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
ТЕМА 1. ВИЗНАЧЕННЯ, ПРЕДМЕТ, ЗАВДАННЯ ТА СТРУКТУРНІ ПІДРОЗДІЛИ СУЧАСНОЇ ЕКОЛОГІЇ. ОСНОВНІ ЕКОЛОГІЧНІ ПОНЯТТЯ ТА ТЕРМІНИ
Слово «екологія» походить від грецьких слів oikos, що означає дім, помешкання, та logos – наука. Таким чином, екологія – це наука, що вивчає наше природне середовище, всі організми, що його населяють, та функціональні процеси, що роблять цей “дім” придатним для життя. В буквальному сенсі екологія – це наука про організми в середовищі їх проживання. Особливу увагу вона приділяє сукупності та характеру зв'язків між людиною та оточуючим його середовищем.
Екологія набула практичного зацікавлення ще на зорі розвитку людства. Подібно іншим галузям знань, екологія розвивалася безперервно, але нерівномірно. Дані екологічного характеру вміщуються у працях ряду давньоримських та давньогрецьких філософів (Гіппократа, Аристотеля тощо), але вперше термін екологія був введений у 1866 році німецьким вченим, біологом-дарвіністом Ернстом Геккелем. Так, Геккель назвав науку, що вивчає організацію та функціонування надорганізованих біологічних систем різних рівнів: видів, популяцій, біоценозів (спільнот), екосистем (біогеоценозів) та біосфери.
Історія розвитку науки екологія:
Перший етап
Про залежність рослин від зовнішніх умов добре знали і перші землероби за багато століть до нової ери (10-15 тис. років тому). Сівозміну сільськогосподарських культур застосовували в Єгипті, Китаї та Індії 5 тисячоліть тому. Складна і екологічно вивірена система землеробства була в індіанців майя в стародавній Америці. Елементи екології відображені в епічних творах і легендах: в давньоіндійському епосі «Махабхарта» (VI–II ст. до н. е.; відомості про звички і спосіб життя 50 тварин), в рукописних книгах Китаю і Вавилона (терміни посіву та збору диких і культурних рослин, способи обробки землі, види птахів і звірів).
Другий етап
Теофраст (Парацельс, він же Тіртей, 287-372) описав 500 видів рослин. Найголовнішими роботами різнобічного вченого (його праці: «Про каміння», «Про вогонь», «Про смаки», «Про втому», «Про прикмети погоди», «Характери», «Підручник риторики» та ін.) і філософа стали «Дослідження про ботаніку» в 9 книгах: 1 – про частини і морфологію рослин, 2 – догляд за садовими деревами, 3 – опис лісових дерев, 4 – опис заморських рослин та їх хвороб, 5 – про ліс та його користь, 6 – про чагарники і квіти, 7 – про городні рослини і догляд за ними, 8 – про злаки, бобові і про рільництво, 9 – про лікарські трави. Теофраст зробив ботаніку самостійною наукою, відокремивши її від зоології. Тому його і називають батьком ботаніки. Давньогрецькі філософи багато в чому ототожнювали рослини і тварин, вважали, що рослини можуть радіти і засмучуватися, органи тварин ототожнювали з органами рослин: коріння – рот і голова, стебла – ноги й живіт, і т. д. Мріяли виростити в колбі живу істоту (гомункулус). Але Теофраст був не тільки батьком ботаніки. Велику увагу в своїх працях він приділяв впливу зовнішнього середовища на живі організми, і саме він вперше розділив покритонасінні рослини на життєві форми: дерева, чагарники, напівчагарники і трави, з урахуванням залежності від ґрунту і клімату.
Пліній старший (23-79 років н. е.) у своїй багатотомній «Філософії природи» багато явищ природи розглядав зі справді екологічних позицій. Стародавні вчені замислювалися про те, про що замислюємося і ми з вами.
В середні віки в Європі стався відкат людської думки далеко назад, церква на кілька століть стала гальмом розвитку всіх природних наук. Зв'язок будови організмів з середовищем цілком приписувалася волі бога. Наукові відомості містяться в одиничних роботах (багатотомний твір Венсені де Бове (XIII століття) «Дзеркало речей», «Повчання Володимира Мономаха» (XI), «Про повчання і подібність речей» домініканського монаха Іоанна Сієнського (XIV)) і мають прикладний характер; полягають в описі цілющих трав, культивованих рослин і тварин. Але вже в пізнє середньовіччя стали з'явилися нові віяння в науці – зачатки екології. Альберт Великий (Альберт фон Больштедт, ~ 1193-1280 рр.) в працях про рослини надає великого значення умовам зростання, зокрема світловому фактору – «сонячному теплу», розглядає причини «зимового сну».
Третій етап
У першій половині XVIII століття Карл Лінней створив таксономічну систему тварин і рослин, якою ботаніки користуються і понині. Заслуги цього вченого перед світом настільки великі, що на їх перерахування не вистачить і цілої лекції. Його вважають реформатором ботаніки. Крім бінарної номенклатури він розробив термінологію, ввівши в систематику більше 1000 термінів для різних органів рослин та їх частин.
Вже перші систематики: А. Цезальпін (1509–1603), Д. Рей (1623–1705), Ж. Турнефор (1656–1708), відзначали залежність рослин від умов середовища і місць зростання. Жорж Леклерк Бюффон (1707–1788) в «Природній історії» (не проводячи дослідів!) писав про вплив клімату на тваринні організми, Жан Батист Ламарк (1744-1829) відкрив еволюцію життя. Ламарк був послідовником К. Ліннея і склав класифікацію тварин («Філософія зоології»), що відображає походження – еволюцію, тварин, вибравши в якості ознак внутрішню будову (відділив безхребетних від хребетних) і будову нервової системи (бездушні – інфузорії і поліпи, які відчувають – все інші безхребетні, і розумні – хребетні).
Відомий англійський хімік Р. Бойль (1627-1691) поставив перший екологічний експеримент з впливу низького атмосферного тиску на розвиток тварин, а Ф. Реді експериментально довів, що самозародження складних тварин неможливе. Антоні ван Левенгук, який винайшов мікроскоп, був першим у вивченні трофічних ланцюгів і регуляції чисельності організмів.
М. В. Ломоносов розглядав вплив середовища на організм. Він у роботі «Про шари земні» (1763) писав, що «…даремно багато хто думає, що все, що ми бачимо, спочатку створено творцем…». За рештками вимерлих тварин (молюсків і комах) Ломоносов реконструював умови їх існування в минулому і спростував теорію катастроф Ж. Кюв'є. Таким чином, до кінця XVIII ст., у міру все більшого накопичення екологічних знань, у натуралістів почав складатися особливий підхід до вивчення явищ природи, який враховує залежність зміни організмів від навколишніх умов. Але екологічних ідей як таких ще немає.
Четвертий етап
Період: кінець XVIII — початок XIX століття. Цей етап пов'язаний з великими ботаніко-географічними дослідженнями, що сприяли подальшому розвитку екологічного мислення. На початку XIX ст. виділяються в самостійні галузі екологія рослин і екологія тварин. Вчені цього часу аналізували закономірності організмів і середовища, взаємовідносини між організмами, призвичаюваність і пристосованість. Величезну роль у розвитку екологічних ідей зіграв німецький вчений О. Гумбольдт (1769-1859), що заклав основи біогеографії. У книзі «Ідеї географії рослин» (1807) він ввів ряд наукових понять, які використовуються екологами і сьогодні (екобіоморфа рослин, асоціація видів, формація рослинності та ін.).
З'явилися роботи, в яких автори розуміють місце існування, як сукупність діючих екологічних факторів. У 1832 р. О. Декандоль обґрунтував необхідність виділення нової галузі наук «Епірреалогіі». Він писав: "…Рослини не вибирають умови середовища, вони їх витримують або вмирають. Кожен вид, що живе в певній місцевості, за певних умов представляє як би фізіологічний досвід, демонструє нам спосіб впливу теплоти, світла, вологості і настільки різноманітні модифікації цих факторів …".
П'ятий етап
Найважливішою віхою у розвитку екологічних уявлень про природу став вихід в світ знаменитої книги Ч. Дарвіна (1809-1882) про походження видів шляхом природного добору, жорсткої конкуренції.
Це велике відкриття в біології стало потужним поштовхом для розвитку екологічних ідей. У Дарвіна було багато послідовників. Один з них – німецький зоолог Ернст Геккель (1834-1919). «Я доведу!» – девіз Е. Геккеля. У 8 років він прочитав Робінзона Крузо, довго марив дикунами, пригодами. Пробивний, який мріяв і добився світової слави, він домігся відкриття філогенетичного факультету в Йєнському університеті, багато років успішно вивчав радіолярій, прекрасно малював, але міг робити висновки, не підкріплені фактами і тому помилкові. Геккелем було придумано багато різних термінів для класифікації відділів наук; багато років він шукав одноклітинний організм, який дав початок всьому живому; шукав загальний закон, який би пояснив всі явища. Незабаром після виходу в світ вчення Ч. Дарвіна – в 1866 р. він запропонував термін для нової науки – «екологія», який згодом отримав загальне визнання.
Саме 1866 рік слід вважати роком народження екології. В кінці XIX ст. вона представляла собою науку про адаптацію організмів до кліматичних умов, але лише через 100 років перетворилася на цілий світогляд – загальну екологію. У 1895 р. датський вчений Е. Вармінг (1841-1924) ввів термін «екологія» в ботаніку для позначення самостійної наукової дисципліни – екології рослин.
Таким чином, загальним для періоду наївною екології, що тривав з початку розвитку цивілізації до 1866 р., є накопичення та опис колосального фактичного матеріалу і відсутність системного підходу в його аналізі.
Шостий етап
У 1877 р. німецький гідробіолог К. Мебіус (1825-1908) на основі вивчення вустричних банок в Північному морі розробив учення про біоценози, як угруповання організмів, які через середовище проживання найтіснішим чином пов'язані один з одним. Саме його праця «Вустриці і вустричне господарство» поклала початок біоценологічним – екосистемним, дослідженням, які надалі збагатилися методами обліку кількісних співвідношень організмів. Виключно великі заслуги В. В. Докучаєва (1846-1903), він створив вчення про природні зони і вчення про ґрунт, як особливе біокосне тіло (систему).
Особливо широко дослідження надорганізменного рівня стали розвиватися з початку XX століття. Повсюдно стали створюватися різні наукові товариства та школи: ботаніків, фітоценологів, гідробіологів, зоологів і т. д., випускатися журнали.
