные отходы и радиоактивные источники).
В настоящее время широкомасштабное применение радиоактивных материалов в сочетании с социальными катаклизмами создали условия для использования специфических свойств «мирного атома» экстремистскими группами и организациями.
Тепловое загрязнение является результатом повышения температуры среды, возникающее при отводе воды от систем охлаждения в водные объекты, при выбросе потоков дымовых газов или воздуха. Тепловое загрязнение водоемов приводит к последовательной смене видового состава биоценоза водорослей. Известны факты, когда сброс теплых вод создавал тепловой барьер для рыб на путях к нерестилищам.
Световое загрязнение создается при нарушении естественного режима освещенности в результате воздействия искусственных источников света, приводит к аномалиям в жизни животных и растений.
Биологическое загрязнение. Чрезвычайно опасными являются биологические загрязнения, которые вызываются патогенными микроорганизмами, Такие эпидемии, как холера, оспа, чума вызываются бактериями, грипп, СПИД – вирусами. Недостаточно очищенные и обезвреженные бытовые сточные воды содержат большой комплекс патогенных микроорганизмов, вызывающих кожные, кишечные, глистные заболевания. Однако бактерии содержатся повсеместно и жизнь на земле была бы не возможна без этих одноклеточных микроорганизмов, помогающих разлагать и утилизировать органические остатки. В измененных человеком экосистемах происходят сложные процессы перестройки микробной биоты, в результате чего повышается активность многих природных очагов опасных для человека инфекций.
Численность комаров и многих кровососущих членистоногих (клещи, слепни), являющихся переносчиками и резервуарами инфекций, резко увеличилась в результате крупных мелиоративных работ, вырубки лесов и других видов хозяйственной деятельности. Заболеваемость лихорадкой Западного Нила постоянно регистрируется в Астраханской обл. В 1991-1992 гг. в Читинской обл. и Туве была зарегистрирована вспышка чумы крупного рогатого скота (это заболевание не отмечалось в стране 60 лет).
Перенос возбудителей инфекционных заболеваний на территорию нашей страны и быстрая адаптация их в новых условиях может вызвать массовые заболевания среди населения и животных.
Более того, существуют непатогенные или условно-патогенные микроорганизмы, которые в качестве биотопа (места обитания) избрали организм человека. Так, полости рта, носа, и др. являются местом обитания многих микроорганизмов, которые не только не вредят человеку, но и стимулируют его защитные силы, способствуют перевариванию остатков пищи, вырабатывают витамины. Однако превышение при неблагоприятных для человека условиях (изменение температуры окружающей среды, снижение иммунитета и пр.) количеств этих микроорганизмов над нормой изменяет соотношение микроорганизмов, приводя к дисбактериозу, а это уже болезнь. При этом условно-патогенные организмы, которые в норме являются сапрофитами (такие, как дрожжеподобные грибки – кандиды и некоторые вирусы) вызывают заболевания – кандидозы и ОРВИ соответственно.
В ряде случаев случайно переселенные в новые экосистемы животные или растения могут приносить большой ущерб сельскому хозяйству (макробиологические загрязнения). Так случилось, например, в. Европе с американским колорадским жуком, ставшим здесь массовым вредителем пасленовых. Европа «отплатила» Америке случайным заносом в дубовые леса непарного шелкопряда, который быстро размножился, найдя здесь свою экологическую нишу, и стал опасным вредителем. Биологическое загрязнение в результате случайной интродукции в природную среду животных и растений также наносит ощутимый ущерб благополучию сложившихся экосистем. Только за последние 10-15 лет в импортной продукции было обнаружено 150 видов семян сорняков растений, большинство из которых не произрастает в нашей стране. Наиболее засоренным было зерно пшеницы из США. Следовательно, наряду с зерновой продукцией мы импортируем и сотни миллионов семян сорняков, часть которых весьма злостные. Вместе с балластными водами в Черное и Азовское моря был завезен гребневик из США, что привело к снижению биомассы планктона и, как следствие этого, запасов хамсы и кильки. Колорадский жук был завезен тоже случайно, но теперь в 58 краях, областях и республиках он стал злостным вредителем, и на борьбу с ним приходится тратить большие средства.
