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
Билет № 1 - 3
Экология – это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их природой, о структуре и функционировании надорганизменных систем.
Термин «экология» в 1866 г. ввел немецкий эволюционист Эрнст Геккель. Э. Геккель считал, что экология должна изучать различные формы борьбы за существование. В первичном значении, экология – это наука об отношениях организмов к окружающей среде (от греч. «oikos» – жилище, местопребывание, убежище).
Экология, как и любая наука, характеризуется наличием собственного объекта, предмета, задач и методов
Объектом экологии являются биологические системы надорганизменного уровня: популяции, сообщества, экосистемы (Ю. Одум, 1986).
Предметом экологии являются взаимоотношения организмов и надорганизменных систем с окружающих их органической и неорганической средой (Э. Геккель, 1870; Р. Уиттекер, 1980; Т. Фенчил, 1987).
Из множества определений предмета экологии вытекает и множество задач, стоящих перед современной экологией:
– Изучение структуры пространственно-временных объединений организмов (популяций, сообществ, экосистем, биосферы).
– Изучение круговорота веществ и потоков энергии в надорганизменных системах.
– Изучение закономерностей функционирования экосистем и биосферы в целом.
– Изучение реакции надорганизменных систем на воздействие разнообразных экологических факторов.
– Моделирование биологических явлений для экологического прогнозирования.
– Создание теоретической основы охраны природы.
– Научное обоснование производственных и социально-экономических программ.
Структура современной экологии
Экология делится на фундаментальную и прикладную. Фундаментальная экология изучает наиболее общие экологические закономерности, а прикладная – использует полученные знания для обеспечения устойчивого развития общества.
Основу экологии составляет биоэкология как раздел общей биологии. «Спасти человека – это, прежде всего, сохранить природу. И здесь только биологи могут привести необходимые аргументы, доказывающие правомерность высказанного тезиса».
Биоэкология (как и любая наука) делится на общую и частную. В состав общей биоэкологии входят разделы:
1. Аутэкология – изучает взаимодействие со средой обитания отдельных организмов определенных видов.
2. Экология популяций (демэкология) – изучает структуру популяций и ее изменение под воздействием экологических факторов.
3. Синэкология – изучает структуру и функционирование сообществ и экосистем.
К общей биоэкологии относятся и другие разделы:
– эволюционная экология – изучает экологические механизмы эволюционного преобразования популяций;
– палеоэкология – изучает экологические связи вымерших групп организмов и сообществ;
– морфологическая экология – изучает закономерности изменения строения органов и структур в зависимости от условий обитания;
– физиологическая экология – изучает закономерности физиологических изменений, лежащих в основе адаптации организмов;
– биохимическая экология – изучает молекулярные механизмы приспособительных преобразований в организмах в ответ на изменение среды;
– математическая экология – на основании выявленных закономерностей разрабатывает математические модели, позволяющие прогнозировать состояние экосистем, а также управлять ими.
Взаимосвязь экологии с другими науками
Экология тесно взаимодействует с другими науками: как биологическими, так и других областей знаний.
На стыке экологии и других биологических наук возникли:
экоморфология - выясняет, как условия среды формируют строение организмов;
экофизиология - изучает физиологические адаптации организмов к факторам среды;
экоэтология - исследует зависимость поведения организмов от условий их жизни;
генетика популяций - изучает реакции особей с разным генотипом на условия среды обитания;
биогеография - изучает закономерности размещения организмов в пространстве.
Экология взаимодействует и с географическими науками: геологией, физической и экономической географией, климатологией, почвоведением, гидрологией; другими естественными науками (химией, физикой). Она неотделима от морали, права, экономики и т. д.
Билет № 4
На сегодняшний день самой большой и опасной проблемой является истощение и разрушение природной среды, нарушение внутри нее экологического равновесия в результате растущей и плохо контролируемой деятельностью людей. Исключительный вред приносят производственные и транспортные катастрофы, которые ведут к массовой гибели живых организмов, заражению и загрязнению мирового океана, атмосферы, почвы. Но еще большее негативное воздействие оказывают непрерывные выбросы вредных веществ в окружающую среду Во- первых, сильное влияние на здоровье людей, тем более разрушительное, что человечество все сильнее скучивается в городах, где концентрация вредных веществ воздухе, почве, атмосфере, непосредственно в помещениях, а также и в других воздействий (электричество, радиоволны и пр.) очень высоко.
Во-вторых, исчезают многие виды животных и растений, и появляются новые опасные микроорганизмы.
В- третьих, ухудшается ландшафт, плодородные земли превращаются в сваи, реки в сточные канавы, изменяется местами водный режим и климат. Но самой большой опасностью грозит глобальное изменение (потепление) климата, возможное, например, из-за увеличения в атмосфере углекислоты. Это способно привести к таянию ледников. В результате под водой окажутся огромные и густонаселенные районы в разных регионах мира.
Загрязнение атмосферы. Наиболее распространенные загрязнители атмосферы поступают в нее в основном в двух видах: либо в виде взвешенных частиц, либо в виде газов.
1. Углекислый газ. В результате сжигания топлива, а также производства цемента в атмосферу поступает огромное количество этого газа. Сам этот газ не ядовит.
2. Угарный газ. Сжигание топлива, которое создает большую часть газообразных, да и аэрозольных загрязнений атмосферы, служит источником другого углеродного соединения - угарного газа. Он ядовит, причем его опасность усугубляется тем, что он не имеет ни цвета, ни запаха, и отравление им может произойти совершенно незаметно. В настоящее время в результате деятельности человека в атмосферу поступает около 300 миллионов тонн угарного газа.
3. Углеводороды, поступающие в атмосферу в результате деятельности человека, составляют небольшую долю от углеводородов естественного происхождения, но загрязнение ими имеет весьма важное значение. Их поступление в атмосферу может происходить на любой стадии производства, обработки, хранения, перевозки и использования веществ и материалов, содержащих углеводород. Более половины углеводородов, производимых человеком, поступает в воздух в результате неполного сгорания бензина и дизельного топлива при эксплуатации автомобилей и других средств транспорта.
4. Сернистый газ. Загрязнение атмосферы соединениями серы имеет важные экологические последствия. Главные источники сернистого газа - вулканическая деятельность, а также процессы окисления сероводорода и других соединений серы. Сернистые источники сернистого газа по интенсивности давно превзошли вулканы и сейчас сравнялись с суммарной интенсивностью всех естественных источников.
5. Аэрозолевые частицы, поступают в атмосферу из естественных источников. Процессы образования аэрозолей весьма разнообразны. Это, прежде всего раздробление, размельчение и распыление, твердых веществ. В природе такое происхождение имеет минеральная пыль, поднимаемая с поверхности пустынь во время пыльных бурь. Источник атмосферы аэрозолей имеет глобальное значение, так как пустыни занимают около трети поверхности суши, да еще имеется тенденция и увеличенного их доли из- за неразумной, деятельности человека. Минеральная пыль с поверхности пустынь переносится ветром на многие тысячи километров. Аналогичное проявляется вулканический пепел, попадающий в атмосферу во время извержения происходят сравнительно редко и нерегулярно, вследствие чего этот источник аэрозоля по массе значительно уступает пыльным бурям, его значение весьма велико, так как этот аэрозоль забрасывается в верхними слои атмосферы - в стратосферу. Остается там, в течение нескольких лет, он отражает или поглощает часть солнечной энергии, которая могла бы в его отсутствии достичь поверхности Земли. Источник аэрозолей является также технологические процессы хозяйственной деятельности людей. Мощный источник минеральной пыли - промышленности строительных материалов. Добыча и дробление пород в карьерах, их транспортировка, производство цемента, само строительство - все это загрязняет атмосферу минеральными частицами. Мощный источник твердых аэрозолей - горнодобывающая промышленность, в особенности при добыче угля и руды в открытых карьерах.
Загрязнение почвы. Почти все загрязняющие вещества, которые первоначально попали в атмосферу, в конечном итоге оказываются на поверхности суши и воды. Оседающие аэрозоли могут содержать ядовитые тяжелые металлы - свинец, ртуть, медь, ванадий, кобальт, никель. Обычно они малоподвижны и накапливаются в почве. Но в почву попадают с дождями также кислоты. Соединяясь с ним, металлы могут переходить в растворимые соединения, доступные растениям. В растворимые формы переходят также вещества, постоянно присутствующие в почве, что иногда приводит к гибели растений.
Загрязнение воды. Использованная человеком вода в конечном счете возвращается в природную среду. Но, кроме испарившейся, это уже не чистая вода, а бытовая, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды, обычно не очищенные или очищенные недостаточно. Таким образом, происходит загрязнение пресноводных водоемов - рек, озер, суши и прибрежных участков морей.
Различают три вида загрязнения вод - биологическое, химическое и физическое.
Загрязнение океанов и морей происходит вследствие поступления загрязняющих веществ с речными стоками, их выпадения из атмосферы и, наконец, благодаря деятельности человека.
Особое место в загрязнении океанов занимает загрязнение нефтью и нефтепродуктами. Естественное загрязнение происходит в результате просачивания нефти из нефтеносных слоев, главным образом, на шельфе.
Наибольший вклад в нефтяное загрязнение океана вносят морские перевозки нефти, а также внезапные разливы больших количеств нефти при авариях танкеров.
Проблема кислотных дождей. При изучении кислотных дождей нужно, прежде всего, ответить на два основных вопроса: что является причиной кислотных дождей и, как они воздействуют на окружающую среду. Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается около 200 мил. Твердых частиц (пыль, сажа, и др.) 200 мил. т. сернистого газа (SO2), 700.мил. т. оксида углерода , 150.мил. т. оксидов азота (Noх), что в сумме составляет более 1 млрд. т. вредных веществ. Кислотные дожди (или, более правильно), кислотные осадки, так как выпадение вредных веществ может происходить как в виде дождя, так и в виде снега, града, наносят экологический, экономический и эстетический ущерб.
В результате выпадения кислотных осадков нарушается равновесие в экосистемах, ухудшается продуктивность почв, ржавеют металлические конструкции, разрушаются здания, сооружения, памятники архитектуры и т.д. диоксид серы адсорбируется на листьях, проникает внутрь и принимает участие в окислительных процессах. Это влечет за собой генетические и видовые изменения растений.
В первую очередь погибают некоторые лишайники, они считаются «индикаторами» чистого воздуха. Страны должны стремиться к ограничению и постепенному уменьшению загрязнения воздушной среды, включая загрязнения, выходящее за пределы своего государства.
Все глобальные проблемы современности тесно связаны друг с другом и взаимно обусловлены, так что изолированное решение их практически невозможно. Так, обеспечение дальнейшего экономического развития человечества природными ресурсами заведомо предполагает предотвращение нарастающего загрязнения окружающей среды, иначе это уже в обозримом будущем приведет к экологической катастрофе в планетарных масштабах. Именно поэтому обе эти глобальные проблемы справедливо называют экологическими и даже с определенным основанием рассматривают как две стороны единой экологической проблемы. В свою очередь, эту экологическую проблему может решить лишь на пути нового типа экологического развития, плодотворно используя потенциал научно- технической революции, одновременно предотвращая ее отрицательные последствия. И хотя темпы экологического роста за истекшие четыре десятилетия в целом в развивающихся времени этот разрыв увеличился.