1916 р. – Ф. Клементс показав адаптивність біоценозів і адаптивний зміст цього,
1925 р. – А. Тінеманн ввів поняття «продукція»,
1927 р. – Ч. Елтон виділив своєрідність біоценотичних процесів, ввів поняття екологічна ніша, сформулював правило екологічних пірамід.
До 30-х років XX століття були створені різні системи класифікації рослинності на основі морфологічних, еколого-морфологічних та динамічних характеристик фітоценозів .
Сьомий етап
Сьомий етап відображає новий підхід до досліджень природних систем – в його основу покладено вивчення процесів матеріально-енергетичного обміну, формування загальної екології, як самостійної науки. Г. Ф. Гаузе на початку 40-х років минулого століття проголосив принцип конкурентного виключення, вказавши на важливість трофічних зв'язків, як основного шляху для потоків енергії через природні системи. Слідом за Гаузе, в 1935 р. англійський ботанік А.Дж. Тенслі ввів поняття екосистеми, і цей рік прийнято вважати роком народження загальної екології як науки, об'єктом якої є не тільки окремі види і популяції видів, а й екосистеми, в яких біоценози розглядаються з біотопами, як єдине ціле.
У загальній екології з цього часу чітко виділилися два напрямки — аутекологія і синекологія. В фітоценології загальне визнання отримала парадигма дискретності рослинного покриву, що пояснюється прагненням до класифікаційних робіт.
Майже одночасно з А. Тенслі, В. М. Сукачов в 1942 р., слідуючи Г. Ф. Морозову, розробив систему понять про лісовий біогеоценоз, як про природну систему, однорідну за всіма параметрами (рослинним покривом, світом тварин і мікроорганізмів, поверхневою гірською породою, гідрологічними, ґрунтовими, мікрокліматичними умовами, за типом взаємодій, обміном речовиною і енергією між його компонентами і між ними та іншими явищами природи).
Восьмий етап
«Екологізація» науки; становлення екологічних наук, що враховують діяльність людини, тобто соціальної та політичної спрямованості. Зростання інтересу до вивчення популяцій (демекологія), динаміки формування біогеоценозів в зв'язку з антропогенними порушеннями. Велика увага приділяється стаціонарним дослідженням. Основна методологія – системний аналіз. Один з головних напрямків – тривалий екологічний моніторинг різних рівнів (наземний, регіональний, глобальний і др.). Період: з 80-х років XX століття по теперішній час. Специфіка – відмова від примату конкурентних взаємовідносин в ценозі; в фітоценології зміна парадигми дискретності на парадигму континуальності; розвиток методів і теорії екологічного моніторинга.
В останнє десятиліття відбулося об'єднання ряду тенденцій останніх періодів. Вченими визнається як континуальність, так і дискретність рослинного покриву – в природі є і те і це, формується нова парадигма – біологічного різноманіття.
Особливий внесок в розвиток екології вніс В.І. Вернадський, який заснував вчення про біосферу, що стало основою сучасної екології.
Важливу роль у диференціації екологічної науки мав ІІІ Ботанічний конгрес, який відбувся у 1910 році у Брюсселі. На ньому було вирішено поділити екологію рослин на екологію особин (аутекологію) та екологію угруповань (синекологію). Цей поділ поширився також на екологію тварин та загальну екологію. У 30-ті роки ХХ століття сформувалася популяційна екологія – демекологія, яка вивчає структуру виду: біологічну, статеву, вікову, описує коливання чисельності різних видів і встановлює їхні причини.
Отже, екологія як біологічна наука вивчає організацію життя рослин і тварин, взаємодію живих організмів з оточенням, умовами існування, методом життя. Загальна екологія сформувалася в 60-70-ті роки ХХ століття на основі узагальнення та системного аналізу набутих знань про рівні організації живої матерії (екологи Дж. Кларк, Ю. Одум, М. Реймерс, І. Дедю та ін.). Сучасна екологія вивчає взаємодію людини та біосфери, суспільного виробництва з навколишнім середовищем. Крім того, екологія займається дослідженням усіх типів екосистем.
На сьогоднішній день, при узагальненні всіх наукових напрямків та течій універсальна екологія поділяється на два взаємопов'язаних напрямки: теоретичну і практичну (прикладну).
Теоретична екологія базується на вивченні і розробці екології живих організмів. Базу її складає біоекологія – материнський субстрат екологічної науки, до складу якої входять: екологія людини, екологія мікросвіту, екологія рослин, екологія тварин, експериментальна екологія, біоекомоніторинг.
Практична екологія об'єднує три великих розділи:
1. геоекологія – вивчає геоекосистеми – територіальні одиниці, що контролюються людиною і являють собою ділянки ландшафтної сфери. Вона вирішує взаємопов'язані завдання оцінки проживання і різноманітної виробничої діяльності людини, а також прогнозування стійкості природи і її реакції на різні антропогенні дії. До її складу входить охорона атмосфери, охорона гідросфери, охорона геологічного середовища, охорона земельних ресурсів, ландшафтна екологія;
2. соціоекологія – вивчає соціоекосистеми – взаємодію природи та суспільства. Взаємозв'язок природних і соціальних чинників праці визначається формами власності, суспільним поділом праці, рівнем розвитку науки і техніки, які в сукупності зумовлюють історично конкретний спосіб матеріального і духовного виробництва, характер освоєння та перетворення людиною природної і соціальної дійсності. До її складу входить: психоекологія, урбоекологія, екологія народонаселення, природоохоронне законодавство та міжнародне співробітництво по охороні біосфери;
3. техноекологія – вивчає техноекосистеми – створені внаслідок впливу на навколишнє середовище техногенних факторів: екологія енергетики, промисловості, агроекологія, екологія транспорту, екологічна експертиза, екологія військової діяльності.
Головні завдання екології – це: встановлення закономірностей взаємозв’язків між організмами, їхніми угрупованнями та умовами довкілля; дослідження структури та функціонування угрупувань організмів; розроблення методів визначення екологічного стану природних і штучних угрупувань; спостереження за змінами в окремих екосистемах та біосфері в цілому, прогнозування їхніх наслідків; створення бази даних та розроблення рекомендацій для екологічно безпечного планування господарської і соціальної діяльності людини; застосування екологічних знань у сфері охорони навколишнього середовища та раціонального використання природних ресурсів.
Предметом екології є різноманітність і структура зв’язків між організмами, їхніми угрупуваннями та середовищем існування, а також склад і закономірності функціонування угрупувань організмів: популяцій, біогеоценозів, біосфери в цілому.
Екологія як галузь знань має свій понятійний і термінологічний апарат.
Екосистема – об'єкт вивчення в екології – єдиний природний комплекс, утворений за довгий період живими організмами і середовищем, в якому вони існують, і де всі компоненти тісно пов'язані обміном речовин та енергії.
Поряд з поняттям “екосистема” існує поняття “біогеоценоз” (запропоноване у 1942 р. видатним російським вченим В.М. Сукачовим) – об'єкт вивчення в біології – це історично сформований взаємозумовлений комплекс живих і неживих компонентів певної ділянки земної поверхні, які пов'язані між собою обміном речовин, енергії та інформації. До його складу входять два компонента:
1. біотоп – однорідна ділянка землі, яка характеризується певною сукупністю факторів живої і неживої природи (кліматоп – атмосфера, едафотоп – ґрунт і ґрунтові води, літотоп – літогенна база та інші);
2. біоценоз – спільнота організмів (продуцентів, консументів, редуцентів), що мешкають в межах одного біотопу (зооценоз, фітоценоз, мікробіоценоз).
Популяція – сукупність особин одного виду з однаковим генофондом, яка живе на спільній території протягом багатьох поколінь.
Вид (біологічний) – сукупність організмів із спорідненими морфологічними ознаками, які можуть схрещуватися між собою і мають спільний генофонд. Це основна структурна одиниця в системі живих організмів.
Гомеостаз – стан внутрішньої динамічної рівноваги природної системи (екосистеми), що підтримується регулярним відновленням її основних елементів і речовинно-енергетичного складу, а також постійним функціональним саморегулюванням компонентів.
Навколишнє середовище (довкілля) – частина земної природи, з якою людське суспільство безпосередньо взаємодіє у своєму житті і виробничій діяльності. Воно містить у собі природне та техногенне (штучне) середовища, які в наш час тісно пов'язані між собою.
Природне середовище – це все живе і неживе, що оточує організми, і з чим вони взаємодіють (повітряне, водне, ґрунтове та інше).
Основні екологічні закони:
1. Закон мінімуму Ю. Лібіха.
За стаціонарного стану лімітуючою буде та речовина, доступна кількість котрої найбільш близька до необхідного мінімуму. Стійкість організму визначається найслабшою ланкою в ланцюзі його екологічних потреб.
2. Закон толерантності (закон Шелфорда).
Відсутність або неможливість розвитку екосистеми визначається не лише нестачею, але й надлишком будь-якого з факторів (тепло, світло, вода тощо). Фактором, що лімітує процвітання організму, може бути як мінімум, так і максимум екологічного впливу, діапазон між якими визначає ступінь витривалості (толерантності) організму до даного фактора.
3. Закон конкурентного виключення.
Два види, що займають одну екологічну нішу, не можуть співіснувати в одному місці нескінченно довго.
4. Закон біогенної міграції атомів (закон В.І.Вернадського).
Міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів.
5. Закон внутрішньої динамічної рівноваги.
Речовина, енергія, інформація та динамічні якості окремих природних систем перебувають у тісному взаємозв'язку. Зміна одного з показників неминуче призводить до функціонально-структурних змін інших за умови збереження загальних якостей системи – речовинно-енергетичних, інформаційних та динамічних.
6. Закон генетичної різноманітності.
Все живе генетично різне й має тенденцію до збільшення біологічної різнорідності.
7. Закон історичної незворотності.
Загальний процес розвитку біосфери та людства однонаправлений.
8. Закон константності (сформульований В.І. Вернадським).
Кількість живої речовини біосфери, утвореної за певний геологічний час, є постійною величиною.
9. Закон кореляції (сформульований Ж. Кюв'є).
В організмі як цілісній системі всі частини відповідають одна одній як за будовою, так і за функціями.
10. Закон максимізації енергії (сформульований Г. і Ю. Одумами та доповнений М. Реймерсом).