В отдельную группу стоит отнести лекарственные загрязнения и загрязнения от предприятий микробиологического синтеза. Некоторые лекарственные препараты даже в терапевтической дозе оказывают неблаготворное влияние на организм человека. Такие препараты, как амидопирин, фенацетин запрещены к производству, так как являются выраженными канцерогенами. Антибиотики тетрациклинового ряда обладают ототоксичеким эффектом. При неправильном подборе дозы, они, поражая слуховой нерв, вызывают глухоту. А прием тетрациклина во время беременности может вызвать глухоту у новорожденного ребенка. Кроме того, многие антибиотики поражают биоценоз кишечника и других внутренних сред организма, вызывая дисбактериозы и кандидозы.
К особому виду загрязнений относятся загрязнения внутренней среды организма за счет использования в пищу нетрадиционных продуктов питания, в том числе белка микробного происхождения, выращенного на различном сырье. В качестве микроба-продуцента предлагают к использованию условно-патогенные грибы кандида альбиканс, а в качестве среды культивирования – нормальные парафины нефти. В этом случае внутренняя среда организма человека может подвергнуться загрязнению нетрадиционными для нее жирными кислотами с нечетным количеством атомов углерода, нетипичными для макроорганизма аминокислотами, остаточными количествами среды культивирования, что может привести к различным заболеваниям, в том числе к кандидозам.
Степень воздействия деятельности человека на природу сильно зависит от величины народонаселения – чем оно больше, тем выше степень воздействия антропогенных факторов на биосферу.
С момента появления человека численность народонаселения постоянно увеличивается, однако до начала XIX века прирост населения был относительно невелик. Только в 1830 г. численность превысила 1 млрд. чел. Потребовалось 100 лет для того, чтобы она удвоилась (1930 г.). 3 млрд. она достигла через 30 лет (1960 г.), спустя 15 лет на планете было уже 4 млрд. чел. (1975 г.) и наконец через 12 лет (1987 г.) численность населения достигла 5 млрд. чел. В 1999 году численность населения составила 6 млрд., а еще через 12 лет, в 2012 году – 7 млрд. человек. Если темпы роста народонаселения сохраняться на нынешнем уровне, то к 2050 году на нашей планете будут обитать 9,6 млрд. человек.
Таким образом, максимального уровня темпы роста народонаселения достигли во второй половине XX века. Связано это было, прежде, всего с появлением новых технологий производства пищи и других товаров, достижениями медицинской науки (например, введение асептики в постоянную медицинскую практику, открытие антибиотиков, изобретение прививок и т.д.), что привело к резкому снижению смертности (особенно детской) и увеличению средней продолжительности жизни. Это явление назвали «демографический взрыв».
В середине 1960-х годов мировая научная общественность обратила внимание на то, что возможности планеты не безграничны, и если темпы роста численности народонаселения не снизятся в ближайшие годы, может возникнуть проблема нехватки ресурсов. В ряде стран ввели политику ограничения рождаемости (самый известный пример – КНР, где численность населения уже практически стабилизировалась). Во многих развитых странах проблема роста численности населения разрешилась сама собой, путем демографического перехода. Связано это, прежде всего, с тем, что повышение требований к уровню квалификации работников требует больших затрат на их воспроизводство (люди позже вступают в брак и в самостоятельную с финансовой точки зрения жизнь), а так же с изменением роли женщины в обществе. Сейчас демографический переход к низкой рождаемости и низкой смертности происходит в той или иной степени в большинстве стран мира. Об этом свидетельствует заметное снижение темпов роста населения Земли (максимальная скорость наблюдалась в 1975-1987 годах).
К сожалению, во многих беднейших странах, прежде всего Африки и Азии, темпы роста народонаселения остаются чрезвычайно высокими, что приводит к возникновению все новых и новых экологических и социальных проблем.
Тем не менее, можно надеется, что в будущем численность населения Земли стабилизируется на уровне 10 – 11 млрд. и будет даже уменьшаться. Есть вероятность, что это произойдет уже в течение ближайшего века.