Россия, имея в области добычи и переработки сырья и в военной промышленности структуру, близкую к структурам развитых стран Запада, вносит в загрязнение окружающей среды вклад, подобный вкладу развитых стран: большие выбросы парниковых и токсичных газов, накопление загрязнений в водоёмах, почве, растительности, постоянные утечки радиоактивных веществ. В то же время в России сильная деформация идёт по типу развивающихся стран: происходит быстрая деградация земель, сокращается площадь лесов, истощаются минеральные природные ископаемые.
Серьёзный вклад в углубление экологической катастрофы вносил продолжавшийся рост экономики в 80-е годы на 70% за счёт экстенсивных факторов. Особенно это касается ресурсных и военных отраслей, опирающихся в своём развитии на собственную топливно-энергетическую и сырьевую базу и огромные территориальные ресурсы.
Такие области как энергетика, добыча сырья, производство искусственных материалов, военная оказываются наиболее экологически опасными, а их сосредоточение в одном месте создаёт опасное территориально-отраслевое сочетание. Большой вклад в ухудшение и без того напряжённой экологической культуры. Всё более становится ясно, что природа - это не капитал человечества, а его естественное окружение, без которого он не может жить. Биосфера поддерживает стабильные условия окружающей среды, благоприятные для жизни в целом и для жизни человека в частности. Отсюда следует, что пределы развития человечества определяются степенью экологических нарушений, а не простым потреблением ресурсов. Стало очевидным, что вмешательство человека в естественные природные процессы зашло уже так далеко, что связанные с этим изменения среды могут оказаться необратимыми.
Всё более интенсивно потребляя природные ресурсы с помощью колоссально возрастающих по своей мощи технических средств, человечество в прогрессирующей форме улучшало условия развития своей цивилизации и своего роста, как биологического вида. Однако, завоевывая природу, человечество в значительной мере подорвало естественные основы собственной жизнедеятельности. Многие исследователи считают, что сам факт возникновения Homo Sapiens и его дальнейшее развитие стали возможными только благодаря постоянному нарушению естественного равновесия в окружающей среде и поэтому хронически сопровождались разного рода локальными, а может даже и региональными экологическими кризисами.
Проблема взаимодействия общества с природной средой в настоящее время превратилась в одну из актуальных. Это связано с тем, что ускоренный индустриальный прогресс, обеспечивающий материальные блага и комфорт человеку, сопровождается нарастающим загрязнением окружающей среды, разрушением природных комплексов биосферы, истощением природных ресурсов. Меняется химизм планеты, её климатические характеристики, местообитание растений и животных, видовой состав, меняется биосфера в целом. Загрязнение воды, воздуха, уничтожение лесов и плодородных земель достигли таких масштабов, что грозят здоровью нынешних и будущих поколений, самому существованию человечества. Экологическая проблема из национальной (региональной) превратилась в проблему глобальную. Все эти изменения экологической обстановки не могут не коснуться и самого человека. Растет количество генетических заболеваний, психических расстройств. Появляются новые болезни, неведомые ранее. Все это свидетельствует о том, что угроза экологического кризиса стала в наше время суровой реальностью.
Билет № 5
Методическую основу современной экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Системный подход используется в экологии, поскольку любой ее предмет представляет собой систему или часть системы в силу всеобщей связи элементов живой природы.
Методы регистрации и оценки состояния среды являются необходимой частью любого экологического исследования. К ним относятся: метеорологические наблюдения, измерения температуры, прозрачности, солености и химического состава воды; определение характеристик почвенной среды, измерения освещенности, радиационного фона, определение химической и бактериальной загрязненности среды и т.п.
К этой же группе методов следует отнести мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качеством среды.
Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных лежат в основе изучения природных сообществ. Для этого применяются подсчеты особей на контрольных площадках, в объемах воды или почвы, маршрутные учеты, наблюдения за перемещениями животных и т.д.
Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов составляют наиболее разнообразную группу методов экологии. В их сило входят различные сложные и длительные наблюдения в природе. Но чаще применяют экспериментальные подходы, когда в лабораториях регистрируется воздействие строго контролируемого фактора на те или иные функции растений или животных, а также исследуется применимость полученных на животных результатов к экологии человека. Этим путем устанавливаются оптимальные или критические условия существования организмов, нормы их реакции на факторы среды.
Методы изучения взаимоотношений между организмами во многовидовых сообществахсоставляют важную часть системной экологии. Здесь также важны наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, пищевого поведения. Особо следует упомянуть экспериментальную методику создания и исследования искусственных сообществ и экосистем, т.е. по существу лабораторное натурное моделирование взаимодействий организмов друг с другом и с окружающей средой.
Методы математического моделирования приобретают все большее значение в экологии. Потребность в них для целей управления и прогнозирования очень велика. Существуют близкие к реальным процессам модели техногенных эмиссий, распространения загрязнителей в атмосфере. Намного сложнее моделирование экосистем.
Методы прикладной экологии быстро развиваются. Ее важными средствами становятся:
► Создание геоинформационных систем и банков экологической информации, относящихся к различным регионам, территориям, ландшафтам, промышленным центрам и городам;
► Комплексный эколого-экономический анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки;
► Методы инженерно-экологических изысканий, необходимых для оптимального размещения, проектирования, строительства и реконструкции гражданских и хозяйственных объектов;
► Методы экологически ориентированного проектирования объектов, основанные на принципах и расчетах экологического соответствия;
► Методы снижения коэффициентов вредного действия производственных комплексов, процессов, устройств и изделий;
► Методы оценки влияния техногенных загрязнений и деградации окружающей среды на здоровье людей;
► Методы контроля экологической регламентации хозяйственной деятельности: экологический мониторинг, экологическая аттестация и паспортизация объектов, предприятий, территорий; экологическая экспертиза; оценка ожидаемых воздействий проектируемых и строящихся объектов на окружающую среду.
Билет № 8
Законы Коммонера
Видный американский эколог барри Коммонер обобщил системность в экологии в виде четырех законов под названием "коммонера", которые в настоящее время приводятся практически в любом пособии по экологии. Их соблюдение - обязательное условие любой деятельности человека в природе. Эти законы являются следствием тех основных принципов общей теории жизни, о которых говорилось в предыдущих главах.
1 законы коммонера: Все связано со всем. Любое изменение, совершаемые человеком в природе, вызывает цепь последствий, как правило неблагоприятных.
По сути дела, это одна из формулировок принципа единства Вселенной. Надежды на то, что какие-то наши действия, особенно в сфере современного производства, не вызовут серьезных последствий, если мы проведем ряд экозащитных мероприятий, во многом утопичны. Это способно лишь несколько успокоить ранимую психику современного обывателя, отодвигая в будущее более серьезные изменения в природе. Так мы удлиняем трубы наших ТЭЦ, считая, что при этом вредные вещества более равномерно рассеются в атмосфере и не приведут к серьезным отравлениям среди окрестного населения. И действительно, кислотные дожди, вызванные повышенной концентрацией в атмосфере соединений серы, могут пройти совсем в другом месте и даже в другой стране. Но нашим домом является вся планета. Рано или поздно мы столкнемся с ситуацией, когда длина трубы уже не будет играть существенной роли.
2 законы коммонера: Все должно куда-то деваться. Любое загрязнение природы возвращается к человеку в виде "экологического бумеранга".
Энергия не исчезает, а куда-то переходит загрязнители, попадающие в реки, в конечном счете оказываются в моря и океанах и с их продуктами возвращаются к человеку.
3 законы коммонера: Природа знает лучше. Действия человека должны быть направлены не на покорение природы и преобразование ее в своих интересах, а на адаптацию к ней.
Это одна из формулировок принципа оптимальности. В совокупности с принципом единства Вселенной он приводит к тому, что Вселенная в целом предстает как единый живой организм. То же можно сказать и о системах более низких иерархических уровней, таких как планета, биосфера, экосистема, многоклеточное существо и т.п. Любые попытки внести изменения в отлаженный организм природы, чреваты нарушением прямых и обратных связей, посредством которых реализуется оптимальность внутренней структуры данного организма. Деятельность человека только тогда будет оправдана, когда мотивация наших поступков будет определяться в первую очередь той ролью, для выполнения которой мы были созданы природой, когда потребности природы будут иметь для нас большее значение, чем личные нужды, когда мы будем в состоянии во многом безропотно ограничить себя во благо процветания планеты.
4 законы коммонера: Ничего не дается даром. Если мы не хотим вкладывать средства в охрану природы, то придется платить здоровьем, как своим, так и потомков.
Вопрос об охране природы очень сложен. Ни одно наше воздействие на природу не проходит бесследно, даже если выполнены, казалось бы, все требования экологической чистоты. Хотя бы потому, что развитие экозащитных технологий требует высококачественных источников энергии, и высококачественные исполняемые законы. Даже если сама энергетика перестанет загрязнять атмосферу и гидросферу вредными веществами, все равно остается нерешенным вопрос теплового загрязнения. Согласно второму закону термодинамики, любая порция энергии, претерпев ряд превращений, рано или поздно перейдет в тепло. Пока еще мы не в силах состязаться с Солнцем по количеству поставляемой на Землю энергии, но наши силы растут. Мы горим желанием открыть новые источники энергии. Как правило мы высвобождаем энергию, накопленную когда-то разными формами вещества. Это гораздо дешевле, чем улавливать рассеянную энергию Солнца, но напрямую ведет к нарушению теплового баланса планеты. Не случайно средняя температура в городах на 2-3 (а иногда и больше) градуса выше, чем за пределами города в той же местности. Рано или поздно этот “бумеранг” к нам вернется.
№9
Основные объекты экологии
Выделяют шесть уровней организации живой материи, образующих иерархию: молекулярный, клеточный организменный, популяционный (популяционно-видовой), экосистемный, биосферный.
^ Основные свойства живых систем – структурная организация, самовоспроизведение, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаз), адаптация – реализуются уже на клеточном уровне. Однако полнота всех естественных проявлений жизни представлена на двух последних.
Организменный уровень. Организм (особь, индивидуум) – представитель биологического вида – генетически, морфологически и экологически однородной группы живых существ, обособленной от других видов.
Популяционный уровень. Каждый биологический вид в природе представлен популяциями. Популяция – совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, изолированных от других популяций, имеющих общий генофонд, возможность свободно скрещиваться.
Популяция – элементарная форма существования вида в природе.
Экосистемный уровень. Экосистема – пространственно определенная совокупность организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Водные и наземные.
В экосистеме различают биотоп – абиотический компонент и биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биоценозы включают растения, животных, микроорганизмы.
(биотоп + биоценоз = биогеоценоз). Биогеоценоз – элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем.
Биосферный уровень – совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.
ИЛИ
ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ ЭКОЛОГИИ
Обычно выделяют шесть уровней организации живой материи, образующих иерархию: молекулярный, клеточный, организменный, популяционный (популяционно-видовой), экосистемный, биосферный.