У конкуренції з іншими системами зберігається та з них, яка найбільше сприяє надходженню енергії та інформації й використовує максимальну їх кількість найефективніше.
11. Закон максимуму біогенної енергії (закон Вернадського-Бауера).
Будь-яка біологічна та біонедосконала система, що перебуває в стані стійкості нерівноваги (динамічно рухливої рівноваги з довкіллям), збільшує, розвиваючись, свій вплив на середовище.
12. Закон обмеженості природних ресурсів.
Усі природні ресурси в умовах Землі вичерпні.
13. Закон односпрямованості потоку енергії.
Енергія, яку одержує екосистема і яка засвоюється продуцентами, розсіюється, або разом з їхньою біомасою незворотньо передається консументам першого, другого, третього та інших порядків, а потім редуцентам, що супроводжується втратою певної кількості енергії на кожному трофічному рівні як наслідок процесів, що супроводжують дихання.
14. Закон оптимальності.
Ніяка система не може звужуватися або розширюватися до нескінченності.
15. Закон піраміди енергій (сформульований Р. Ліндеманом).
З одного трофічного рівня екологічної піраміди на інший переходить у середньому не більше 10% енергії.
16. Закон рівнозначності умов життя.
Усі природні умови середовища, необхідні для життя, відіграють рівнозначні ролі.
17. Закон розвитку навколишнього середовища.
Будь-яка природна система розвивається лише за рахунок використання матеріально-енергетичних та інформаційних можливостей навколишнього середовища.
18. Закон зменшення енерговіддачі в природокористуванні.
Процес одержання з природних систем корисної продукції, з часом (у історичному аспекті) на її виготовлення в середньому витрачається дедалі більше енергії (зростають енергетичні витрати на одну людину).
19. Закон сукупної дії природних факторів (закон Мітчерліха-Тинемана-Бауле).
Розмір урожаю залежить від усієї сукупності екологічних факторів одночасно.
20. Закон ґрунтостомлення (зниження родючості).
Через тривале використання й порушення природних процесів ґрунтоутворення відбувається поступове зниження природної родючості ґрунтів.
21. Закон фізико-хімічної єдності живої речовини (сформульований В.І. Вернадським).
Уся жива речовина Землі має єдину фізико-хімічну природу.
22. Закон екологічної кореляції.
В екосистемі жива речовина та абіотичні компоненти функціонально відповідають один одному, випадання однієї частини системи неминуче призводить до вимикання пов'язаних з нею інших частин екосистеми та функціональних змін.
23. Закони Б. Коммонера.
- все пов'язане з усім;
- все мусить кудись діватися;
- природа знає краще;
- ніщо не дається дарма.
24. Закон емерджентності.
Ціле завжди має особливі властивості, відсутні в його частин.
25. Закон необхідної різноманітності.
Система не може складатися з абсолютно ідентичних елементів, але може мати ієрархічну організацію та інтегративні рівні.
26. Закон незворотності еволюції.
Організм (популяція, вид) не може повернутися до попереднього стану, реалізованого його предками.
27. Закон ускладнення організації.
Історичний розвиток живих організмів призводить до ускладнення їх організації шляхом диференціації органів та функцій.
28. Біогенний закон (Е. Геккель).
Онтогенез організму є коротким повторенням філогенезу даного виду, тобто розвиток індивіда скорочено повторює історичний розвиток свого виду.
29. Закон нерівномірності розвитку частин систем.
Система одного виду розвивається не зовсім синхронно – в той час, коли один досягає більш високої стадії розвитку, інші залишаються в менш розвиненому стані.
30. Закон збереження життя.
Життя може існувати тільки в процесі руху через живе тіло потоку речовин, енергії, інформації.
ТЕМА 2. ЕКОЛОГІЧНІ ФАКТОРИ ТА ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ. ДІЇ ЕКОЛОГІЧНИХ ФАКТОРІВ НА ОРГАНІЗМ. ТИПИ ВЗАЄМОДІЙ МІЖ ЖИВИМИ ОРГАНІЗМАМИ (ВИДАМИ, ПОПУЛЯЦІЯМИ)
Під екологічними факторами слід розуміти елементи середовища, які впливають на існування й розвиток організмів і на які живі істоти реагують реакціями пристосування (за межами здатності пристосування настає загибель).
Екологія особин (виду) – аутекологія – вивчає сукупність екологічних факторів, які діють на вигляд і відповідні реакції виду на цю дію.
Екологічні фактори за характером походження:
- абіотичні фактори (фактори неживої природи): кліматичні (тепло, світло, волога, тиск, радіоактивність повітря), едафічні (ґрунтові води, кислотність, отруйні речовини, механічні властивості ґрунту, лісова підстилка), орографічні (рельєф, нахил схилу, експозиція, висота над рівнем моря), геологічні (землетруси, виверження вулканів та інше );
- біотичні фактори (фактори живої природи, пов'язані з дією одних організмів на інші, включаючи всі взаємовідносини між ними;
- антропогенні фактори: будівництво міст, доріг, каналів, тунелів), видобування корисних копалин, розвиток промисловості і транспорту, рекреаційні (пожежі; ущільнення і пошкодження ґрунту, знищення тварин, рослин), лісокористування, надмірний вилов риби у водоймах.
Екологічні фактори за характером дії:
- стабільні фактори – ті, які не змінюються протягом тривалого часу (земне тяжіння, сонячна стала, склад атмосфери тощо);
- змінні фактори – закономірно змінні та випадково змінні. Закономірно змінні - періодичність добових і сезонних змін, що обумовлює певну циклічність у житті організмів (міграції, сплячка, добова активність та ін.). Випадково змінні фактори об'єднують біотичні і абіотичні і антропогенні фактори, дія яких повторюється без певної періодичності (коливання температури, дощ, вітер, град, епідемії, вплив хижаків та ін.).
Вважають, що загальна кількість екологічних факторів становить близько 60-ти; існує і спеціальна класифікація:
1) фактори часу (еволюційні, історичні, діючі);
2) фактори періодичності (періодичні і неперіодичні);
3) фактори первинні і вторинні;
4) фактори за походженням (космічні, абіотичні, біотичні, природно-антропогенні, техногенні, антропогенні);
5) фактори за середовищі виникнення (атмосферні, водні, геоморфологічні, фізіологічні, генетичні, екосистемні);
6) фактори за характером (інформаційні, фізичні, хімічні, енергетичні, біогенні, комплексні, кліматичні);
7) фактори за об'єктом впливу (індивідуальні, групові, видові, соціальні);
8) фактори за ступенем впливу (летальні, екстремальні, обмежуючі, що турбують, мутагенні, тератогенні);
9) фактори за умовами дії (залежні чи незалежні від щільності);
10) фактори за спектром впливу (вибіркові чи загальної дії).
У природі всі екологічні фактори діють комплексно, одночасно і сукупно.
Середовище впливає на організм через абіотичні фактори температури, вологості, світла, тиску, хімічних характеристик субстрату тощо, а організм на середовище впливає, головним чином, зміною хімізму субстрату, виснаженням трофічних і енергетичних ресурсів і зміни мікрокліматичних умов. Вплив середовища на окремий організм, при посередництві біотичних факторів, що проявляється в доступності трофічного ресурсу (наприклад, їжу може з'їсти інша тварина), можливості розмноження (наприклад, зустріч з особою протилежної статі, наявність вільної території для розмноження і виведення потомства тощо), загроза хижака (наприклад, особа може з'їсти хижак) і т. д.
Екологічні фактори впливають на поведінку тварини, його активність, обмінні процеси в її організмі, розвиток і морфогенез. Будь-який чинник має або безпосередній вплив, або сигнальне (непряме) вплив на організм. У першому випадку фактор впливає механічно (наприклад, гравітація, електричне і магнітне поля, вітер тощо) або фізіологічно – зміною обмінних процесів (наприклад, зміна температури середовища призводить до прискорення або уповільнення метаболізму) і зміною внутрішнього середовища (наприклад, зневоднення). У другому випадку зміна будь-якого фактору може бути дуже незначним і не має якогось відчутного впливу на організм, проте, це незначна зміна служить сигналом організму для початку внутрішніх перебудов до можливих змін у середовищі (наприклад, зміна довжини світлового дня є сигналом до початку міграцій у перелітних птахів).
Одні і ті ж фактори неоднаково впливають на організм різних видів, які живуть разом і навіть на сукупності організмів одного і того ж виду.
Важливою характеристикою виду організмів є його витривалість до того чи іншого фактору. На життєдіяльності організму негативно позначається як недостатня, так і надмірна дія будь-якого фактору. Сила фактору, яка сприяє життєдіяльності організму, називається зоною оптимуму, а межа витривалості організму лежить між верхньою і нижньою межами величини фактору, коли організмам загрожує загибель. Зони пригніченого стану називають зонами песимума. Величина діапазону зон оптимуму й песимума є критерієм для визначення витривалості й пластичності організму щодо даного екологічного фактору, тобто екологічної валентності.
Екологічна валентність – це ступінь пристосовуваності живого організму до змін умов середовища. Кількісно екологічна валентність виражається діапазоном середовища, в межах якого даний вид зберігає нормальну життєдіяльність.
Організми по відношенню до характеру впливу екологічних факторів називають стенобіонтами і еврибіонтами.
Стенобіонти – організми, які можуть жити лише в певних умовах середовища при дуже незначному коливанні його факторів.
Еврибіонти – організми, які можуть жити в різних умовах навколишнього середовища.
Кожен екологічний фактор може діяти на організм з різною інтенсивністю. Нормальна життєдіяльність організмів можлива лише за умови життєвого оптимуму екологічного чинника для конкретного виду, тобто сприятливого впливу фактору, який забезпечує оптимальні умови для життєдіяльності особин даного виду. Чим більше відхилення екологічного фактора від оптимальної величини, тим сильніше пригнічується життєдіяльність організмів.
Мінімальні і максимальні значення екологічного фактору є критичними – за їх межами життя неможливе. Межі інтенсивності дії фактору, за яким існування організмів стає неможливим, називають верхньою і нижньою межею витривалості. Фактори, які виходять за межі витривалості, називаються лімітуючими або обмежуючими. Вони визначають територію розселення виду. Наприклад, поширення багатьох видів тварин на північ стримується нестачею тепла і світла, на південь – дефіцитом вологи. Оптимум і межі витривалості організму щодо певного фактору залежать від інтенсивності дії інших (явище взаємодії екологічних факторів).