Климат – многолетний режим погоды, присущий данной местности в соответствии с ее географическими условиями. Ход процессов в атмосфере в определенное время называется погодой. Она характеризуется многими факторами: продолжительностью солнечного сияния, температурой воздуха и поверхности почвы, влажностью воздуха, атмосферным давлением, скоростью и направлением ветра, облачностью, осадками и другими атмосферными явлениями.
Общая система климата определяется двумя группами факторов – внутренними и внешними. К внутренним относятся атмосфера, гидросфера, литосфера и биосфера. Они связаны между собой физическими процессами (например, различный прогрев воздуха над сушей и над поверхностью вод). На систему внутренних факторов оказывают влияние внешние – солнечное излучение, вулканические извержения, антропогенное воздействие. Источником всех климатических процессов является солнечное излучение, падающее на Землю с постоянной энергетической плотностью. Неравномерное распределение солнечной энергии на земной поверхности обусловливает формирование различных метеорологических ситуаций, определяющих погодные условия, и климатических зон. Взаимосвязь отдельных сфер и варьирующие внешние влияния постоянно приводят к изменениям климата во времени и пространстве, поэтому попытки выявить глобальные изменения климата, вызванные вмешательством человека, сопряжены с большими трудностями.
Хозяйственная деятельность человека оказывает определенное влияние на различные компоненты климата, которые, в свою очередь, сказываются на состоянии человека и окружающей среды. Еще древние земледельцы, сводя леса и распахивая землю, изменили температуру, влажность воздуха и влагосодержание грунта, а следовательно, испарение. Современное полезащитное лесоразведение способствует уменьшению скорости ветра и нисходящему движению воздуха, сокращению непроизводительного испарения, задержанию снега, что повышает влажность нижних слоев атмосферы и почвогрунтов. При осушении болот уменьшается влажность, повышается температура. Водохранилища, наоборот, увеличивают количество воды в грунте и водяного пара в тропосфере, которые аккумулируют тепло, уменьшают годовую и суточную амплитуды температуры. Эти мероприятия не вносят существенных изменений в планетарные процессы тропосферы. Они влияют лишь на местный микроклимат.
В последние десятилетия проблема изменения климата стала вполне конкретно принимать глобальное очертание. Из антропогенных факторов, влияющих на климат можно выделить две группы факторов:
В настоящее время преобладают факторы, приводящие к потеплению климата. Однако, до сих пор невозможно утверждать, что причины повышения температуры на планете носят чисто антропогенный характер. Однако, вероятность этого не исключена.
Основой планетарного потепления считается парниковый эффект. Как процесс повышения концентрации углекислого газа (СО2) в атмосфере он известен уже более 100 лет. Однако лишь относительно недавно было обращено внимание на то, что хозяйственная деятельность человека может усилить этот эффект и вызвать глобальное потепление климата, что грозит серьезными социальными, экономическими и экологическими последствиями. Парниковый эффект обусловлен прозрачностью атмосферы для основной части излучения солнца и поглощением основной инфракрасной части теплового излучения поверхности планеты, нагреваемой им. Тепловое излучение поглощают не только углекислый газ, но и пары воды, метан, озон, оксиды азота и хлорфторуглероды (ХФУ). Поэтому все эти газы называют парниковыми. Многие из них поглощают инфракрасное излучение в 50 – 100 раз сильнее, чем СО2. И хотя их содержание в воздухе значительно ниже, но в сумме они влияют на температурный режим планеты почти так же, как СО2. Вклад парниковых газов в потепление климата оценивается (%): СО2 – 60; СH4 – 15; ХФУ – 12; O3 – 8 и NOx – 5. Таким образом, наибольший вклад в парниковый эффект вносит улекислый газ. Парниковый эффект описан на схеме, изображенной на рисунке 2.9.
Рисунок 2.9. Возникновение парникового эффекта.
Существует целый ряд источников парниковых газов в биосфере, как антропогенные, так и природные. К сожалению, доля антропогенных источников до сих пор до конца не определена. Перечислим эти источники:
Глобальное потепление может привести к целому ряду последствий для биосферы. Большинство из которых, безусловно, отрицательны.
Прежде всего, это снижение устойчивости климата, которое может проявляться в виде учащения стихийных бедствий и аномальных погодных явлений. Последние 10 лет такие явления, безусловно, наблюдаются.