Основные свойства живых систем - структурная организация, способность к самовоспроизведению и самосборке, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды, способность к адаптации и др. - реализуются уже на клеточном уровне. Однако полнота всех естественных проявлений жизни представлена только на двух последних - экосистемных уровнях (или даже только на биосферном), так как ни одна клетка, ни один организм, ни один вид, ни одна экосистема не могут существовать без множества других клеток, организмов, видов, экосистем и создаваемых ими условий существования.
Организменный уровень. На низшей ступени иерархии объектов экологии находится организм (особь, индивидуум) в качестве представителя биологического вида - генетически, морфологически и экологически однородной группы живых существ, обособленной от других видов по этим же критериям. Отдельные организмы - представители разных видов используются в экспериментальных сравнительно-экологических исследованиях. При этом выявляют видовые особенности поведения и физиологических реакций организма при воздействии различных факторов среды, а на основе этих данных - видовые экологические потребности организма. Например, оптимальные значения и допустимые минимумы и максимумы температуры, влажности, освещенности, концентрации веществ в среде, взаимодействий с другими организмами и т.п.
Популяционный уровень. Каждый биологический вид в природе представлен почти всегда несколькими, часто многими популяциями.
Популяция (от лат. populus - население) - это совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, имеющих общий генофонд**Генофонд - совокупность генотипов всех особей популяции.
Генотип - совокупность всех генов организма.
Ген - элементарная единица наследственности. возможность свободно скрещиваться и в той или иной степени изолированных от других популяций этого вида. Популяция - элементарная форма существования вида в природе. Популяции эволюционируют и являются единицами эволюции видов и видообразования. Обладая всеми признаками биологической системы, популяция, тем не менее, представляет собой совокупность организмов, как бы выделенную из природной системы, так как в природе особи одного вида всегда сожительствуют с особями других видов. Только в искусственных условиях или в специальном эксперименте можно иметь дело с «чистой» популяцией, например, культурой микроорганизмов, посевом растений, приплодом животных и т.п.
Экосисгемный уровень. Основной объект экологии - экологическая система, или экосистема - пространственно определенная совокупность организмов разных видов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.
Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А.Тенсли (1935). Понятие экосистемы не огранчивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Поэтому оно приложимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Различают водные и наземные экосистемы. Все они образуют на поверхности планеты пеструю мозаику. При этом в одной природной зоне встречается множество сходных экосистем - или слитых в однородные комплексы или разделенных другими экосистемами. Например, участки лиственных лесов, перемежающиеся хвойными лесами, или болота среди лесов и т.п.
В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент - биотоп, или экотоп - пространство, участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями, и биотический компонент - сообщество, или биоценоз - совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию или часть популяции данного вида в экосистеме.
Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа. Например, участок земли - это не просто «место», но и множество почвенных организмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных. Поэтому их объединяют под названием биогеоценоза: «биотоп + биоценоз = биогеоценоз». Понятие биогеоценоза ввел В.Н.Сукачев (1942).
Биогеоценоз - это элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Во всех наземных экосистемах масса растений всегда во много раз больше массы других организмов. Поэтому для большинства биогеоценозов определяющей характеристикой является определенный тип растительного покрова, по которому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данному экологическому сообществу (сообщества березового леса, мангровой заросли, ковыльной степи, сфагнового болота и т.п.). Совокупность сообществ определенной крупной географической области называют региональной биотой, а объединение экосистем какой-либо из природно-климатических зон (тундры, тайги, степей, пустынь, тропических лесов и т.п.) - биомом.
Биосферный уровень. На высшей ступени иерархии биосистем находится глобальная экосистема - биосфера - совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.
Билет № 10
В развитии биологии выделяют три основных этапа. Первый - систематики (Карл Линней), второй - эволюционный (Чарльз Дарвин), третий - микробиологии (Грегор Мендель).
Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Первое. Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах. Второе. Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию. Третье. Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражители - универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных. Четвертое. Живые организмы способны не только изменяться, но и усложняться. Они могут создавать новые органы, отличающиеся от породивших их структур. Пятое. Живое способно к самовоспроизведению. Шестое. Живые организмы способны передавать потомкам заложенную в них информацию, содержащуюся в генах - единицах наследственности. Эта информация в процессе передачи может видоизменяться и искажаться. Это предопределяет изменчивость живого. Седьмое. Живые организмы способны приспосабливаться к среде обитания и своему образу жизни.
Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: Жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.
Структурный или системный анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен и имеет сложную структуру.
Условно на основе критерия масштабности можно выделить следующие уровни организации живого вещества:
1. Биосферный. Включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
2. Уровень биогеоцинозов. Отражает структуры, состоящие из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс - экосистему.
3. Популяционно-видовой уровень. Образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
4. Организменный и органно-тканевый уровни. Отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.
5. Клеточный и субклеточный уровни. Отражают особенности специализации клеток, а также внутриклеточные структуры.
6. Молекулярный уровень. Отражает особенности химизма живого вещества, а также механизмы и процессы передачи генной информации.
Билет № 12
Экосистема — это функциональное единство живых организмов и среды их обитания. Основные характерные особенности экосистемы — ее безразмерность и безранговость. Замещение одних биоценозов другими в течение длительного периода времени называется сукцессией. Сукцессия, протекающая на вновь образовавшемся субстрате, называется первичной. Сукцессия на территории, уже занятой растительностью, называется вторичной.
Единицей классификации экосистем является биом — природная зона или область с определенными климатическими условиями и соответствующим набором доминирующих видов растений и животных.
Особая экосистема — биогеоценоз — участок земной поверхности с однородными природными явлениями. Составными частями биогеоценоза являются климатоп, эдафотоп, гидротоп (биотоп), а также фитоценоз, зооценоз и микробоценоз (биоценоз).
С целью получения продуктов питания человек искусственно создает агроэкосистемы. Они отличаются от естественных малой устойчивостью и стабильностью, однако более высокой продуктивностью.
Экосисгемный уровень. Основной объект экологии - экологическая система, или экосистема - пространственно определенная совокупность организмов разных видов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.
Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А.Тенсли (1935). Понятие экосистемы не огранчивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Поэтому оно приложимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Различают водные и наземные экосистемы. Все они образуют на поверхности планеты пеструю мозаику. При этом в одной природной зоне встречается множество сходных экосистем - или слитых в однородные комплексы или разделенных другими экосистемами. Например, участки лиственных лесов, перемежающиеся хвойными лесами, или болота среди лесов и т.п.
В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент - биотоп, или экотоп - пространство, участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями, и биотический компонент - сообщество, или биоценоз - совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию или часть популяции данного вида в экосистеме.
Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа. Например, участок земли - это не просто «место», но и множество почвенных организмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных. Поэтому их объединяют под названием биогеоценоза: «биотоп + биоценоз = биогеоценоз» (рис. 2.1). Понятие биогеоценоза ввел В.Н.Сукачев (1942).
Билет № 14-16
Билет № 17
Техносфера это планетарное пространство, находящееся под воздействием инструментальной и технической производственной деятельности людей и занятое продуктами этой деятельности.
В 1936 г. академик А.Е. Ферсман назвал техногенезом процессы изменений поверхности Земли под влиянием производственной деятельности людей. Позднее Р.К. Баландин (1982) расширил понятие техногенеза и его производное обозначил как техносферу.
Техносфера возникла в процессе нескольких тысячелетий техногенеза. К ней в равной мере относятся и первый костер, зажженный человеком, и Чернобыль, дротик первобытного охотника и баллистические ракеты, египетские пирамиды и небоскребы Манхэттена, оросительные каналы шумеров и Асуанская плотина, идолы острова Пасхи и статуя Свободы в Нью-Йорке.
Техногенез выступает как материальное слагаемое истории человечества. С экологической точки зрения это последний по времени этап эволюции, обусловленный деятельностью человека и вносящий в природу Земли вещества, силы и процессы, которые, в конечном счете, изменяют и нарушают равновесное функционирование биосферы и замкнутость биотического круговорота.
В «Экологическом энциклопедическом словаре» (1999) техносфераопределяется как часть биосферы разрушенная и коренным образом преобразованная людьми с помощью прямого или косвенного воздействия технических и техногенных объектов (здания, дороги, механизмы, предприятия и т.п.) в целях наилучшего соответствия социально-экономическим (но не экологическим) потребностям человечества.
Однако называть техносферу частью биосферы можно только в ограниченном смысле. Действительно, техносферу создал человек - порождение биосферы. Техносферой занято значительное пространство, принадлежавшее ранее биоте биосферы. Человек взял под контроль и, по существу, включил в состав техносферы несколько сотен видов растений и животных. Однако значительная часть современной техносферы — это совершенно новое надприродное образование, генетически не связанное с законами биосферы. В целом техносфера — грандиозный артефакт.
Техносферу можно подразделить на несколько подсистем — субсфер:
Кроме такого деления в веществе техносферы можно выделить техническоевещество - активно функционирующую часть средств производства, т.е. совокупность действующих инструментов, станков, машин, механизмов, аппаратов, топок, реакторов и т.п. А всю остальную, неактивную массу техносферы — здания, сооружения, коммуникации, скопления извлеченных пород и отходов производства и потребления, техногенные эмиссии и т.д. — можно обозначить как техногенное вещество. Масса техногенного вещества к настоящему времени достигла колоссальной величины — 8,5·1012 т, что почти в 1,5 раза больше массы биоты биосферы.
Хотя техносфера, несомненно, планетарное явление, техномасса распределена крайне неравномерно. Почти 90 % ее сосредоточено в районах селитебного и горно-промышленного освоения, занимающих более 7 млн. км2 (5 % площади суши). Однако техногенными влияниями - эмиссиями и потоками веществ, энергии и информации охвачено практически все пространство планеты.
Билет № 18-19
Живое вещество — вся совокупность живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности.
Это понятие не следует путать с понятием «биомасса», которое является частью биогенного вещества.
Термин введён В. И. Вернадским[1].
Содержание
[убрать]
Характеристики живого вещества[править | править исходный текст]
В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические, или минеральные, вещества. Вернадский писал:
|
Идея о том, что явления жизни можно объяснить существованием сложных углеродистых соединений – живых белков, бесповоротно опровергнута совокупностью эмпирических фактов геохимии... Живое вещество – это совокупность всех организмов. |
Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее 10−6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты».
Живое вещество развивается там, где может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных для существования, живое вещество переходит в состояние анабиоза.
Специфика живого вещества заключается в следующем:
Значение живого вещества[править | править исходный текст]
Работа живого вещества в биосфере достаточно многообразна. По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:
а) химической (биохимической) – I род геологической деятельности; б) механической – II род транспортной деятельности.
Биогенная миграция атомов I рода проявляется в постоянном обмене вещества между организмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи. Биогенная миграция атомов II рода заключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускание неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов.
Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере очень важными являются три основных положения, которые В. И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами:
Выделяют пять основных функций живого вещества:
Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени. Воздавая должное памяти великого основоположника учения о биосфере, следующее обобщение А. И. Перельман предложил назвать «законом Вернадского»:
«Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, H2S и т. д.) преимущественно обусловлены живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».