Так, при оптимальній вологості підвищується витривалість проти несприятливої температури і нестачі їжі. З іншого боку, достатня кількість їжі збільшує стійкість організму проти несприятливих кліматичних умов. Однак така взаємна компенсація завжди обмежена, і ні один із необхідних для життя факторів не може змінитися іншим. Здатність організму витримувати певну амплітуду коливання фактору називають іноді ще екологічною валентністю. Для життя організмів велике значення має не тільки абсолютна величина фактору, але й швидкість його зміни.
Для нормального існування організму необхідний певний набір факторів. Якщо хоч один із життєво необхідних факторів відсутній або дія його недостатня, організм не може нормально існувати, розвиватись і давати потомство, наприклад, рослини не можуть рости при достатній освітленості і наявності вуглекислого газу, якщо їм не буде вистачати вологи.
Фактори навколишнього середовища забезпечують існування в просторі і часі. Засвоєння і використання факторів здійснюється організмом через адаптації.
Адаптація – це пристосування або засоби, за допомогою яких організм здійснює взаємодію з середовищем для підтримання гомеостазу і забезпечує безперервність існування в часі через потомство.
Залежно від кількості й сили дії один і той самий фактор може мати протилежне значення для організму. Наприклад, підвищення, або зниження температури за межі пристосовності організму призводить до його загибелі. Адаптивні можливості різних організмів розраховані на різне значення фактору. Так, більшість прісноводних риб гине, потрапивши в морську воду, а морські риби гинуть при зниженні солоності води.
Адаптації можуть бути морфологічними, які виражені в пристосуванні будови (форми) організмів до факторів середовища, фізіологічними – пристосування травного тракту в склад їжі і екологічними – пристосування поведінки тварин до температурних умов, вологості.
Коротко розглянемо групи факторів, об'єднаних характером походження.
Серед абіотичних факторів особливо виділяється група кліматичних факторів. Незважаючи на те що всі абіотичні фактори впливають на живі істоти комплексно, дія кожного з них неравноцінно. Температура – один з найважливіших факторів, від якого залежить нормальний перебіг всіх життєвих процесів в організмі. Адаптації тварин до температури призвели до появи холоднокровних і теплокровних тварин, які придбали здатність регулювати температуру свого тіла. Світло – джерело енергії для фотосинтезу, без якого неможливе життя на Землі. Вода необхідна для життя і, може бути важливим лімітуючим фактором.
Дія багатьох абіотичних факторів, включаючи рельєф, вітер, тип ґрунту тощо виявляється опосередковано – через температуру і вологість. Внаслідок цього на невеликій ділянці земної поверхні кліматичні умови можуть суттєво відрізнятися від середніх для даного регіону в цілому. Температура і кількість опадів визначають розташування на земній поверхні основних природних зон. Різноманітність природних комплексів часто визначається особливостями ґрунтів, від яких залежить надходження вологи. Один і той же фактор щодо різних організмів може відігравати різну роль, наприклад, світло. Для рослин, наземних тварин світло є основним чинником, необхідним для існування, для ґрунтових організмів, жителів печер цей фактор не має значення.
Екологічні фактори діють на організм різними шляхами. У найпростішому випадку має місце прямий вплив (сонячний промінь нагріває тіло ящірки). Дуже часто екологічні фактори впливають на організм опосередковано, через безліч проміжних ланок. Наприклад, поєднання високої температури повітря з низькою вологістю і відсутністю дощів призводить до посухи – рослинність вигоряє, травоїдні мігрують або гинуть.
Радіаційний режим обумовлюється іонізуючим випромінюванням. Іонізуюче випромінювання – це випромінювання з високою енергією, яка обумовлює перетворення атомів в іони. Біологічна дія випромінювання полягає в ушкодженні збудженні молекул (у тому числі ДНК), загибелі клітин, виникненні мутацій. Джерелом іонізуючого випромінювання є радіоактивні речовини і космічні промені. Доза опромінення (1 рад) – це така доза опромінення, коли 1 г тканини поглинає 100 ерг енергії. Одиниця дози опромінення людини – 1 бер (біологічний еквівалент Рентгена); 1 бер дорівнює 0,01 Дж/кг. Протягом року в середньому отримує дозу 0,1 бер, а за все життя (за 70 років) 7 бер.
Біотичні фактори являють собою форми впливу живих організмів один на одного. Основною формою такого впливу в більшості випадків є харчові зв'язки, на базі яких формуються складні ланцюги живлення. У рослинних і тваринних угрупованнях організмів виникають просторові зв'язки. Все це обумовлює формування біотичних зв'язків. Між організмами виникають різні форми біотичних відносин, які можуть бути найрізноманітнішими.
Розрізняють наступні типи біотичних зв'язків:
- конкуренція – боротьба між представниками різних видів за воду, світло, життєвий простір;
- мутуалізм – представники двох видів організмів своєю життєдіяльністю сприяють один одному (комахи і квіти) ;
- коменсалізм – коли від співжиття представників двох видів виграє один вид, не завдаючи шкоди іншому (акула і риба-прилипала);
- паразитизм – одні істоти живляться за рахунок споживання живої тканини господарів (кліщі, воші, глисти);
- хижацтво – одні організми вбивають інших і живляться ними;
- аменсалізм – форма біотичних взаємовідносин, при яких відбувається гальмування росту одного виду продуктами виділення другого. Найбільш відомими формами аменсалізму є антибіоз – пряма конкуренція і алелопатія – виділення отруйних речовин у боротьбі з конкурентами за ресурси.
Антропогенні фактори здійснюють прямий або опосередкований вплив. Прямий вплив спрямований безпосередньо на живі організми (штучне розведення риб, птахів, охорона рослин і тварин). Непрямий вплив здійснюється шляхом змін клімату, фізичного стану і хімізму атмосфери, водойм, поверхні землі.
ТЕМА 3. ПОПУЛЯЦІЯ ТА ЇЇ ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Особини одного виду зустрічаються на територіях, де вони знаходять придатні для життя умови. Частину земної поверхні (чи акваторії), в межах якої зустрічається даний вид, називається ареалом (від лат. «area» – площа, простір).
Розміри ареалів різних видів можуть сильно відрізнятися. У наземних малорухомих видів, поширення яких обмежено якимись непереборними перешкодами, ареал може займати територію всього в кілька квадратних кілометрів і навіть менше. До них відносяться острівні або печерні види, мешканці гірських долин або верхніх зон гірських хребтів. Види, що мають вузький ареал поширення, називаються ендемічними.
Інші види мають великі ареали, нерідко розташовані на декількох материках. Наприклад, на всіх континентах зустрічаються жуки-гнойовики, соколи-сапсани. Величезний ареал мають рухливі морські тварини – кашалот, сірий дельфін, синій кит, косатка. Таке ж широке поширення властиво багатьом рослинам і тваринам, які супроводжують людину, - синантропним видами (воші, блохи, таргани, щури). Види, ареали яких розташовані в межах усіх континентів, називаються світовими, або космополітами.
Головними причинами, які впливають на формування та особливості структури ареалу, є екологічна пластичність виду, його здатність до розселення та історичний вік. У формуванні ареалів синантропних видів роль людини є визначальною.
Популяція – структурна одиниця виду. Ареалів, суцільно заселених тим чи іншим видом, в природі не існує. В межах ареалу особини даного виду освоюють лише відповідне для їх життя місцеперебування. Ступінь заповнення займаного простору у різних видів різна. Але завжди в ньому виділяються «порожнечі» і скупчення. Іншими словами, ареал складається з більш або менш численних ділянок, на яких і зустрічається певний вид. Наприклад, колонії крота європейського, добре помітні по горбкам землі, розташовуються на лісових галявинах і луках, ялина звичайна росте переважно на низинах зі значно зволоженим ґрунтом.
Скупчення особин одного виду за чисельністю можуть бути великими або маленькими, існувати довгостроково (століття і більше) або протягом життя двох-трьох поколінь, після чого вони, як правило, гинуть від будь-яких випадковостей, наприклад, захворювань, різкого погіршення погодних умов та ін.
Для долі виду набагато більш важливу роль відіграють ті групи особин, які стабільно зберігаються протягом життя багатьох поколінь. Чисельність особин в таких групах може значно збільшуватися при сприятливих умовах і знижуватися при несприятливих, однак вони мають шанси на тривале існування на даній території. Такі угруповання (сукупності) особин одного виду, які тривалий населяють певну частину ареалу, які вільно схрещуються один з одним і дають плодюче потомство, відносно відокремлені від інших сукупностей того ж виду, називається популяцією (від лат. populus – народ, населення).
Завдяки просторової розрізненості популяцій вид пристосований до існування в різноманітних умовах середовища. Таким чином, популяція є внутрішньовидовим угрупованням і, отже, конкретною формою існування виду, а сам вид – складною біологічною системою.
Кожна популяція будь-якого виду як біологічна система володіє певною структурою. Під структурою популяції розуміється певне кількісне співвідношення особин, які відрізняються за морфологічними і фізіологічними ознаками, віком, статтю, характером розподілу у просторі та іншим властивостям.
Основними параметрами популяції є, насамперед, її чисельність і щільність.
Чисельність – загальна кількість особин в популяції. Вона не буває постійною, так як мінливі умови середовища існування популяції. Чисельність популяції залежить від співвідношення інтенсивності розмноження (плодючості) і смертності. В процесі розмноження відбувається зростання популяції, смертність ж призводить до скорочення її чисельності. Для кожної популяції є верхній і нижній межі чисельності, які можна виміряти, вивчаючи її сезонні та міжрічні зміни.
Щільність популяції – це кількість особин або їх біомаса на одиницю площі або об'єму (наприклад, 150 рослин сосни на 1 га; 0,5 циклопа на 1 м3 води). Щільність популяції також мінлива і залежить від чисельності. При зростанні чисельності щільність не збільшується лише в тому разі, якщо можливо розселення популяції, розширення її ареалу.
Підвищення щільності понад оптимальної несприятливо позначається на стані популяції, оскільки при цьому вичерпується кормова база, скорочується життєвий простір і т. д.
Падіння щільності нижче оптимальної призводить до ослаблення захисних реакцій популяції, знижує її плодючість, що в кінцевому підсумку може призвести до вимирання популяції.
Народжуваність характеризує частоту появи нових особин в популяції за рахунок розмноження. Розрізняють абсолютну і питому народжуваність.