Следствием этого становится изменение распределения осадков по поверхности Земли, приводящее к засухам и наводнениям.
В результате таянья ледников может произойти повышение уровня Мирового океана, а также снизится его соленость. Снижение солености может привести к замедлению многих течений, определяющих климат многих территорий. Например, климат Западной Европы во многом определят Гольфстрим, замедление которого может привести к значительному локальному похолоданию.
В результате повышения уровня океана могут быть затоплены многие прибрежные территории и может произойти массовая миграция и гибель многих видов растений и животных.
Однако, в последнее время, начали говорить и положительных последствиях для некоторых территорий. Прежде всего, это возможное повышение продуктивности сельского хозяйства в некоторых районах.
Тем не менее отрицательные последствия, скорее всего, будут преобладать. В связи с ними с 1980-х годов разрабатывают меры борьбы с последствиями глобального потепления. Перечислим основные из них:
Озоновый слой (озоносфера) – это зона повышенной концентрации озона, расположенная на высоте 22-24 км. Основной его функцией является защита всего живого от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое способно разрушать молекулы ДНК.
Начиная с 1980-х годов над полюсами (сперва над Антарктидой, потом и над Арктикой) стали наблюдаться так называемые «озоновые дыры» - области с пониженной концентрацией озона. Позже озоновые дыры были обнаружены и в других местах. Несомненно, это опасная тенденция для биосферы.
К уменьшению концентрации озона в атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению озона из приполярных широт, и образование полярных стратосферных облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее ввиду отсутствия континентальной поверхности, температура выше на несколько градусов, чем в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, моноксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома).
Таким образом, к возникновению «озоновых дыр» могут вести как природные, так и антропогенные процессы.
Основной антропогенной причиной снижения концентрации озона в атмосфере является значительное содержание в атмосфере фреонов. Фреоны (галогенуглероды) – высоколетучие, химически инертные у земной поверхности вещества, которые широко применяются в качестве хладагентов, пенообразователей и распылителей. Для разрушения озонового слоя наибольшее значение имеют хлор- и бром-содержащие фреоны. Фтор практически не оказывает влияние на озоносферу. Поднимаясь в верхние слои атмосферы фреоны подвергаются фотохимическому разложению с образованием оксида хлора, который интенсивно разрушает озон.
Для борьбы с дальнейшим разрушением озонового слоя еще в 1987 году был принят Монреальский протокол, согласно которому производство и применение фреонов должно быть ограничено. Он регулярно уточняется и пересматривается. В настоящее время его ратифицировали 196 стран.
Кислотными называют любые осадки (дожди, туманы, снег), кислотность которых выше нормальной. К ним также относится выпадение сухих кислых частиц. Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским учёным Робертом Смитом в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии».
При нормальных условиях чистая дождевая вода, содержащая растворенный атмосферный диоксид углерода, образующий угольную кислоту, имеет рН = 5,6. Таким образом, кислотными считаются осадки, имеющие величины рН ниже этого показателя. Максимальная зарегистрированная в Западной Европе кислотность осадков – рН=2,3, в основном же осадки, выпадающие в городах, имеют значение рН – 4,5-5,5.
В настоящее время считается, что кислотные осадки на 2/3 обусловлены выбросами диоксида серы (SO2) и на 1/3 выбросами оксидов азота (NOx). Небольшой вклад в образование кислотных осадков вносят пары различных кислот, аммиак и летучие органические соединения. 88 % диоксида серы поступает от тепловых электростанций (ТЭС) и промышленных энергетических объектов, оставшиеся 12 % – от производства серной кислоты, переработки сульфидных руд и ряда других производств. Оксиды азота поступают в атмосферу в основном от ТЭС и промышленных энергетических объектов – 51 % и с выхлопными газами автомобилей - 44 %, на остальные источники приходится всего около 5 %.