Билет 18 -19
Под живым веществом Вернадский понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию или химический состав. Живое вещество составляет порядка 0.01 - 0.02 % от массы всей биосферы. Общий вес живого вещества порядка (2.4 - 3.6).1012т (в сухом весе).
Вещества, образуемые без участия живых организмов и не вовлеченные в круговорот жизни, Вернадский назвал костными веществами. Это, например, горные породы, продукты извержения вулканов и т.п. “Неживых” веществ в природе не бывает, практически любое вещество может быть вовлечено в круговорот жизни.
Кроме того, Вернадский выделял в особую группу биокостное вещество, которое в отличие от костного так или иначе обусловлено воздействием жизни и вовлечено в ее круговорот. Это, например, вода, почва и т.п. Вода, например, по праву считается веществом, дающим жизнь. Некоторые исследователи утверждают, что она обладает способностью запоминать информацию в своих структурах. А так как практически вся земная вода основательно переработана жизнью, то отнести ее к костным веществам мы никак не можем. То же самое можно сказать и про почвы, которые некоторые почвоведы считают “биологическим телом”. Поэтому подобные вещества вынесены в особую промежуточную группу.
Можно также выделить группу биогенных веществ, образующихся в результате жизнедеятельности живых организмов. Это многие полезные ископаемые в первую очередь каменный уголь, нефть, торф, а также известняки, руды металлов и т.п. По сути дела, весь слой осадочных пород можно отнести к биогенным веществам.
В настоящее время данную классификацию дополняют еще одной группой веществ, образующихся в процессе деятельности человека. Это так называемые антропогенные вещества. Часть из них участвует в естественном круговороте вещества, но многие соединения практически не утилизируются живым веществом, а потому представляют огромную опасность для биосферы. Это в первую очередь разного рода полимерные материалы, типа целлофана, капрона и т.п. Единственным деструктором (разрушителем) для этих веществ пока что остается человек. Правда, природа похоже начинает приспосабливается к этой стороне человеческой деятельности. Так известны случаи, когда крысы перегрызали пластмассовую изоляцию кабелей. Некоторые, вероятно, сталкивались также с поражением молью синтетических тканей. Многие антропогенные вещества являются ядовитыми для большинства живых организмов. Особую опасность для жизни представляют радиоактивные вещества, прошедшие в производстве стадию обогащения, то есть повышения концентрации до таких размеров, в которых в природе они не встречаются.
Наибольшую роль на планете играет именно живое вещество. Рассмотрим его основные свойства.
1. Высокая химическая активность благодаря биологическим катализаторам (ферментам).
В живых организмах при ничтожных температурах протекают реакции между веществами, которые в воздухе не соединяются, даже в лабораторных печах при 1000-градусной жаре. Живые организмы, например, способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при нормальных атмосферных условиях, что в промышленных условиях требует температуры порядка 500 град. и давления 300-500 атмосфер.
2. Высокая скорость протекания реакций.
Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе; например, некоторые гусеницы потребляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела; дождевые черви, совокупная масса которых в 10 раз больше биомассы всего человечества, за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы; сурки, суслики и т.п. в результате своей деятельности создают своеобразный ландшафт местности; практически все осадочные породы (слой 3 и более километров) на 95-99 % переработаны живыми организмами; вся углекислота проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза за 6-7 лет, вся вода Земли - за 5-6 млн лет.
3. Высокая скорость обновления живого вещества.
В среднем для биосферы она составляет 8 лет, для суши - 14 лет, а для океана - 33 дня (здесь преобладают организмы с коротким периодом жизни). За всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.
4. Способность быстро занимать все свободное пространство.
Вернадский назвал это "всюдностью жизни". По словам Вернадского, “живое вещество - совокупность организмов, - подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его движению, или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов”. Именно это свойство позволило сделать вывод о постоянстве количества живого вещества во все эпохи. Некоторые микроорганизмы могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности. Так, например, численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 минуты. Кроме того, жизнь обладает способностью увеличивать поверхность своего тела. Например, площадь листьев растений на 1 га, составляет 8-10 га и более. То же относится и к корневым системам.
5. Активность движения вопреки принципу роста энтропии.
Вся история жизни есть свидетельство борьбы с энтропией, то есть с силами разрушения. Жизнь сопротивляется естественному ходу событий, направленному на установление равновесия в природе. Наиболее показательными в этом плане являются такие примеры, как движение рыб против течения реки, движение птиц против силы тяжести и воздушных потоков и т.п.
6. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти.
В любом живом организме, в том числе и в организме биосферы, жизнь и смерть не могут обходиться друг без друга. Мы живем потому, что в нас беспрерывно что-то умирает и заменяется новым, а нарождающееся через развитие приходит к своей гибели. Любая подсистема организма после смерти должна вернуть вещество в круговорот жизни. Это обеспечивает бесконечность жизненного процесса.
7. Высокая приспособительная способность (адаптация).
Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к абсолютному нулю, другие встречаются в термальных источниках с температурой до 140 град., в жерлах вулканов, в сверхглубоких впадинах океана, в водах атомных реакторов, бескислородной среде и т.п.
Функции живого вещества в биосфере.
1. Энергетическая – аккумулирование энергии и ее перераспределение по пищевым цепям.
Жизнь возникает в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна, как ответ на рост энтропии, то есть на рассеяние энергии в окружающей среде. Поэтому концентрация энергии - это наиболее естественная функция жизни. Наличие живой оболочки планеты препятствует остыванию ее поверхности, аккумулируя в себе энергию, излучаемую в космос. Правда, сейчас жизнь биосферы развивается в основном в потоке солнечной энергии, аккумулируя ее в себе и препятствуя прямому отражению ее в космос. Эта энергия передается по пищевой цепи от одной формы жизни к другой. По мере этого движения ее энтропия значительно возрастает. В конечном итоге она переходит в тепловую форму и излучается за пределы планеты. Поэтому энтропия излучения, отраженного с поверхности планеты, оказывается существенно больше энтропии излучения, поглощаемого планетой. Именно за счет этой разницы энтропий существует жизнь на планете.
Таким образом, основным механизмом накопления энергии в биосфере является реакция фотосинтеза. Имеется также довольно незначительный процент хемосинтезирующих живых существ, чей жизненный цикл опирается на энергию химических соединений. Это разного рода бактерии (железобактерии, серобактерии, азотобактерии и др.). Обнаружены целые экосистемы, функционирование которых основано на активности хемосинтезирующих бактерий и не зависящих от продуктов фотосинтеза. Это глубоководные системы, где в абсолютной темноте вблизи выходов горячей воды, богатой минеральными солями и серой, помимо бактерий существуют и уникальные многоклеточные животные, типа двустворчатых моллюсков длиной около 30 см и трехметровые черви, получающие энергию от хемосинтезирующих бактерий. Возможно, было время, когда такие формы жизни были более разнообразными и заполняли всю поверхность Земли, до которой ввиду интенсивной вулканической деятельности не могли пробиться солнечные лучи.
2. Окислительно-восстановительная – окисление вещества в процессе жизнедеятельности и восстановление в процессе разложения при дефиците кислорода.
Наряду с фотосинтезом в зеленых растениях на Земле происходит почти равное ему по масштабу окисление органических веществ в процессе дыхания, брожения, гниения с выделением воды, углекислого газа и теплоты, которая после этого излучается в космическое пространство. Существенно меньшая часть энергии Солнца консервируется в земной коре, или, по словам Вернадского, “уходят в геологию”, формируя залежи каменного угля, нефти, торфа и т.п. Эти процессы связаны с протеканием в бескислородной среде реакций восстановления, сопровождающихся образованием и накоплением сероводорода и метана.
3. Газовая – способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.
Фотосинтез привел к постепенному уменьшению в атмосфере углекислоты и накоплению кислорода и озона. При этом в развитии биосферы наблюдалось по крайней мере два переломных момента: первая точка Пастера (1.2 млрд лет назад), когда количество кислорода достигло 1 % от современного уровня и появились первые аэробные организмы (живущие только в кислородной среде, в отличие от анаэробных, живущих в бескислородной среде); вторая точка Пастера, когда количество кислорода достигло 10 % от современного уровня , создались условия для синтеза озона и озонового слоя, что защитило организмы от ультрафиолетовых лучей. До этого данную функцию выполняли густые водяные облака.
4. Деструктивная – разрушение погибшей биоорганики и костных веществ.
Это один из важнейших элементов круговорота веществ в биосфере, обеспечивающего непрерывность жизни путем превращения сложных органических соединений в минеральные вещества, необходимые для растений, стоящих в самых первых звеньях пищевых цепей. Практически все живые организмы биосферы за исключением растений в той или иной мере являются деструкторами (разрушителями). Однако главная роль в этом процессе принадлежит грибам и бактериям. Л.Пастер назвал бактерии “великими могильщиками природы”. Одновременно жизнь участвует и в разрушении костных веществ (в частности горных пород), доводя их постепенно до состояния, после которого они могут быть вовлечены в круговорот жизни (так измельченные горные породы являются необходимым компонентом почвы).
5. Рассеивающая – рассеяние живого вещества на больших пространствах.
Например, рассеяние гемоглобина крови кровососущими или рассеяние органики экскрементов или трупов разного рода деструкторами.
6. Концентрационная – способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные элементы окружающей среды.
Любое живое существо в процессе своей жизнедеятельности буквально по молекулам собирает из окружающей среды необходимые для него вещества и консервирует их в своей структуре. Поэтому, например, концентрация марганца в теле некоторых организмов превышает его концентрацию в окружающей среде в миллионы раз. В условиях антропогенного загрязнения окружающей среды побочным следствием этого может являться накопление растениями, которые мы потребляем в пищу, веществ, которые являются токсичными для нашего организма. Результатом концентрационной деятельности живых организмов являются залежи руд, известняков, горючих ископаемых и т.п.
7. Транспортная – перенос и перераспределение вещества и энергии.
Это является одним из механизмов рассеивающей функции живого вещества. Часто такой перенос осуществляется на громадные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. Это может также способствовать и концентрации элементов среды, достаточно вспомнить птичьи базары.
8. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров окружающей среды.
В широком смысле результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают ее в определенном стабильном состоянии. Так состав атмосферы и гидросферы - это продукт жизнедеятельности в биосфере. Живые организмы создали особый тип биокостного вещества - почвы. Коралловые заросли создают в океанах целые острова. Примером могут также служить леса, в которых микроклимат существенно отличается от микроклимата поля. Анализ показывает, что при отсутствии жизни на Земле, условия на ней были бы такими, что по нашим понятиям жизнь на ней была бы попросту невозможной. Ее атмосфера на 98 % состояла бы из углекислого газа (сейчас около 0.03 %), на 1,9 % – из азота (сейчас на Земле 79 % азота, являющегося вопреки своему названию (азот - не поддерживающий жизни) основным элементом при построении аминокислот), кислорода практически не было бы (сейчас 21 %), средняя температура поверхности 290 ± 50оС, не оставляющая никаких шансов на наличие воды в жидком состоянии. Словом, условия весьма похожие на условия планеты Венера.