Абсолютна народжуваність – це кількість особин, народжених у популяції за одиницю часу, наприклад, за рік, місяць, добу. Однак величина абсолютної народжуваності знаходиться в прямій залежності від чисельності популяції. Тому визначають питому народжуваність – кількість особин, народжених у популяції за одиницю часу в розрахунку на одну особину (або на тисячу особин). Показник питомої народжуваності зручний тим, що дозволяє порівнювати швидкість народжуваності в різних популяціях незалежно від відмінностей у їх чисельності.
Смертність (абсолютна і відносна) – величина, протилежна народжуваності – число померлих або загиблих особин (m) по відношенню до їх загального числа (N) в популяції (частіше на 100 або 1000 особин) на певній території; інтенсивність процесу загибелі особин в популяції.
Величини народжуваності і смертності мінливі в часі і залежать від вікової і статевої структури популяції, забезпеченості їжею і ряду інших факторів. Співвідношення між величинами народжуваності і смертності визначає динаміку чисельності популяції. Так, якщо величина народжуваності вище показника смертності, то чисельність популяції зростатиме, і навпаки, знизиться, якщо смертність перевищуватиме народжуваність. У разі рівності величин народжуваності і смертності чисельність популяції буде підтримуватися на постійному рівні.
У природних умовах зміна чисельності популяції носить коливальний характер. Амплітуда коливань залежить від особливостей виду і умов існування. У багатьох великих хребетних (при відносно постійних умовах навколишнього середовища) чисельність коливається лише в кілька разів, тоді як, наприклад, у комах, коливання чисельності популяції ширше – в 40-50 разів, а в окремі роки, за сприятливих умов, виникають різкі спалахи чисельності, коли вона зростає в десятки і навіть у мільйони разів. Наприклад, спалахи чисельності сарани, що відбуваються з інтервалом приблизно в сорок років.
Крім нерегулярних спалахів чисельності, можуть мати місце і регулярні спалахи, які будуть обумовлені різними факторами середовища (температура, харчові ресурси тощо).
Фактори, що впливають на чисельність популяції, ділять на не залежні (абіотичні фактори) і залежні (біотичні фактори – конкуренція, хижацтво, забезпеченість їжею, поширення інфекцій і т. д.) від її щільності. Множинність механізмів регуляції чисельності популяції в природних умовах сприяє тому, що в природних популяціях нечасто спостерігається катастрофічне зростання чисельності, підрив ресурсів і загибель популяції.
Всі пристосувальні реакції організмів у природі спрямовані на те, щоб підвищити ймовірність виживання і залишення потомства.
Загальну чисельність популяції оцінюють різними методами. Для підрахунку популяцій великорозмірних організмів, таких як слони, буйволи, олені, застосовують метод тотального підрахунку, використовуючи фотозйомку території з літака або гелікоптера з подальшим прораховуванням на фотографії всіх зображених на ній особин даного виду.
Чисельність популяцій, які складаються з дрібних тварин, найчастіше визначають методом вибірки. Для цього підраховують щільність організмів в різних ділянках місцеперебування популяції і, помноживши середню величину щільності на площу або об'єм, займаний популяцією, отримують її загальну чисельність.
Просторовий розподіл являє собою особливості розміщення особин популяції на займаній території. Воно визначається ступенем однорідності середовища проживання, наявністю придатних для життя ділянок, а також біологічними особливостями виду, поведінкою його особин. Знання типу розподілу організмів дозволяє правильно оцінити щільність методом вибірки.
Природним популяціям властиві три типи розподілу особин: випадковий (дифузний), рівномірний (регулярний) і груповий (сукупний).
Випадковий (дифузний) розподіл особин спостерігається в однорідному середовищі, при невисокій чисельності популяції і відсутності у особин прагнення утворювати групи (наприклад, у планарій, гідр). У природі цей тип розподілу зустрічається нечасто.
Рівномірний (регулярний) розподіл характерний для видів, що відрізняються жорсткою конкуренцією між особинами за однакові ресурси і сильним територіальним інстинктом (хижі риби, ссавці, птахи, павуки).
Груповий (сукупний) розподіл зустрічається в природі найбільш часто. Він висловлюється в утворенні угруповань особин, між якими залишаються значні незаселені території. Причинами аґрегованості особин можуть бути неоднорідність середовища і обмеженість придатних для життя місцезростань, особливості розмноження, прагнення до життя в групі. Життя у групі (сім'ї, стаді, зграї, колонії) полегшує захист від хижаків, пошук та добування корму. У рослин груповий розподіл визначається головним чином способом розмноження і розселення насіння і плодів. Наприклад, важкі плоди, падаючи поряд з материнською рослиною і в подальшому проростаючи, утворюють групу поруч зростаючих дочірніх рослин.
Вікова структура відображає співвідношення різних вікових груп у популяції, а також сезонну і міжрічну динаміку цього співвідношення. В популяції зазвичай виділяють три екологічних віка: передрепродуктивний (до розмноження), репродуктивний (у період розмноження) і післяпродуктивний (після розмноження).
При сприятливих умовах у популяції присутні всі вікові групи і підтримується більш або менш стабільний рівень її чисельності. Незважаючи на присутність в популяції всіх вікових груп, співвідношення між ними змінюється і залежить від числа нащадків в посліді, кількості приплодів за сезон, часу настання статевозрілості, тривалості репродуктивного періоду особин, тривалості їх життя та інших факторів. Так, наприклад, у популяціях дрібних гризунів велика частка особин молодших вікових груп, в той час як для великих видів (слони, кити та ін.) вона мала.
У зменшенні популяціях переважають старі особини, вже не здатні інтенсивно розмножуватися. Така вікова структура свідчить про несприятливі умови існування.
Вивчення розподілу організмів за віком має велике значення в прогнозуванні чисельності популяцій протягом життя ряду найближчих поколінь. Такі дослідження дозволяють планувати, наприклад, промисел риб або хутрових звірів на кілька років вперед.
Статеву структуру формує співвідношення статей у популяціях з роздільностатевими особинами. До них відносяться більшість тварин та дводомні рослини. Зміна статевої структури популяції відбивається на її ролі в екосистемі, так як самці і самки багатьох видів мають відмінності в характері харчування, ритмі життя, поведінці. Так, самки деяких видів комарів, кліщів і комах є кровопивцями, в той час як самці живляться соком рослин або нектаром. Підвищення частки статевозрілих самок призводить до більш інтенсивному росту популяції за рахунок народження більшої кількості молоді.
Етологічна структура популяцій – це система відносин між членами однієї популяції. Форми спільного існування особин у популяціях різноманітні.
Одиночний спосіб життя, при якому особини популяції незалежні і відокремлені один від одного, характерний для багатьох видів, але лише на певних стадіях життєвого циклу. Повністю одиночне існування організмів у природі не зустрічається, так як при цьому було б неможливим здійснення їх основної життєвої функції – розмноження. Однак для деяких видів характерні дуже слабкі контакти між спільно живуть особинами. Такими є, зокрема, окремі водні мешканці з зовнішнім способом запліднення, при якому немає необхідності в безпосередній зустрічі партнерів, наприклад поодинокі актинії. У видів з внутрішнім заплідненням зустрічі самців і самок також можуть бути дуже короткочасними, лише для здійснення копуляції, в інший час тварини живуть незалежно один від одного. Такий спосіб життя багатьох комах, наприклад сонечка, хижих жуків-турунів та ін.
У видів з одиночним способом життя часто утворюються тимчасові скупчення особин у місцях зимівлі, у період, передуючий розмноженню, і т. п. Так, метелики-кропив'янки пізньої осені цілими гронами збираються в горищних приміщеннях або інших укриттях, жужелиці і сонечка – в сухій підстилці біля пнів і коренів дерев, соми та щуки – в зимувальних ямах на дні водойми. У бентосних тварин такі скупчення можуть бути постійними, наприклад устричні або мідієві банки, агрегації поліхет або поселення морських жолудів. У цих поселеннях збільшуються шанси на можливість запліднення статевими продуктами, викидаються у воду. Однак подібні агрегації не супроводжуються встановленням більш або менш закономірного поведінки тварин по відношенню одне до одного, і кожне з них відносно незалежно від інших.
Подальше ускладнення відносин всередині популяції здійснюється за двома напрямами: посилення зв'язку між статевими партнерами й виникнення контактів між батьківським і дочірнім поколіннями. На цій основі в популяціях формуються родини, які дуже різноманітні за складом і тривалості існування.
Сім'я – група особин, в якій посилюється зв'язок між нащадками і батьками. Вона може бути змішаного типу (птахи, деякі ссавці); батьківського типу (виховання здійснює самець, наприклад африканський страус, риба колюшка) материнського типу (саламандра, черв'яга (безноге земноводне).
Батьківські пари можуть створюватися як на короткий, так і на тривалий термін, а у деяких видів – на все життя дорослих особин. Наприклад, серед птахів полігамні тетерева, глухарі спаровуються з багатьма самками, не утворюючи стійких сімейних пар. У деяких качок – крижні, шилохвости та ін. – пари підбираються ще на місцях зимівлі або під час перельоту, але, після того, як самка сідає на гніздо, самець її покидає. У більшості горобцевих самець і самка тримаються разом протягом всього періоду гніздування. Сімейні пари лебедів, журавлів, голубів зберігаються на довгі роки.
Розрізняють сім'ї батьківського, материнського і змішаного типу, в залежності від того, хто з батьків бере на себе догляд за потомством. У сім'ях з стійким утворенням пар в охороні та вигодовуванні молодняку зазвичай приймають участь і самець і самка.
При сімейному способі життя територіальна поведінка тварин виражена найбільш яскраво: різні сигнали, маркування, ритуальні форми загрози і пряма агресія забезпечують володіння ділянкою, достатнім для вигодовування потомства.
Колонія – це групове об'єднання осілих тварин. Вони можуть існувати довго або виникати на період розмноження (птахи, морські котики, тюлені, терміти, бджоли, мурашки, бабаки, лемінги).
За складністю взаємозв'язків між особинами колонії тварин надзвичайно різноманітні – від простих територіальних скупчень одиночних форм до об'єднань, де окремі члени виконують, як органи в цілісному організмі, різні функції видовий життя.
Поселення морських жолудів, наприклад, можна розглядати і як агрегації поодиноких особин, і як елементарну форму колонії, тому що одновидові скупчення виникають у них не випадково, а на основі хемотаксису, властивого личинкам. Взаємовідносини між особинами в таких примітивних об'єднаннях зводяться до стимуляції синхронного статевого дозрівання хімічними виділеннями членів колонії, а конкуренція за простір для лову певною мірою припиняється орієнтовною реакцією личинок перед прикріпленням.