Кислотные осадки оказывают негативное воздействие на экосистемы. Во-первых, кислая среда отрицательно влияет на деятельность практически всех ферментов, гормонов и других белков в организмах, регулирующих метаболизм, рост и развитие. Во-вторых, просачиваясь сквозь почву, кислые осадки выщелачивают алюминий и тяжелые металлы. Пока они связаны в нерастворимые соединения, растения и животные не способны их поглощать. Однако при низких значениях рН алюминий и тяжелые металлы переходят в растворимую форму и становятся доступными для растений и животных. Поэтому, попадая в почву или водные объекты, кислотные осадки наносят огромный вред. Некоторые виды озерной фауны в Швеции, Норвегии, Канаде и ряде других стран погибли, а это значит, что погибло много птиц и других животных, питающихся рыбой. Алюминий и тяжелые металлы крайне вредны для растений и животных, кроме того, их мобилизация приводит к загрязнению не только поверхностных, но и подземных вод, почв. При этом гибнут крайне необходимые почвенные бактерии и другие живые организмы. В-третьих, при прямом контакте кислотные осадки разрушают восковой покров на листьях и хвое, которые становятся более уязвимыми для любых внешних воздействий. Растительность начинает болеть, а затем и гибнуть. В-четвертых, кислотные осадки разрушают известковые породы, что приводит к снижению буферной емкости экосистем. Истощение буферной емкости происходит постепенно, но если не будут приняты своевременные меры для исправления неблагоприятной ситуации, последствия могут оказаться для отдельных регионов катастрофическими.
Кроме того, кислотные осадки в ряде случаем могут приводить к разрушению памятников архитектуры, трубопроводов, портить автомобили и т.д. Кислотные осадки вызывают повышение кислотности почв. В результате этого снижается эффективность применения минеральных удобрений. Из видового состава трав на долголетних культурных сенокосах и пастбищах выпадают наиболее ценные виды. Кислотные осадки несут летальные последствия для озер, рек и других водоемов. Гибнут леса, в первую очередь елово – пихтовые и дубовые. Во всех средах обитания отмечается гибель растений и животных, прямо или косвенно воды загрязняются токсичными металлами, экстрагированными из почвы, разрушается гумус - плодородный слой почв.
Очень опасно подкисление океанических мелководий, ведущее к невозможности размножения многих морских беспозвоночных животных, что может вызвать разрыв пищевых цепей и глубокое нарушение экологического равновесия в Мировом океане.
Подсчитано, что сокращение кислотных осадков на 50 % позволило бы приостановить дальнейшее подкисление окружающей среды. Это, конечно, не исправит сложившегося положения, но, как предполагают ученые, не допустит ухудшения ситуации. Поскольку большая часть кислых газов выбрасывается в атмосферу энергетическими установками, необходимо сосредоточить главное внимание на экономии энергии, переходе с угля на другие виды топлива, содержащие меньше серы (возможна предварительная подготовка угля и нормирование в нем содержания серы), на разработке и внедрении эффективных систем очистки газовых выбросов.
Биологическое разнообразие мира – одна из важнейших основ устойчивости биосферы, экономическая, генетическая, социальная, образовательная и культурная ценности нашей планеты. Биологические ресурсы нас кормят и одевают, обеспечивают жильем, лекарствами и духовной пищей.
Социально-экономические выгоды биологического разнообразия огромны. Сегодня мы используем только около 7000 видов растений - не более 1-2 % от всего разнообразия флористического мира.
Исчезновение видов, снижение видового разнообразия резко понижает устойчивость биосферы к воздействию различных экологических факторов. Причем, как отмечалось ранее, гибель одного из видов – это невосполнимая потеря, начало гибельной цепочки. Исчезновение видов происходит как в результате их прямого преследования или чрезмерного использования (например, охота, промысел морского зверя, неумеренный или неправильный сбор диких растений и т.п.), так и путем преднамеренного прямого или косвенного воздействия на них через среду обитания.
В настоящее время наибольшее значение имеют истребление путем преднамеренного уничтожения мест обитания животных и растений, изменение химизма среды из-за загрязнения, фактор беспокойства и другие косвенные воздействия человека. Кроме того, в ряде случаев к снижению видового разнообразия приводит появление видов-интродуцентов (вселенцев), чужеродных для конкретных экосистем.