9. Информационная – накопление информации и закрепление ее в наследственных структурах.
Эта функция пока еще мало изучена. Но, по всей видимости, ее важность превосходит все остальные функции живого вещества.
Билет 20 – 24
С экологической точки зрения в структурном составе экосистемы выделены следующие компоненты (рис.3): 1) неорганические вещества (С, N, CO2, H2O и др.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3) воздушная, водная и субстратная среда, включающая климатический режим и другие физические факторы; 4)продуценты, автотрофные организмы, в основном зеленые растения, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ; 5)макроконсументы, или фаготрофы (от греч. phagos - пожиратель), - гетеротрофные организмы, в основном животные, питающиеся другими организмами или частицами органического вещества; 6) микроконсументы, сапротрофы (от греч. sapros - гнилой), деструкторы, или осмотрофы (от греч. osmos - толчок, давление), - гетеротрофные организмы, в основном бактерии и грибы, получающие энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения растворенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлеченного сапротрофами из растений и других организмов. В результате деятельности сапротрофов высвобождаются неорганические элементы питания, пригодные для продуцентов; кроме того, сапротрофы поставляют пищу макроконсументам и часто выделяют гормоноподобные вещества,ингибирующие (тормозящие) или стимулирующие функционирование других биотических компонентов экосистемы.
На рисунке 3 для сравнения приведены схематические разрезы (профили) экосистемы пруда и лугопастбищной экосистемы. Для функционирования любой экосистемы необходимы следующие компоненты: солнечная энергия (и другие виды энергии); вода; элементы питания (основные абиотические неорганические и органические соединения), содержащиеся в почвах, донных осадках и воде; автотрофные и гетеротрофные организмы, образующие биотические пищевые сети. Функционирование наземных и водных экосистем сходно, но в них входят совершенно разные виды. Кроме того, в экосистемах глубоких водоемов зеленые растения представлены очень мелкими, часто микроскопическими формами (фитопланктоном), а растения наземных и некоторых мелководных экосистем имеют крупные размеры. I - автотрофы: А - травы, В - фитопланктон; II - раститель- ноядные животные: А - насекомые и млекопитающие лугопастбищного сообщества, В - зоопланктон в толще воды; III - детритоядные: А - почвенные беспозвоночные на суше, В - донные беспозвоночные в воде; IV - хищники: А - птицы и другие животные на суше, В - рыбы в воде; V - сапрофиты: разлагающие бактерии и грибы. Одна из общих черт всех экосистем, будь то наземные, пресноводные, морские или искусственные экосистемы (например сельскохозяйственные), - это взаимодействие двух основных компонентов: автотрофного компонента (автотрофный - значит самопитающийся), способного фиксировать световую энергию и использовать в пищу простые неорганические вещества, и гетеротрофного компонента (гетеротрофный - значит питающийся готовыми органическими веществами), который разлагает, перестраивает и использует сложные вещества, синтезированные автотрофными организмами. Организмы, участвующие в различных процессах круговорота, частично разделены в пространстве. Автотрофные процессы наиболее активно протекают вверхнем ярусе ("зеленом поясе"), где доступен солнечный свет. Гетеротрофные процессы наиболее интенсивно протекают в нижнем ярусе ("коричневом поясе"), где в почвах и осадках накапливаются органические вещества. Кроме того, эти основные функции компонентов экосистемы частично разделены и во времени, поскольку возможен значительный временной разрыв между продуцированием органического вещества автотрофными организмами и его потреблением гетеротрофами. Например, основной процесс в пологе лесной экосистемы - фотосинтез. Лишь часть, причем малая часть, продуктов фотосинтеза немедленно и непосредственно используется самим растением, растительноядными животными и паразитами, питающимися листвой и другими активно растущими тканями растения. Большая часть синтезированного материала (листьев, древесины, запасов пищи,отложенных в семенах и корневищах) не подвергается немедленному потреблению и постепенно переходит в подстилку и почву (или соответственно в слои осадков в водных экосистемах), в сумме составляющие обособленную гетеротрофную систему. Прежде чем будет использовано все это накопленное органическое вещество, могут пройти многие недели, месяцы, годы или даже тысячелетия (в случае ископаемых видов топлива, которые сейчас быстро расходуются человеком). Органическое вещество, вовлеченное в процесс разложения, называют детритом. Термин "детрит" (продукт распада от лат. deterere - изнашиваться) заимствован из геологии, где им обычно называют продукты разрушения горных пород.
Специализация живых форм в качестве производителей и потребителей пищи создает в биологических сообществах определенную энергетическую структуру, называемую трофической структурой (от греч. trophe - питание), в пределах которой происходят перенос энергии и круговороты питательных веществ. Перенос энергии и пищи от ее источника - автотрофов (растений) - через ряд организмов происходит по пищевой цепи: путем поедания одних организмов другими. Пищевая цепь - это ряд видов или их групп, каждое предыдущее звено в котором служит пищей для следующего. При каждом очередном переносе большая часть (80-90 %) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло. Поэтому чем короче пищевая цепь (чем ближе организм к ее началу), тем больше количество энергии, доступной для популяции. Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: пастбищная цепь, которая начинается с зеленого растения и идет далее к пасущимся растительноядным животным (т.е. к организмам, поедающим живые растительные клетки или ткани) и к хищникам (организмам, поедающим животных), и детритная цепь,которая от мертвого органического вещества идет к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к хищникам. Пищевые цепи не изолированы одна от другой,а тесно переплетаются друг с другом, образуя так называемые пищевые сети.
Пищевая сеть - условное образное обозначение трофических взаимоотношений консументов, продуцентов и редуцентов в сообществе (рис. 4). В сложных природных сообществах организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней, считаются принадлежащими к одному трофическому уровню.
Трофический уровень - совокупность организмов, получающих преобразованную в пищу энергию Солнца и химических реакций (от автотрофов) через одинаковое число посредников трофической цепи, т.е. занимающих определенное положение в общей цепи питания. Так, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные - второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных, - третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники - четвертый (уровень третичных консументов). Эта трофическая классификация относится к функциям, а не к видам как таковым. Популяция данного вида может занимать один или несколько трофических уровней, смотря по тому, какие источники энергии она использует. Замыкают этот биологический круговорот, как правило, редуценты или деструкторы (микроорганизмы, бактерии), разлагающие органические остатки.
На рисунке 5 показаны основные трофические уровни в наземных и морских экосистемах, причем в последних пищевые цепи всегда длиннее. Консументы - это не просто пассивные "едоки", входящие в пищевую цепь. Они, удовлетворяя свои потребности в энергии, часто через систему положительной обратной связи действуют на находящиеся выше трофические уровни. Например, в Африке выедание растительности саванн огромными стадами антилоп, наряду с пожарами во время засушливого сезона, увеличивает скорость возврата элементов питания в почву. В последующий дождливый сезон усиливается восстановление травы и увеличивается ее продукция. Известен интересный пример воздействия консументов на продуценты морской экосистемы. Манящие крабы, питающиеся на морских маршах водорослями и детритом, несколькими способами "ухаживают" за своими кормовыми травами. Роя грунт, крабы усиливают циркуляцию воды вокруг корней травы и вносят глубоко в анаэробную зону побережья кислород и питательные вещества. Постоянно перерабатывая богатые органикой донные илы, на которых они питаются, крабы улучшают условия для роста и развития бентосных водорослей.
Трофическую структуру можно изобразить графически в виде экологических пирамид, основанием которых служит первый уровень (уровень продуцентов), а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды.
Экологическая пирамида - это соотношение между продуцентами, консументами и редуцентами в естественных экосистемах, выраженное в их массе в виде графических моделей. Эффект пирамиды в виде таких моделей разработал Чарльз Элтон(1927). Экологические пирамиды можно отнести к трем основным типам: 1) пирамида численностей - отражает количество отдельных организмов по трофическим цепям, причем численность особей при движении продуцентов к консументам различного порядка значительно уменьшается; 2) пирамида биомасс - показывает соотношение различных организмов по пищевым цепям в данной экосистеме (рис.6). Видно, что параметры продуцентов, как правило, выше, чем консументов различного порядка (отсюда и форма пирамиды); 3) пирамида энергии - даны величины потока энергии через последовательные трофические (пищевые) уровни, т.е. эта пирамида отражает картину скоростей прохождения массы пищи через трофическую цепь и т.д. Все эти основные типы экологической пирамиды показывают закономерное понижение всех показателей с повышением трофического уровня живых организмов. На каждом трофическом уровне потребленная пища ассимилируется не полностью, так как значительная ее часть теряется, тратится на обмен веществ, поэтому продукция организмов каждого предыдущего уровня всегда меньше, чем последующего. В связи с этим в наземных экосистемах вес продуцентов (на единицу площади и абсолютно) больше, чем консументов, консументов первого порядка больше, чем консументов второго порядка и т.д. Поэтому графическая модель имеет вид пирамиды. В некоторых водных экосистемах, отличающихся исключительно высокой биологической продуктивностью продуцентов, пирамида биомасс может быть обращенной, то есть биомасса продуцентов в них меньше, чем консументов, а иногда и редуцентов.
Компоненты и процессы, обеспечивающие функционирование экосистемы, показаны на рисунке 7. Упрощенная блоковая модель схематично представляет взаимодействие трех основных компонентов, а именно: сообщества, потока энергии и круговорота веществ. Поток энергии направлен в одну сторону; часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии(тепловой сток). Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, как показано на схеме, но ее нельзя использовать вторично. В отличие от энергии элементы питания, в том числе биогенные элементы, необходимые для жизни (углерод, азот, фосфор и т.д.), и вода могут использоваться многократно. Эффективность повторного использования и размеры импорта и экспорта элементов питания сильно варьируют в зависимости от типа экосистемы.
На рисунке 7 в схеме блоковой модели каждому блоку диаграммы придана определенная форма, которая указывает ее общую функцию. Из надписи на схеме видно, что кругом обозначен источник энергии, фигурами U-образной формы с крышечкой - хранилища энергии, u-образной - автотрофы (зеленые растения, способные переводить солнечную энергию в органические вещества), а шестиугольниками - гетеротрофы (организмы, нуждающиеся в готовой пище).
На функциональной схеме (рис. 7) сообщество изображено в виде пищевой сети, образованной автотрофами и гетеротрофами, связанными между собой соответствующими потоками энергии, круговоротами биогенных элементов и депонирующими единицами.