Колонії ссавців частіше виникають не як територіальні об'єднання різних сімей, а на основі розростання сімейних груп, із збереженням зв'язків між сім'ями, які відмежовуються. Тварин з інших колоній при повній зайнятості території виганяють, але в період низької чисельності популяції вони можуть вливатися в склад поселення, яке, таким чином, набуває змішаний характер.
Найбільш складні колонії у громадських комах – термітів, мурашок, бджіл. Вони виникають на основі сильно розростається сім'ї. В таких колоніях-сім'ях комахи виконують спільно більшість основних функцій: розмноження, захисту, забезпечення кормом себе і потомства, будівництва і т. п. При цьому існує обов'язковий поділ праці та спеціалізація окремих особин або вікових груп на виконанні певних операцій. Члени колонії діють на основі постійного обміну інформацією один з одним.
Зграя – це тимчасове об'єднання тварин одного виду (вовки, птахи, риби). Зграї полегшують виконання будь-яких функцій в житті виду: захисту від ворогів, добування їжі, міграції. Найбільш широко зграйність поширена серед птахів і риб, ссавців характерна для багатьох собачих. У зграях сильно розвинені наслідувальні реакції і орієнтація на сусідів.
За способами координації дій зграї діляться на дві категорії: еквіпотенціальні, без вираженого домінування окремих членів і зграї з лідерами, в яких тварини орієнтуються на поведінку однієї або кількох, зазвичай найбільш досвідчених, особин. Об'єднання першого типу характерні в основному для риб, але відомі також у дрібних птахів, перелітної сарани і деяких інших форм. Другий тип зграй зустрічається зазвичай у великих птахів і ссавців.
У зграї ссавців велику роль відіграють ватажки, специфічні відносини складаються між окремими особинами, що зближує ці групові утворення зі стадами.
Стада – тривалі і постійне об'єднання тварин в порівнянні зі зграями. У стадних групах, як правило, здійснюються всі основні функції життя виду: добування корму, захист від хижаків, міграції, розмноження, виховання молодняку і т. п. Основу групової поведінки тварин у стадах складають взаємовідносини домінування-підпорядкування, засновані на індивідуальних відмінностях між особинами.
Один з варіантів організації стад – це групи з тимчасовими або постійними лідерами – особинами, на яких концентрується увага інших і які своєю поведінкою визначають напрямок переміщення, місця годівлі, реакцію на хижаків та інші властивості стада. Стадо діє як єдине ціле, наслідуючи лідеру. Діяльність лідера не спрямована безпосередньо на підпорядкування інших особин. Лідером стає більш досвідчений член стада.
Система домінування особин у популяціях може бути різною, а саме:
1) ієрархія за схемою «трикутника»: А нападає на В, В – С, а С підпорядковує собі А;
2) лінійна ієрархія в ряду рангів А – В – С (особини наступного рангу підпорядковані попередньому). Подібні відносини виникають у зграях їздових собак;
3) паралельна ієрархія (окремо серед самців та серед самок); наприклад, у популяціях мавп;
4) деспотія (домінування однієї особи над усіма іншими – мавпи).
Біологічне значення відносин між особинами одного виду: захист тварин від ворогів; виховання молоді; отримання їжі і т. д.
Екологічна стратегія – загальна характеристика росту і розмноження даного виду. Вона включає темп росту особин, час досягнення статевої зрілості, плодючість і інші характеристики. Екологічна стратегія залежить від багатьох факторів, але особливо важливі ті, які впливають на стратегію росту і розмноження, тобто фактори, що впливають на смертність.
Екологічні стратегії вельми різноманітні, але виділяють в основному два крайніх типу стратегії, які отримали назву r - і К-стратегії (символи взяті з рівняння логістичного зростання чисельності популяції). r-стратегія визначається відбором на підвищення швидкості росту популяції в періоди її низької щільності, а К-стратегія виникає під дією відбору на підвищення виживаності при високій щільності популяції, близькою до ємності середовища.
К-стратеги повільно розвиваються, мають більш великі розміри і велику тривалість життя, утворюють невелике число великих, добре захищених нащадків; r-стратегія частіше зустрічається у організмів, що живуть у середовищі з різкими змінами умов середовища – в ефемерних (існуючих дуже недовго) біотопах, в пересихаючих калюжах. Чисельність в таких популяціях різко коливається, але спостерігається висока швидкість розмноження, так як сприятливий період часу дуже недовгий і особинам вигідно швидко досягати статевозрілості. K-стратегія характерна більше для популяцій, що мешкають в стабільних умовах середовища або в умовах, які закономірно змінюються (наприклад, сезонні зміни). Тому у k-стратегів потомство менш численне, але зате конкурентноздатне. Між r - і k-стратегіями багато переходів, але виділення цих двох основних типів стратегій допомагає пояснити зв'язок між різноякісними характеристиками популяції та умовами середовища.
Екологічна ніша – місце виду в біогеоценозі, визначається його біотичних потенціалом і сукупністю факторів зовнішнього середовища, до яких він пристосований. Це не тільки фізичний простір, зайнятий організмом, але і його функціональна роль в співтоваристві (положення в харчовому ланцюзі), і його місце щодо зовнішніх факторів.
У структурі екологічної ніші виділяють 3 складові:
Просторова ніша (місце проживання) – "адреса" організму;
Трофічна ніша – характерні особливості харчування і роль виду в співтоваристві – "професія";
Багатовимірна (гіперпросторова) екологічна ніша – діапазон всіх умов, за яких живе і відтворює себе особина або популяція.
Розрізняють фундаментальну (потенційну) нішу, яку організм або вид міг би займати в відсутність конкуренції, хижаків, в якій абіотичні умови оптимальні; і реалізовану нішу – фактичний діапазон умов існування організму, який менше або дорівнює фундаментальної ніші.
Правило обов'язковості заповнення екологічної ніші – порожня екологічна ніша завжди і обов'язково буває природно заповнена. В насичених біогеоценозах життєві ресурси використовуються найбільш повно – у них всі екологічні ніші зайняті. У ненасичених біогеоценозах життєві ресурси частково утилізуються, для них характерно наявність вільних екологічних ніш.
Екологічне дублювання – захоплення звільненої екологічної ніші іншим видом, здатним виконувати в співтоваристві ті ж функції, що і зниклий вид. З цього випливає, що, знаючи розподіл видів по екологічній ніші в співтоваристві і параметри кожної екологічної ніші, можна заздалегідь описати вид, який зможе зайняти ту чи іншу нішу у випадку її звільнення.
Екологічна диверсифікація – явище поділу екологічної ніші в результаті міжвидової конкуренції. Здійснюється за трьома параметрами:
- за просторовим розміщенням;
- за харчовим раціоном;
- за розподілом активності в часі.
Внаслідок диверсифікації відбувається зміщення ознак – особини двох близьких видів більш подібні між собою в тих частинах ареалів, де зустрічаються окремо, ніж на ділянках спільного проживання.
Характеристики екологічної ніші: ширина і перекривання даної ніші сусідніми.
Ширина екологічної ніші – відносний параметр, який оцінюють шляхом порівняння з шириною екологічної ніші інших видів. Еврибіонти зазвичай мають більш широкі екологічні ніші, ніж стенобіонти. Однак, одна і та ж екологічна ніша може мати різну ширину за різними напрямками: наприклад, за просторовим розподілом, харчових зв'язкам і т. д.
Перекривання екологічної ніші виникає, якщо різні види при спільному проживанні, використовують одні і ті ж ресурси. Перекривання може бути повним або частковим, по одному або декільком параметрам екологічної ніші.
Якщо екологічна ніша одного виду включає в себе екологічну нішу іншого (рис.1), то виникає інтенсивна конкуренція, домінуючий конкурент витіснить свого суперника на периферію зони пристосованості.
Якщо екологічні ніші частково перекриваються (рис.2), то їх спільне співіснування буде можливо завдяки наявності у кожного виду специфічних пристосувань.
Якщо екологічні ніші організмів двох видів сильно відрізняються один від одного, то ці види, що мають одне і те ж місце проживання, не конкурують один з одним (рис.3).
Конкуренція призводить до важливих екологічних наслідків. В природі особини кожного виду одночасно піддаються міжвидовій і внутрішньовидовій конкуренції. Міжвидова конкуренція за своїми наслідками протилежна внутрішньовидовій, тому що вона звужує площу місцеперебування, кількість і якість необхідних ресурсів середовища.
Внутрішньовидова конкуренція сприяє територіальному поширенню видів, тобто розширенню просторової екологічної ніші. Кінцевий результат – співвідношення міжвидової і внутрішньовидової конкуренції. Якщо міжвидова конкуренція більша, то ареал даного виду зменшується до території з оптимальними умовами і одночасно збільшується спеціалізація виду.
Людина як біологічний вид займає свою екологічну нішу. Людина може жити в тропіках і субтропіках, на висотах до 3-3,5 км над рівнем моря. Реально в даний час людина живе в значно більших просторах. Людина розширила вільну екологічну нішу завдяки використанню різних пристосувань: житла, одягу, вогню тощо.
ТЕМА 4. ЕКОСИСТЕМИ: ХАРАКТЕРИСТИКА, ТИПИ ТА ПРИНЦИПИ КЛАСИФІКАЦІЇ
Об'єктом вивчення екології є екосистеми. Цей термін запропонований в 1935 році англійським ботаніком А. Тенслі. У це поняття входить не тільки комплекс організмів, але й комплекс чинників навколишнього середовища. Популяції різних організмів тісно взаємопов'язані не тільки між собою, але і з умовами фізичного середовища існування. Зокрема, вони дістають з навколишнього середовища певні речовини, необхідні для забезпечення їх життєдіяльності і виділяють туди продукти обміну. Таким чином, угруповання організмів утворюють з фізичним середовищем певну систему – екосистему. У кожній екосистемі відбувається кругообіг речовин та обмінні енергетичні процеси.
Екосистема – це сукупність організмів різних видів, які взаємодіють між собою і з фізичним середовищем існування, завдяки чому виникає потік енергії, який створює певну трофічну структуру і забезпечує кругообіг речовин усередині системи. Термін екосистема близький до терміну біогеоценоз, введене в обіг російським вченим В. Сукачовим в 1940 році.