Для примера перечислим факторы, угрожающие позвоночным животным, перечислены ниже. Пред косой чертой указано число видов, находящихся под угрозой исчезновения, за косой – процент от общего числа таких видов (сумма, превышающая 100 %, образовалась потому, что ряду видов угрожает несколько факторов):
Основными мерами сохранения биоразнообразия на данный момент являются:
1.Составление «красных книг» (списков видов, подлежащих охране на той или иной территории). Существуют Красные книги разных уровней от международной до местных (например, Красная книга Московской области)
2.Организация ООПТ (особо охраняемых природных территорий). В России существует несколько видов ООПТ. Прежде всего, это заповедники, на территории которых полностью запрещена хозяйственная деятельность; национальные парки, которые занимаются, прежде всего просветительской деятельностью (на их территориях разрешен туризм); заказники (небольшие ООПТ, созданные, как правило для охраны конкретных видов); памятники природы (конкретные природные объекты, подлежащие охране)
3.Разведение редких организмов в ботанических садах и зоопарках
4.Реинтродукция (повторное вселение) видов в места их прежнего местообитания
Экологические проблемы конкретных регионов оцениваются по следующим признакам: загрязнение атмосферы; истощение и загрязнение вод суши; загрязнение морей; обезлесение; деградация лесов; деградация естественных кормовых угодий; истощение рыбных запасов; ускоренная эрозия почв; интенсивное оврагообразование; нарушение мерзлотного режима почвогрунтов; комплексное нарушение земель при горных разработках; утрата продуктивности земель; снижение и потеря рекреационных качеств ландшафтов; нарушение режима особо охраняемых территорий.
В настоящее время на территории России выделено около 200 территорий с острой экологической ситуацией площадью около 2,8 млн. км2 (20 % всей территории страны). В условиях экологического дискомфорта проживает 40 % городского населения. В ряде регионов антропогенные нагрузки давно превышают установленные нормы, создавая критическую ситуацию, при которой изменяются ландшафты, истощаются ресурсов, ухудшаются условия проживания населения. К числу таких территорий можно отнести следующие.
Кольский полуостров. Сильно загрязнены все три основных компонента окружающей среды. Основную угрозу представляют предприятия цветной металлургии. Высокая чувствительность северных экосистем к техногенным воздействиям и слабая миграционная способность загрязняющих веществ усугубляют ситуацию.
Северный Прикаспий. Главную опасность создает Астраханский газовый комплекс, а также предприятия по разведке и добыче нефти и газа.
Среднее Поволжье. Экологическая напряженность связана с высокой концентрацией нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Особенно сильно загрязнена воздушная среда.
Уральский регион. Высокая концентрация различных отраслей промышленности. На Южном Урале объем вредных выбросов вдвое больше, чем на Среднем Урале, а также находится обширная зона радиоактивного загрязнения (предприятия ядерно-топливного цикла вокруг Челябинска). Большой урон региону наносит и экстенсивное земледелие.
Западная Сибирь. В результате лесопромышленного освоения здесь разрушена среда обитания коренного населения, истощены леса, острая экологическая ситуация сложилась и в обширных нефтегазопромысловых районах.
Кузбасс. Это район с мощной горнодобывающей и тяжелой промышленностью, сосредоточенной на относительно небольшой территории. Сильно нарушены земли, загрязнены все компоненты окружающей среды.
Норильск. Основной источник - крупнейший в Европе горно-металлургический комбинат. В связи с этим загрязнены почти все компоненты окружающей среды. Чувствительность северных экосистем к техногенным воздействиям, как и на Кольском полуострове, усугубляет и без того сложную экологическую ситуацию.
Калмыкия. Деградация кормовых угодий из-за неумеренного и бессистемного выпаса скота (засоление грунтов, ветровая и водная эрозия, опустынивание земель).
Рекреационные зоны побережья Черного и Азовского морей. Истощение и загрязнение воды и воздуха, снижение и потеря природно – рекреационных качеств ландшафта.
Городские агломерации Москвы и Санкт-Петербурга. Основными источниками загрязнения здесь являются автотранспорт, предприятия коммунально-бытового сектора и сельское хозяйство. В столицах наблюдается повышенный уровень загрязнения воздуха, шумовое и другие виды физических загрязнений.
PAGE 79