Все экосистемы, даже самая крупная - биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию. Разумеется, экосистемы, входящие в биосферу, также в разной степени открыты для потоков веществ, для иммиграции и эмиграции организмов. Поэтому необходимо учитывать существование связанных между собой и необходимых для функционирования и самоподдержания экосистемы сред: среды на входе и среды на выходе. Эта особенность подчеркивается рисунком 8: в концептуально законченную экосистему входит среда на входе, среда на выходе и система (определение которой уже дано), т.е. экосистема=IE+S+OE. Данная схема решает проблему, связанную с проведением границ рассматриваемой единицы, поскольку в этом случае не имеет значения, как мы вычленяем исследуемую часть экосистемы. Часто удобными оказываются естественные границы (например берег озера или опушка леса) или административные (например границы города), но если эти границы можно точно определить геометрически, то они могут быть и условными. Конечно, экосистема не ограничена "ящиком" в центре схемы, поскольку если бы этот "ящик" был герметичным, то его живое содержимое (озеро или пруд) не вынесло бы такого заключения. Функционирующая реальная экосистема должна иметь вход и в большинстве случаев пути оттока переработанной энергии и веществ. Масштабы изменений среды на входе и на выходе чрезвычайно сильно варьируются и зависят от нескольких переменных, например: 1) от размеров экосистемы (чем она больше, тем меньше зависит от внешних частей); 2) интенсивности обмена (чем он интенсивнее, тем больше приток и отток); 3)сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов(чем сильнее нарушено это равновесие, тем больше должен быть приток извне для его восстановления); 4) стадии и степени развития системы (молодые системы отличаются от зрелых). Следовательно, для обширной, поросшей лесом горной местности перепад между средой на входе и средой на выходе значительно меньше, чем у небольшого ручья или города.
Таким образом, в структуре и функциях экосистемы воплощены все виды активности всех организмов, входящих в данное биологическое сообщество, - их взаимодействия с физической средой и друг с другом. Следует, однако, постоянно помнить о том, что организмы живут для самих себя, а не для того, чтобы играть туили иную роль в экосистеме, подобно тому как актер играет определенную роль в спектакле. Свойства экосистемы слагаются из деятельности входящих в нее растений и животных.Лишь учитывая это, мы можем прийти к пониманию ее структуры и функции.
Устойчивость экосистемы - способность экосистемы и ее отдельных частей противостоять колебаниям внешних факторов и сохранять свою структуру и функциональные особенности. Напротив, степень неспособности экосистемы противостоять вредным внешним воздействиям означает ее уязвимость. Например, в данной экосистеме количество осадков понижается на 50% по сравнению со среднегодовыми значениями, но продукция растений уменьшается при этом только на 25%, а численность популяции растительноядных организмов - всего лишь на 10%.
Относительное затухание колебаний в среде по мере их прохождения по пищевым цепям служит мерой внутренней устойчивости экосистемы - ее способности противостоять изменениям. При этом устойчивость экосистемы может быть обусловлена наличием запасов влаги в почве, а в случае достаточно длительной засухи - частичным замещением чувствительных к засухе травянистых растений засухоустойчивыми видами. Эта способность экосистем важна при изучении последствий воздействия на них антропогенных факторов. В частности, наиболее уязвимыми являются экосистемы, где доминируют мхи и лишайники, наиболее чувствительные к загрязнениям атмосферного воздуха. В экологии понятие устойчивости нередко рассматривается как синоним стабильности.
Выделяют два типа стабильности экосистем.
Резистентная устойчивость - это способность экосистемы сопротивляться пертурбациям (нарушениям), поддерживая неизменной свою структуру и функцию.
Упругая устойчивость - это способность системы восстанавливаться после того, как ее структура и функция были нарушены. Оба типа стабильности исключают друг друга, или, другими словами, системе трудно одновременно развить оба типа устойчивости. Так, калифорнийский лес из секвойи довольно устойчив к пожарам (для этих деревьев характерна толстая кора и другие адаптации), но если он все же сгорит, то восстанавливается очень медленно или вовсе не восстанавливается. Напротив, калифорнийские заросли чапараля очень легко выгорают (низкая резистентная устойчивость), но быстро восстанавливаются, буквально за несколько лет (отличная упругая устойчивость). Как правило, при благоприятных физических условиях среды экосистемы в большей степени проявляют резистентную устойчивость, а не упругую, но в изменчивых физических условиях наблюдается прямо противоположное.
Билет 25 -26
Сущность парникового эффекта.
Воздух, которым мы дышим, является необходимым условием нашей жизни во многих асᴨȇктах. Без нашей атмосферы средняя темᴨȇратура на Земле составила бы около -18 0С вместо сегодняшних 15 0С. Весь поступающий на Землю солнечный свет (около 180 Вт/м2) приводит к тому, что Земля излучает инфракрасные волны как гигантский радиатор. Отраженное тепло просто бы беспрепятственно возвращалось в космос.
Из-за атмосферы, однако, только часть этого тепла напрямую возвращается в космос. Оставшееся задерживается в нижних слоях атмосферы, которые содержат ряд газов - водяной пар, СО2, метан и другие - которые собирают исходящее инфракрасное излучение. Как только эти газы нагреваются, некоторое накопленное ими тепло вновь поступает на земную поверхность. В целом, этот процесс называется парниковый эффект, главной причиной которого является избыточное содержание в атмосфере парниковых газов. Чем больше в атмосфере будет содержаться парниковых газов, тем больше тепла, отраженного земной поверхностью, будет задерживаться. Так как парниковые газы не препятствуют поступлению солнечной энергии, то темᴨȇратура у земной поверхности будет повышаться.
С повышением темᴨȇратуры увеличится испарение воды из океанов, озер, рек и т.д. Так как нагретый воздух может содержать в себе больший объем водяного пара, это создает мощный эффект обратной связи: чем теплее становится, тем выше содержание водяного пара в воздухе, а это, в свою очередь, увеличивает парниковый эффект.
Человеческая деятельность мало влияет на объем водяного пара в атмосфере. Но мы выбрасываем другие парниковые газы, что делает парниковый эффект все более и более интенсивным. Ученые считают, что увеличение объема выбросов СО2, в основном от сжигания ископаемого топлива, объясняет, по крайней мере, около 60 % потепления на Земле, наблюдавшегося с 1850 года. Концентрация диоксида углерода в атмосфере возрастает примерно на 0,3 % в год, и сейчас составляет примерно на 30 % выше, чем до индустриальной революции. Если это выразить в абсолютных измерителях, то каждый год человечество добавляет примерно 7 миллиардов тонн. Несмотря на то, что это небольшая часть по отношению ко всему количеству углекислого газа в атмосфере - 750 миллиардов тонн, и еще меньшая по сравнению с количеством СО2, содержащимся в Мировом океане - примерно 35 триллионов тонн, она остается весьма значительной. Причина: естественные процессы находятся в равновесии, в атмосферу поступает такой объем СО2, который оттуда изымается. А человеческая деятельность только добавляет СО2.
Если текущие темпы сохранятся, то содержание углекислого газа в атмосфере увеличится вдвое к 2060 году по сравнением с доиндустриальным уровнем, а к концу столетия - в четыре раза. Это очень обеспокоивает, так как жизненный цикл СО2 в атмосфере составляет более ста лет, по сравнению с восьмидневным циклом водяного пара.
Метан, основной компонент природного газа, является причиной 15 % потепления в современное время. Генерируемый бактериями на рисовых полях, разлагающимся мусором, продуктами сельского хозяйства и ископаемого топлива, метан циркулирует в атмосфере около десятилетия. Сейчас его в атмосфере в 2,5 раза больше, чем в XVIII веке.
Другой парниковый газ - это оксид азота, продуцируемый как сельским хозяйством, так и промышленностью - различные растворители и хладагенты, как хлорфторуглероды (фреоны), которые запрещены международным соглашением вследствие их разрушающего действия на защитный озоновый слой Земли.
Неослабевающее накопление парниковых газов в атмосфере привело ученых к решению, что в нынешнем столетии средняя темᴨȇратура повысится от 1 до 3,5 0С. (см. приложение № 1) Для многих это может показаться немного. Для объяснения приведем пример. Аномальное похолодание в Евроᴨȇ, длившееся с1570 по 1730 годы, вынудившее евроᴨȇйских фермеров забросить свои поля, было вызвано изменением темᴨȇратуры всего в пол градуса Цельсия. Можно представить какие последствия может иметь повышение темᴨȇратуры на 3,5 0С.
Последствия парникового эффекта.
Какова срочность действий, рассмотренных в 1997 на конференции по изменению климата в Киото, Япония, на которой промышленные нации принципиально согласились сократить выбросы парниковых газов ? Не один другой вопрос не оспаривается так горячо среди ученых и политиков как этот. Некоторые считают, что немедленные действия неоправданны: ощутимые изменения климата, говорят они, достаточно постеᴨȇнны, чтобы мы могли адаптироваться к ним. И даже если все выбросы парниковых газов в атмосферу прекратятся завтра, планета все равно будет еще нагреваться несколько десятилетий, из-за длинного жизненного цикла газов в атмосфере.
С другой стороны, есть доказательства, что некоторые события могут радикально изменить климат ᴨȇриод нескольких десятков дней. Возможно самый значительный страх - это внезапный крах огромного Атлантического транспортировочного пояса - системы, которая приносит теплую воду к северу от экватора, делающей Европу на несколько градусов теплее. Испарение этого приходящего потока оставляет этот пояс с большей концентрацией соли, чем оставшуюся Северную Атлантику, которая содержит устойчивый избыток воды из континентальных бассейнов. Пояс становится холоднее и плотнее по мере того, как он достигает Гренландии, где совсем тонет.
Но что, если порожденное человеком глобальное потепление изменит темᴨȇратурную разницу между потоками и, в то же время увеличит количество осадков, разбавляя соленость направленного на север потока ? Весь Атлантический транспортировочный пояс может прекратиться, как свидетельствуют океанические осадочные породы, это уже было несколько раз в прошлом. Эффект будет губительный. По некоторым расчетам, в Ирландии будет такая же темᴨȇратура, как сегодня в Шпицбергене, который расположен на сотни километров выше полярного круга. Почти вся северная Европа будет непригодна для жизни.
Но никто не знает наверняка, случатся ли такие вещи. Помимо этого, сᴨȇцифический эффект человека на изменение климата останется еще долгое время неопределенным, пока наши знания увеличатся, а модели улучшатся.
«Следующие десять лет покажут», говорит Тим Барнетт, климатолог из Института океанографии, Калифорния «Мы должны подождать этот срок, чтобы по-настоящему все увидеть».
Билет 27 -28
Нужно заметить что под термином «кислотный дождь» подразумеваются различные метеорологические осадки (дождь, град, снег, дождь со снегом, туман), при которых наблюдается значительное понижение уровня ph. Другими словами, дожди, а также другие виды осадков, становятся кислотными дождями из-за загрязнений воздуха различными кислотными оксидами.
Слабокислую реакцию имеет даже обычная дождевая вода из-за диоксида углерода, который есть в воздухе. Но кислотный дождьвозникает из-за реакции между такими загрязняющими веществами, как различные оксиды азота и оксида серы вместе с водой.
Загрязняющие вещества, которые и приводят к возникновению кислотных дождей, выбрасываются в атмосферу в результате работы тепловых электростанций, металлургических предприятий, автомобильным транспортом и др. Затем эти вредные вещества выпадают на землю вместе с дождем, снегом или другими метеорологическими осадками, с которыми у них произошла реакция.
В настоящий момент последствия от выпадения на землю кислотных дождей можно наблюдать практически во всем мире. Кислотный дождь отрицательно воздействует на водоемы (реки, озера, пруды, заливы), он повышает в них кислотность до такого большого уровня, что в водоемах погибает фауна и флора.