Екосистема – складна самоорганізована, саморегульована і саморозвиваюча система. Основною характеристикою екосистеми є наявність відносно замкнутих, стабільних у просторі і часі потоків речовини і енергії між біотичною та абіотичною частинами екосистеми.
Екологічній системі властиві ознаки систем:
Емерджентність – виникнення нових властивостей, які характеризують систему, за рахунок взаємодії її окремих елементів. Якісно нові, емерджентні властивості екологічного рівня, не можна передбачити, виходячи з властивостей компонентів, що становлять цей рівень. Дійсно, окремі лісові дерева, кущі, трави, гриби, птахи, комахи, звірі мають свої якісні характеристики, але всі разом вони творять нову якість – ліс.
Сукупність – сума властивостей кожної системи, тобто наявність сукупних властивостей (наприклад, народжуваність для популяції – сума індивідуальної плодючості особин виду).
Гетерогенність системи (або принцип різноманіття) полягає в тому, що система не може складатися з абсолютно ідентичних елементів.
Але будь-яка біологічна система може назватися екосистемою, наприклад, Такими не є акваріум або трухлявий пень. Дані біологічні системи (природні або штучні) не є достатньою мірою самодостатніми і саморегульованими (акваріум), якщо перестати регулювати умови і підтримувати характеристики на одному рівні, досить швидко вона зруйнується. Такі спільноти не формують самостійних замкнутих циклів речовини та енергії (пень), а є лише частиною більшої системи. Такі системи слід називати спільнотами більш низького рангу, або ж мікрокосмами.
Екосистема є відкритою системою і характеризується вхідними і вихідними потоками речовини та енергії. Основа існування практично будь-якої екосистеми – потік енергії сонячного світла, який є наслідком термоядерної реакції, у прямому – (фотосинтез) або непрямому – (розкладання органічної речовини) вигляді, за винятком глибоководних екосистем: «чорних» і «білих» курців, джерелом енергії яких є внутрішнє тепло землі та енергія хімічних реакцій.
Будова екосистеми
В екосистемі можна виділити два компоненти - біотичний та абіотичний. Біотичний ділиться на автотрофний (організми, які отримують первинну енергію для існування з фото- і хемосинтезу або продуценти) і гетеротрофний (організми, що одержують енергію з процесів окислення органічної речовини – консументи і редуценти) компоненти, що формують трофічну структуру екосистеми.
Трофічна структура передбачає розподіл організмів на продуценти, консументи та редуценти, які в конкретних екосистемах формуються за рахунок популяцій багатьох видів.
Продуценти (автотрофи, виробники) – це організми, що створюють (продукують) органічну речовину з неорганічної (води, вуглекислого газу та мінеральних солей) за рахунок сонячної енергії в процесі фотосинтезу. Утворена глюкоза (виноградний цукор), є вихідною речовиною для інших органічних сполук. Ці сполуки рослини використовують для підтримки обміну речовин та для побудови субстанції власного тіла (фітомаса). При цьому енергія втрачається під час дихання та віддачі тепла. Лише незначна частина світловипромінювання – променевої енергії перетворюється на хімічну енергію. Продуценти здатні самостійно створювати і забезпечувати себе органічною речовиною і виконують роль накопичувачів органічної речовини. До продуцентів належать зелені рослини.
Консументи (гетеротрофи) – це організми, що одержують енергію за рахунок харчування автотрофів або іншими консументами. Вони залежать від автотрофів, оскільки для живлення потребують багатих на енергію речовин, щоб із них будувати субстанцію свого тіла (зоомаса). Гетеротрофи використовують енергію хімічних зв'язків органічних речовин, яка була акумульована автотрофами. Частина енергії втрачається через дихання. Консументи розрізняють за порядками:
- консументи 1-го порядку – це рослиноїдні тварини, наприклад рослиноїдні комахи;
- консументи 2-го порядку – поїдають консументів 1-го порядку (хижаки), наприклад ящірки, жаби, комахоїдні птахи тощо;
- консументи 3-го порядку – можуть живитися консументами 2-го порядку. Часто ними є хижі звірі, птахи.
Редуценти – це мікроорганізми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументів до простих сполук – води, вуглекислого газу, мінеральних солей, замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері; це - мікроорганізми (бактерії та гриби), які є гетеротрофними деструкторами.
Їхню діяльність підтримують в екосистемі багато маленьких безхребетних тварин (равноногі ракоподібні, кліщі, личинки комах):
- тварини-сапрофаги живляться мертвою органічною субстанцією;
- копрофаги поїдають тваринні екскременти, при цьому бактерії та гриби, які на них оселяються, становлять важливу частину харчування;
- некрофаги – падальники.
Праця деструкторів закінчує кругообіг речовин утворенням СО2, NН4, Н2S, СН4, Н2 та іонів, таких як ,Cl-, Na+, К+, Са2+ та ін.
Продуценти та деструктори самі створюють короткий кругообіг .У довгому кругообігу між ними знаходяться консументи.
Основні компоненти екосистеми
З точки зору структури в екосистемі виділяють:
1. кліматичний режим, що визначає температуру, вологість, режим освітлення та інші фізичні характеристики середовища;
2. неорганічні речовини, що включаються в кругообіг;
3. органічні сполуки, які пов'язують біотичну та абіотичну частини в кругообігу речовини і енергії;
4. продуценти – це організми, що створюють первинну продукцію;
5. макроконсументи, або фаготрофи, – гетеротрофи, які поїдають інші організми або великі частинки органічного речовини;
6. микроконсументи (сапротрофи) – гетеротрофи, в основному гриби і бактерії, які руйнують мертву органічну речовину, мінералізуючи ії, тим самим, повертаючи в кругообіг.
Останні три компоненти формують біомасу екосистеми.
З точки зору функціонування екосистеми виділяють наступні функціональні блоки організмів (крім автотрофів):
біофаги – організми, які поїдають інших живих організмів,
сапрофаги – організми, що поїдають мертву органічну речовину.
Даний поділ показує тимчасово-функціональний зв'язок в екосистемі, фокусуючись на розділенні в часі утворення органічної речовини і перерозподіл ії всередині екосистеми (біофаги) та переробки сапрофагами. Між відмиранням органічної речовини і повторним включенням ії складових в кругообіг речовини в екосистемі може пройти значний проміжок часу, наприклад, у разі соснового колоди, 100 і більше років.
Всі ці компоненти взаємопов'язані в просторі та часі і утворюють єдину структурно-функціональну систему.
Класифікація екосистем
За масштабами екосистеми поділяються на мікроекосистеми (калюжа, ставок), мезоекосистеми (ліс, озеро), макроекосистеми (континент, океан). Глобальною екосистемою є біосфера.
За ступенем трансформації людською діяльністю екосистеми поділяються на природні, антропогенно-природні та антропогенні. У промислово розвинених країнах майже не залишилося природних екосистем, не змінених діяльністю людини. Лісові насадження, луки, ниви – все це антропогенно-природні екосистеми, які хоча й складаються з природних компонентів, але створені і регулюються людьми.
До антропогенних екосистем належать екосистеми, в яких переважають штучно створені антропогенні об'єкти і крім людей можуть існувати лише окремі види організмів, що пристосувалися до цих специфічних умов. Прикладом таких екосистем є міста, промислові вузли, села, кораблі.
Залежно від роду діяльності людини антропогенні екосистеми поділяють на:
1) промислові (екосистеми металургійного заводу, харчового виробництва та ін.);
2) сільськогосподарські (агроценоз, птахофабрики, тваринницькі ферми та ін.);
3) міські екосистеми – урбоекосистеми (екосистеми комунального господарства, житлового будинку та ін.).
Раніше інших були створені людиною сільськогосподарські екосистеми з метою забезпечення її потреб в продуктах харчування. Агроценоз (грец. «агрос» – поле і «ценоз» – загальний) – це спільноти, які створюються і підтримуються людиною завдяки розробленій нею системі агротехнічних і агрохімічних заходів. Вони характеризуються видовою бідністю та одноманітністю, що обумовлює слабку стійкість агроценозів, збільшення кількості шкідників і бур'янів. Без постійного втручання людини вони руйнуються і зникають. Агроценози характеризуються високою продуктивністю одного або декількох видів рослин і тварин і постачає людству до 90% продуктів харчування.
Ланцюги живлення, екологічні піраміди
В природі всі види живих організмів пов'язані один з одним. Для функціонування екосистем необхідна енергія, джерелом якої є енергія Сонця. Організми одержують енергію за рахунок харчування іншими істотами. Внаслідок цього у природі виникають ланцюги живлення.
Ланцюги живлення – ряди взаємопов'язаних видів, в яких кожний попередній є об'єктом живлення наступного. Коли тварина з'їдає рослина, то велика частина енергії, що міститься в їжі, витрачається на різні процеси життєдіяльності, перетворюється в тепло і розсіюється. Приблизно 10% енергії, що міститься в їжі, переходить у новостворену речовину тіла тварин. Ця закономірність відома як правило 10 відсотків.
Наприклад, трофічний (харчовий) ланцюг водної системи може бути представлений так: фітопланктон (мікроскопічні водорості) – зоопланктон – молодь риб – дорослі хижі риби (окунь). Відповідно, для отримання 1 кг окунів має бути витрачено приблизно 10 кг молоді риб, 100 кг зоопланктону або 1000 кг фітопланктону. Тому, з цього можна зробити важливий практичний висновок – економічно більш вигідно використовувати господарсько цінні види, які мають короткі трофічні ланцюги.
Розрізняють два типи ланцюгів живлення:
- ланцюг виїдання (пасовищна, починається з продуцентів);
- ланцюг розкладання (детритний, починається з мертвої органічної речовини).
Кількість ланок ланцюга живлення в екосистемі, як правило, не перевищує 4-6 і обмежується правилом екологічної піраміди, згідно з яким загальна біомаса кожної наступної ланки в ланцюзі живлення зменшується. Останнім часом вважають, що краще вживати термін трофічна мережа, а не ланцюг, оскільки до складу їжі кожного типу входить кілька видів. Кожен з цих видів, у свою чергу, може бути харчуванням для декількох інших видів.
Ланцюг живлення можна уявити у вигляді піраміди чисел, фундамент якої становлять численні види рослин, наступні рівні утворюють рослиноїдні та м'ясоїдні тварини, чисельність яких швидко зменшується в напрямку до вершини, яку посідають нечисленні великі хижаки.