Если воду из водоемов, которые имеют высокое содержание свинца, выпьет человек, или если он примет в пищу рыбу, которая имеет высокое содержание ртути, то у него могут возникнуть очень серьезные заболевания. Нужно заметить, что кислотный дождь отрицательно воздействует не только на водную флору и фауну, он также уничтожает и растительность на суше.
Что касается воздействия кислотного дождя на людей, то он способен значительно влиять на здоровье человека. Например, кислотные дожди могут вызывать у человека заболевания дыхательных путей. Независимо от того, как вредные вещества, переносимые кислотным дождем, попадут в организм (через еду, питье или воздух), последствием может стать не только тяжелое заболевание, но и летальный исход, причем это касается как взрослых, так и детей.
Основной причиной возникновения кислотных дождей является загрязнение воздуха. В конечном итоге, кислотные дожди могут уничтожить всю жизнь на земле. По мнению очень многих специалистов, единственным способом изменить ситуацию со значительным увеличением кислотности дождей к лучшему является уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу.
Билет 29
. Озоновые дыры и причины их возникновения
Озоновый слой - это широкий атмосферный пояс, простирающийся на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли. Химически озон - это молекула, состоящая из трех атомов кислорода (молекула кислорода содержит два атома). Концентрация озона в атмосфере очень мала, и небольшие изменения количества озона приводят к серьезным изменениям интенсивности ультрафиолета, достигающего земной поверхности. В отличии от обычного кислорода озон неустойчив, он легко переходит в двухатомную, устойчивую форму кислорода. Озон – гораздо более сильный окислитель, чем кислород, и это делает его способным убивать бактерии, подавлять рост и развитие растений. Впрочем, из-за его низкой в обычных условиях концентрации в приземных слоях воздуха эти его особенности практически не влияют на состояние живых систем.
Гораздо важнее его другое свойство, делающее этот газ совершенно необходимым для всей жизни на суше. Это свойство – способность озона поглощать жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. Кванты жесткого УФ обладают энергией, достаточной для разрыва некоторых химических связей, поэтому его относят к ионизирующим излучениям. Как и другие излучения этого рода, рентгеновское и гамма-излучение, оно вызывает многочисленные нарушения в клетках живых организмов. Озон образуется под воздействием высокоэнергетичной солнечной радиации, стимулирующей реакцию между О2 и свободными атомами кислорода. Под воздействием умеренной радиации он распадается, абсорбируя энергию этой радиации. Таким образом, этот цикличный процесс "съедает" опасный ультрафиолет.
Молекулы озона, как и кислорода, электрически нейтральные, т.е. не несут электрического заряда. Поэтому само по себе магнитное поле Земли не влияет на распределение озона в атмосфере. Верхний слой атмосферы – ионосфера, практически совпадает с озоновым слоем.
В полярных зонах, где силовые линии магнитного поля Земли замыкаются на ее поверхности, искажения ионосферы весьма значительны. Количество ионов, в том числе и ионизированного кислорода, в верхних слоях атмосферы полярных зон снижено. Но главная причина малого содержания озона в области полюсов – малая интенсивность солнечного облучения, падающего даже во время полярного дня под малыми углами к горизонту, а во время полярной ночи отсутствуют вовсе. Площадь полярных «дыр» в озоновом слое – надежный показатель изменений общего содержания озона в атмосфере.
Содержание озона в атмосфере колеблется вследствие многих естественных причин. Периодические колебания связаны с циклами солнечной активности; многие компоненты вулканических газов способны разрушать озон, поэтому повышение вулканической активности ведет к снижению его концентрации. Благодаря высоким, сверураганным скоростям воздушных потоков в стратосфере разрушающие озон вещества разносятся на большие площади. Переносятся не только разрушители озона, но и он сам, поэтому нарушения концентрации озона быстро разносятся на большие площади, а локальные небольшие «дыры» в озоновом щите, вызванные, например, запуском ракеты, сравнительно быстро затягиваются. Только в полярных областях воздух малоподвижен, вследствие чего исчезновение там озона не компенсируется его заносом из других широт, и полярные «озонные дыры», особенно на Южном полюсе, весьма устойчивы.
1.1 Источники разрушения озонового слоя
Среди разрушители озонного слоя можно выделить:
1) Фреоны.
Озон разрушается под воздействием соединений хлора, известных как фреоны, которые, также разрушаясь под воздействием солнечной радиации, освобождают хлор, «отрывающий» от молекул озона «третий» атом. Хлор в соединения не образовывает, но служит катализатором «разрыва». Таким образом, один атом хлора способен «погубить» много озона. Считается, что соединения хлора способны оставаться в атмосфере от 50 до 1500 лет (в зависимости от состава вещества) Земли. Наблюдения за озоновым слоем планеты проводились антарктическими экспедициями с середины 50-х.
Озоновая дыра над Антарктидой, увеличивающаяся по весне и уменьшающаяся к осени, была обнаружена в 1985 году. Открытие метеорологов вызвало цепь последствий экономического характера. Дело в том, что в существовании «дыры» была обвинена химическая промышленность, производящая вещества, содержащие фреоны, способствующие разрушению озона (от дезодорантов до холодильных установок).
В вопросе о том насколько человек повинен в образовании «озоновых дыр» - единого мнения нет.
С одной стороны – да, безусловно повинен. Производство соединений, приводящих к разрушению озона, следует свести к минимуму, а лучше и вообще прекратить. То есть отказаться от целого сектора промышленности, с оборотом в многие миллиарды долларов. А если не отказаться - то перевести ее на «безопасные» рельсы, что тоже стоит денег.
Точка зрения скептиков: человеческое влияние на атмосферные процессы, при всей его разрушительности в локальном плане, в планетарном масштабе - ничтожно. Антифреоновая кампания «зеленых» имеет вполне прозрачную экономическую и политическую подоплеку: с ее помощью крупные американские корпорации (Дюпон, например), душат своих зарубежных конкурентов, навязывая соглашения по "охране окружающей среды" на государственном уровне и насильно вводя новый технологический виток, который более слабые в экономическом отношении государства выдержать не в состоянии.
2) Высотные самолёты.
Разрушению озонного слоя способствуют не только фреоны, выделяющиеся в атмосферу и попадающие в стратосферу. К разрушению озонного слоя причастны и окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах. Но окислы азота образуются и в камерах сгорания турбореактивных двигателей высотных самолётов. Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скорость образования окислов азота тем больше, чем выше температура, т. е. чем больше мощность двигателя.
Важна не только мощность двигателя самолёта, но и высота, на которой он летает и выпускает разрушающие озон окислы азота. Чем выше образуется окись или закись азота, тем он губительнее для озона.
Общее количество окиси азота, которое выбрасывается в атмосферу в год, оценивается в 1 млрд. т. Примерно треть этого количества выбрасывается самолётами выше среднего уровня тропопаузы (11 км). Что касается самолётов, то наиболее вредными являются выбросы военных самолётов, количество которых исчисляется десятками тысяч. Они летают преимущественно на высотах озонного слоя.
3) Минеральные удобрения.
Озон в стратосфере может уменьшаться и за счет того, что в стратосферу попадает закись азота N2O, которая образуется при денитрификации связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхнем слое океанов и морей. Процесс денитрификации напрямую связан с количеством связанного азота в почве. Таким образом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почву минеральных удобрений будет в такой же мере увеличиваться и количество образованной закиси азота N2O. Далее, из закиси азота образуются окислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.
4) Ядерные взрывы.
При ядерных взрывах выделяется очень много энергии в виде тепла. Температура, равная 60000 К устанавливается уже через несколько секунд после ядерного взрыва. Это энергия огненного шара. В сильно нагретой атмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие при нормальных или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона, его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этих преобразованиях окислы азота. Так, за период с 1952 по 1971 г. в результате ядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 млн т. окислов азота. Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадают на разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химические реакции с участием озона, приводя к его разрушению.
5) Сжигание топлива.
Закись азота обнаруживается и в дымовых газах электростанций. Собственно, о том, что окись и двуокись азота присутствуют в продуктах сгорания, было известно давно. Но эти высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно, загрязняют атмосферу, способствуют образованию в ней смога, но довольно быстро удаляются из тропосферы. Закись же азота, как уже говорилось, опасна для озона. При низких температурах она образуется в таких реакциях:
N2 + O + M = N2O + M,
2NH3 + 2O2 =N2O = 3H2.
Масштаб этого явления очень значителен. Таким путём в атмосфере ежегодно образуется примерно 3 млн т. закиси азота! Эта цифра говорит о том, что этот источник разрушения озона существенный.
Билет 30 - 33
Загрязнение окружающей среды
- привнесение новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение их естественного уровня.
|
|
|||
|
|
|
|
|
загрязнение окружающей среды
Классификация источников загрязнения
Загрязнением называется поступление в окружающую среду каких-либо веществ и энергии в количествах, вызывающих неблагоприятное воздействие на здоровье человека, животных, состояние растений и экосистем, на материалы, оборудование, здания и сооружения. Загрязнения окружающей среды подразделяют на выбросы в атмосферу, сбросы в водные объекты, твердые отходы, энергетические или физические загрязнения. Источники загрязненияприродной среды подразделяются на естественные (природные) и искусственные (антропогенные).
Природными источниками загрязнения постоянного действия являются выветривание и выщелачивание горных пород, выделение газов, вод и углеводородов из земных недр, а периодического действия (импульсного) – извержения вулканов, землетрясения, наводнения, оползни, лесные пожары и т.д. Появление различных видов загрязнений в окружающей среде происходит также путем перехода в атмосферу морской соли и продуктов жизнедеятельности биосферы.
Антропогенными источниками загрязнения постоянного действия являются добыча полезных ископаемых, все виды промышленности, энергетика, сельское хозяйство, бытовая деятельность человека, а периодического действия – техногенные аварии и катастрофы, войны. Количественный вклад тех или иных источников в общее загрязнение окружающей среды может колебаться в широких пределах, не всегда однозначно определяется и на сегодняшний день является предметом дискуссий.
Загрязнение атмосферы
Атмосферный воздух является самой динамичной средой в окружающем нас мире, а загрязнение атмосферы – самый мощный, постоянно действующий и всепроникающий фактор, оказывающий негативное воздействие не только на человека, биоценозы, но и на важнейшие природные среды.
Именно атмосферный воздух является переносчиком загрязняющих веществ в другие среды: водоемы, почвы, растительность. Почвы и поверхностные воды могут в отдельных случаях быть источниками вторичного загрязнения атмосферы или, наоборот, являться косвенным показателем её загрязнения. Это определяет необходимость помимо оценки загрязнения непосредственно воздушного бассейна учитывать возможные последствия взаимовлияния атмосферы и сопредельных сред для получения интегральной («смешанной» косвенно-прямой) оценки состояния атмосферы.
Загрязняющие вещества в воздухе распространяются с большой скоростью (скорость перемещения воздуха в горизонтальном направлении в верхних слоях атмосферы может достигать 100150 км/ч) и на большие расстояния, трудно поддаются локализации и обезвреживанию. Однако и, отсутствие движений воздуха в течение недель и даже нескольких дней способствует накоплению загрязнений в атмосфере в значительных количествах.
Вещества, загрязняющие атмосферу, могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Твердые загрязняющие вещества образуются в результате механической обработки различных материалов (дробление, размол, заполнение, разравнивание), тепловых процессов (сжигание, прокаливание, сушка, плавление), при транспортировке сыпучих материалов (погрузка, просеивание).
Жидкие загрязняющие вещества образуются при конденсации паров, распылении и разливе жидкостей, в результате химических реакций. Газообразные загрязнители формируются в результате химических реакций, например, окисления, обжига руд и т.д. При сжигании топлива образуются огромные количества газообразных соединений – оксиды серы, азота, углерода, тяжелых и радиоактивных металлов. Из всей массы загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от антропогенных источников, около 90% составляют газообразные, 10% твердые и жидкие вещества.
При взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром в атмосфере образуются аэрозоли. Аэрозоли это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Средний размер аэрозольных частиц составляет 15 мкм.
Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава.
Но наряду с промышленным загрязнением атмосферный воздух городов в значительной мере (6080 % антропогенных выбросов) загрязняется всеми видами транспорта.
Выбросы, поступающие из источников загрязнения в атмосферу, делятся на высокие и низкие. Высокие выбросы, как правило, являются организованными (промышленные стационарные источники). Низкие выбросы чаще бывают неорганизованными (выбросы из труб мелких котельных, печных труб) или распределенными (выбросы автотранспорта). Выбросы из высоких источников, прежде чем достигнут поверхности земли, разбавляются в большом объеме атмосферного воздуха, поэтому создаваемое ими загрязнение обычно невелико.
Низкие выбросы, поступая в атмосферу, сразу оказываются в слое жизнедеятельности и слабо разбавляются в атмосфере. Поэтому низкие источники чаще, чем высокие, являются виновниками повышенных уровней загрязнения атмосферного воздуха, но следует учитывать, что выбросы высоких источников распространяются на значительные расстояния и могут поражать удаленные от источников растения и живые организмы, чувствительные к более низким уровням загрязнения.
Температура выброса из источника имеет большое значение для формирования газовоздушной струи. Чем выше температура, тем на большую высоту может подниматься факел. Например, при скорости ветра 5 м/с при температуре газов от 100 до 200° С разница температуры газов и окружающего воздуха в 1°С дает приращение высоты выброса на 1,5 м.
Загрязнение гидросферы
Каждый житель Земли в среднем потребляет 650 м3 воды в год (1780 л в сутки).
Основные пути загрязнения гидросферы:
1) загрязнение нефтью и нефтепродуктами. Приводит к появлению нефтяных пятен, что затрудняет процессы фотосинтеза в воде из-за прекращения доступа солнечных лучей, а также вызывает гибель растений и животных. Каждая тонна нефти создает нефтяную пленку на площади до 12 км2. Восстановление пораженных экосистем занимает 10-15 лет;
2) загрязнение сточными водами в результате промышленного производства, минеральными и органическими удобрениями в результате сельскохозяйственного производства, а также коммунально-бытовыми стоками. Ведет к эвтрофикацин водоемов – обогащению их питательными веществами, приводящему к чрезмерному развитию водорослей и гибели других экосистем водоемов с непроточной водой (озер и прудов), а иногда к заболачиванию местности;
3) загрязнение ионами тяжелых металлов. Нарушает жизнедеятельность водных организмов и человека;
4) загрязнение кислотными дождями. Приводит к закислению водоемов и гибели экосистем;
5) радиоактивное загрязнение. Связано со сбросом радиоактивных отходов;
6) тепловое загрязнение. Вызывается сбросом в водоемы подогретых вод ТЭС и АЭС. Приводит к массовому развитию сине-зеленых водорослей, так называемому цветению воды, уменьшению количества кислорода и отрицательно влияет на флору и фауну водоемов;
7) механическое загрязнение. Повышает содержание механических примесей;
8) бактериальное и биологическое загрязнение. Связано с разными патогенными организмами, грибами и водорослями.
Мировое хозяйство сбрасывает в год 1500 км3 сточных вод разной степени очистки, которые требуют 50-100-кратного разбавления для придания им естественных свойств и дальнейшего очищения в биосфере. При этом не учитываются воды сельскохозяйственных производств. Мировой речной сток (37,5-45 тыс. км3 в год) недостаточен для необходимого разбавления сточных вод. Таким образом, в результате промышленной деятельности пресная вода перестала быть возобновляемым ресурсом.
Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами (фенолами, нефтепродуктами, сульфатами, СПАВ, фторидами, цианидами, тяжелыми металлами и др.), в зависимости от специфики отраслей промышленности. Следует заметить, что в настоящее время объем сброса промышленных сточных вод во многие водные экосистемы продолжает возрастать.
Загрязнение литосферы
Почва обеспечивает существование биосферы, является ее основой, она – биологический адсорбент и нейтрализатор загрязнений. Без почвенного покрова невозможно воспроизводство биомассы, а следовательно, накопление колоссальных количеств энергии в процессе фотосинтеза растений. Деградация почвы – это постепенное ухудшение ее свойств, которое сопровождается уменьшением содержания гумуса и снижением плодородия. как известно, почва один из важнейших компонентов окружающей природной среды, непосредственно связанный с приповерхностной частью литосферы. Ее образно называют “мостом между живой и неживой природой”.
Следует учитывать, что почва практически невозобновимый природный ресурс. Все основные ее экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе – почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. Эти процессы ведут к весьма опасной по своим далеко идущим последствиям дегумификации – потере гумуса. Дегумификация возрастает и за счет неумеренного внесения в почву минеральных удобрений. За последнее столетие почвы Черноземья потеряли от трети до половины содержания гумуса. Но даже частичная потеря гумуса и, как следствие, снижение плодородия не дает почве возможность выполнить в полной мере свои экологические функции, и она начинает деградировать, т.е. ухудшать свои свойства.
К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера: эрозия, загрязнение, вторичное засоление, заболачивание, опустынивание. Эрозия почв (от лат. Erosio – разъедание ) – разрушение и снос верхних, наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными.
Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений – токсикантов пагубно влияют на жизнедеятельность почвенных организмов и чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира. Основные загрязняющие вещества почв: 1)пестициды (ядохимикаты); 2)минеральные удобрения; 3)отходы и отбросы производства; 4)газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5)нефть и нефтепродукты.
Билет 34-35
1 Понятие об экологической безопасности
Экологическая безопасность – это состояние защищенности биосферы и человеческого общества, а на государственном уровне – государства от угроз, возникающих в результате антропогенных и природных воздействий на окружающую среду.
В понятие экологической безопасности входит система регулирования и управления, позволяющая прогнозировать, не допускать, а в случае возникновения – ликвидировать развитие чрезвычайных ситуаций.
Экологическая безопасность реализуется на глобальном, региональном и локальном уровнях.
Глобальный уровень предполагает прогнозирование и отслеживание процессов в состоянии биосферы в целом и составляющих ее сфер. Во второй половине ХХ в. эти процессы выражаются в глобальных изменениях климата, возникновение «парникового эффекта», разрушение озонового экрана, опустынивание планеты и загрязнение Мирового океана. Суть глобального контроля и управления – в сохранении и восстановлении естественного механизма воспроизводства окружающей среды биосферой, которой направляется совокупностью входящих в состав биосферы живых организмов.
Управление глобальной экологической безопасностью является прерогативой межгосударственных отношений на уровне ООН, ЮНЕСКО, ЮНЕП и других международных организаций.
На глобальном уровне стало запрещение испытаний ядерного оружия во всех средах, кроме пока подземных испытаний. Достигнуты соглашения о мировом запрете китобойного промысла и правовом межгосударственном регулировании вылова рыбы и других морепродуктов. Заведены международные Красные книги с целью сохранения биоразнообразия. Силами мирового сообщества проводится изучение Арктики и Антарктиды как естественных биосферных зон, не затронутых вмешательством человека, для сравнения с развитием зон, преобразованных человеческой деятельностью. Международным сообществом принята Декларация о запрещении производства хладагентов фреонов, способствующих разрушению озонового слоя.
Региональный уровень включает крупные географические или экономические зоны, а иногда территории нескольких государств. Контроль и управление осуществляется на уровне правительства государства и на уровне межгосударственных связей (объединенная Европа, СНГ, союз африканских государств и т.д.). На этом уровне система управления экологической безопасностью включает:
· Экологизацию экономики;
· Экологически безопасные технологии;
· Выдерживание темпов экономического развития, не препятствующих восстановлению качества окружающей среды и способствующих рациональному использованию природных ресурсов.
Локальный уровень включает города, районы, предприятия металлургии, химической, нефтеперерабатывающей, горнодобывающей промышленности и оборонного комплекса, а также контроль выбросов, стоков и др. Управление экологической безопасностью осуществляется на уровне администрации отдельных городов, районов, предприятий с привлечением соответствующих служб, ответственных за санитарное состояние и природоохранную деятельность.
Независимо от уровня управления экологической безопасностью объектами управления обязательно являются окружающая природная среда, т.е. комплекс естественных экосистем, и социоприродные экосистемы. Именно поэтому в схеме управления экологической безопасностью любого уровня обязательно присутствует анализ экономики, финансов, ресурсов, правовых вопросов, административных мер, образования и культуры.
Основной целью «экологических законов» является защита здоровья населения от отрицательного воздействия, обусловленного загрязнением окружающей среды.
Статья 9 гласит, что земля и другие природные ресурсы используются и охраняются в РФ как основа жизни и деятельности народов, проживающих на соответствующей территории.
Статья 10 – принцип организации власти в РФ – принцип разделения властей (демократический политический режим может быть установлен в государстве при условии разделения функций государственной власти между самостоятельными государственными органами).
Статья 17 – признаются и гарантируются права и свободы человека и гражданина согласно общепризнанным принципам и нормам международного права и в соответствии с Конституцией.
Статья 41 – каждый имеет право на охрану здоровья и медицинскую помощь. Право граждан на охрану здоровья обеспечивается охраной окружающей природной среды, защитой жизни и здоровья населения от отрицательного воздействия, обусловленного загрязнением окружающей среды.
Статья 42 гласит, что каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещении ущерба, причиненного его здоровью или имуществу экологическим правонарушением.
Право граждан на благоприятную окружающую природную среду обеспечивается:
1. Государственным экологическим контролем за состоянием окружающей среды и соблюдением природоохранительного законодательства;
2. Планированием и нормированием качества окружающей среды;
3. Проведением государственной экологической экспертизы;
4. Осуществлением оценки воздействия на окружающую среду;
5. Осуществлением государственного мониторинга окружающей среды;
6. Проведением экологического аудита;
7. Экономическими методами регулирования в области охраны окружающей среды;
8. Экологической сертификацией;
9. Формированием экологической культуры;
10. Разработкой и утверждением обязательных требований в области охраны окружающей среды при осуществлении хозяйственной и иной деятельности;
11. Предупреждением и ликвидацией последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий;
12. Экологическим страхованием;
13. Образованием государственных и общественных, резервных и иных фондов помощи;
14. Организацией медицинского обслуживания населения.