У відповідності з тим, що саме характеризують піраміди, вони поділяються на три типи:
- піраміда чисел – показує чисельність окремих видів;
- піраміда біомаси характеризує загальну суху вагу або іншу міру загальної кількості живої речовини;
- піраміда енергії – показує величину потоку енергії або продуктивність на кожному трофічному рівні.
Піраміди чисел і біомаси можуть бути перевернутими, тобто основа може бути меншою, ніж один або кілька верхніх поверхів. Так буває, коли середні розміри продуцентів менші, ніж розміри консументів. Навпаки, екологічна енергетична піраміда завжди звужується догори за умови, що будуть враховані усі джерела енергії живлення в системі.
В трофічних ланцюгах всі речовини послідовно переходять від одного виду організмів до іншого. Однак якщо біогенні речовини активно засвоюються і беруть участь у біологічному кругообігу то ксенобіотики – речовини, синтезовані людиною, накопичуються при переході від одного виду трофічного ланцюга до іншого. Оскільки величина біомаси в екологічних пірамідах закономірно зменшується приблизно в 10 разів при переході на новий трофічний рівень, концентрація ксенобіотиків на одиницю біомаси збільшується.
Так, якщо концентрація пестициду ДДТ в тілі водяних комах становила 0,04 г на один кілограм біомаси, то у рослиноїдних риб вона дорівнювала 10, у хижих риб досягала 50 і у птахів, які харчувалися рибою - до 75 г на один кілограм біомаси. Отже, протягом чотирьох ланок трофічного ланцюга концентрація ДДТ зросла в 1875 разів. Аналогічно концентруються та інші ксенобіотики.
Концентрування речовин у трофічних ланцюгах слід враховувати в разі забруднення біосфери ксенобіотиками, тому що при споживанні в їжу тварин і птахів концентрації цих шкідливих речовин можуть бути значними. Трофічні ланцюги виконують також і бар'єрну функцію, що сприяє самоочищенню завдяки концентрування речовин і виведенню їх з біологічного кругообігу.
Кількість та інтенсивність збільшення біомаси характеризують біологічну продуктивність виду, групи або екосистеми. Біопродуктивністю називають швидкість виробництва біомаси на певній площі за одиницю часу. Вона може бути первинною (продуктивність продуцентів) і вторинної (біомаса, створена консументами та організмами, які розкладаються). Первинна продуктивність материків становить близько 53 млрд. т органічної речовини, Світового океану – до 30 млрд. т. На суші основним джерелом первинної біомаси є тропічні ліси, ліси Полісся та Сибіру, в океані – зони глибинних вод біля материків у тропіках, які збагачені фосфором і азотом, а також материкові мілини холодних морів.
Вся біомаса планети здатна приготувати не більше 7-10 млрд. людей за одними даними і не більше 12 млрд. осіб за іншими. Вже зараз щорічної біомаси, яку збирає людство, недостатньо для харчування населення Землі. Тому необхідно вирішити проблему регулювання чисельності населення Землі, підвищення продуктивності біосфери та її охорони від посиленого антропогенного тиску.
Механізми функціонування екосистеми
Стійкість екосистем
Екосистема може бути описана комплексною схемою прямих і зворотних зв'язків, що підтримують гомеостаз системи в деяких межах параметрів навколишнього середовища. Таким чином, в деяких межах екосистема здатна при зовнішніх впливах підтримувати свою структуру і функції відносно незмінними. Зазвичай виділяють два типи гомеостазу: резистентний – здатність екосистем зберігати структуру і функції при негативному зовнішньому впливу і пружний – здатність екосистеми відновлювати структуру і функції при втраті частини компонентів екосистеми. В англомовній літературі використовуються подібні поняття: локальна стійкість – англ. local stability (резистентний гомеостаз) і загальна стійкість – англ. global stability (пружний гомеостаз).
Іноді виділяють третій аспект стійкості – стійкість екосистеми по відношенню до змін характеристик середовища і зміни своїх внутрішніх характеристик. У разі, якщо екосистема стійко функціонує в широкому діапазоні параметрів навколишнього середовища та/або в екосистемі присутня велика кількість взаємозамінних видів, (тобто, коли різні види, подібні за екологічними функціями в екосистемі, можуть заміщати один одного), таке співтовариство називають динамічно міцним (стійким). У зворотному випадку, коли екосистема може існувати в дуже обмеженому наборі параметрів навколишнього середовища, та/або більшість видів незамінні в своїх функціях, таке співтовариство називається динамічно крихким (нестійким). Необхідно відзначити, що дана характеристика в загальному випадку не залежить від числа видів і складності спільнот.
Класичним прикладом може служити Великий Бар'єрний риф біля берегів Австралії (північно-східне узбережжя), що є однією з «гарячих точок» біорізноманіття у світі – симбіотичні водорості коралів, динофітові водорості дуже чутливі до температури. Відхилення від оптимуму буквально на пару градусів веде до загибелі водоростей, а до 50-60 % (за деякими джерелами до 90 %) поживних речовин поліпи отримують від фотосинтезу своїх мутуалістів.
У екосистем існує безліч станів, в яких вона знаходиться в динамічній рівновазі; у разі виведення з нього зовнішніми силами, екосистема зовсім необов'язково повернеться в початковий стан, найчастіше її приверне найближчий стан рівноваги (атрактор), хоча він може бути дуже близьким до первинного.
Біорізноманіття і стійкість в екосистемах
Дощові ліси Амазонії, як і вологі екваторіальні ліси, є місцями найбільшого біорізноманіття.
Зазвичай стійкість пов'язували і пов'язують з біорізноманіттям видів в екосистемі (альфарізноманіття), тобто, чим вище біорізноманіття, чим складніша організація спільнот, чим складніше харчові мережі, тим вище стійкість екосистем. Але вже 40 і більше років тому на це питання існували різні точки зору, і на даний момент найбільш поширена думка, що як локальна, так і загальна стійкість екосистеми залежать від значно більшого набору факторів, ніж просто складність спільнот і біорізноманіття. Так, на даний момент з підвищенням біорізноманіття зазвичай пов'язують підвищення складності, сили зв'язків між компонентами екосистеми, стабільність потоків речовини й енергії між компонентами.
Екваторіальний дощовий ліс може містити більше 5000 видів рослин (для порівняння в лісах тайгової зони – рідко більше 200 видів).
Важливість біорізноманіття полягає в тому, що воно дозволяє формувати безліч спільнот, різних за структурою, формою, функціями, і забезпечує стійку можливість їх формування. Чим вище біорізноманіття, тим більше число спільнот може існувати, тим більша кількість різноманітних реакцій (з точки зору біогеохімії) може здійснюватися, забезпечуючи існування біосфери в цілому.
Сукцесія
Сукцесія (від лат. Successio – спадкоємність, спадкування) – процес саморозвитку спільнот. В основі сукцесії лежить неповний біологічний кругообіг в даному співтоваристві. Кожен живий організм у результаті життєдіяльності змінює навколо себе середовище, вилучаючи з неї частина речовин і насичуючи її продуктами метаболізму. При більш чи менш тривалому існуванні популяцій вони змінюють своє оточення в несприятливу сторону і в результаті виявляються витісненими популяціями інших видів, для яких викликані перетворення середовища виявляються екологічно вигідними. В ході сукцесії на основі конкурентних взаємодій видів відбувається поступове формування більш стійких комбінацій, відповідних конкретних абіотичних умов середовища.
Термін «сукцесія» вперше вжив французький ботанік Де Люк в 1806 р. для позначення змін рослинності. Це один із ключових термінів сучасної екології.
Прикладами сукцесій є поступове заростання сипучих пісків, кам'янистих розсипів, мілин, заселення рослинними і тваринними організмами занедбаних сільськогосподарських земель (ріллі), покладів, вирубок та ін. Колишні поля швидко покриваються різноманітними однорічними рослинами. Сюди ж потрапляють насіння деревних порід: сосни, ялини, берези, осики. Вони легко і на великі відстані розносяться вітром і тваринами.
Послідовний ряд поступово і закономірно змінюють один одного в сукцесії спільнот називається сукцесійною серією.
Сукцесії в природі мають різні масштаби. Ієрархічність в організації спільнот проявляється і в ієрархічності сукцесійних процесів: більш великі перетворення екосистем складаються з більш дрібних. Навіть у стабільних екосистемах з добре відрегульованим кругообігом речовин постійно здійснюється безліч локальних сукцесійних змін, що підтримують складну внутрішню структуру співтовариств.
Виділяють два основних типи сукцесій: 1) з участю як автотрофного, так і гетеротрофного населення; 2) з участю лише гетеротрофів.
Сукцесії зі зміною рослинності можуть бути первинними; вони починаються на позбавлених життя місцях, і вторинними – відновними.
В якості прикладу первинної сукцесії можна привести процес заселення новостворених піщаних дюн, де рослинність перш була відсутня. Тут спочатку поселяються багаторічні рослини, здатні переносити посушливі умови, наприклад, пирій повзучий. Він вкорінюється і розмножується на сипучому піску, зміцнює поверхню дюни і збагачує пісок органічними речовинами. Фізичні умови середовища, що знаходиться в безпосередній близькості від багаторічних трав, змінюються. Слідом за багаторічниками з'являються однолітні. Їх ріст і розвиток часто сприяють збагаченню субстрату органічним матеріалом, так що поступово створюються умови, які підходять для вирощування таких рослин, як верба, мучниця, чебрець. Ці рослини передують появи проростків сосни, які закріплюються тут і, підростаючи, через багато поколінь утворюють соснові ліси на піщаних дюнах.
Прикладом вторинної сукцесії є виникнення торф'яного болота при заростанні озера. Зміна рослинності на болоті починається з того, що краю водойми заростають водяними рослинами. Вологолюбні рослини (комиш, очерет, осока) починають розростатися поблизу берегів суцільним килимом. Поступово на поверхні води створюється більш або менш щільний шар рослинності. Відмерлі рештки рослин накопичуються на дні водойми. Із-за малої кількості кисню в застійних водах рослини повільно розкладаються і поступово перетворюються на торф. Починається формування болотного біоценозу. З'являються сфагнові мохи, на суцільному килимі яких виростають журавлина, багно, лохина. Тут же можуть поселятися сосни, утворюючи рідкісну поросль. З плином часу формується екосистема верхового болота.
Ні один вид рослин чи птахів не може процвітати протягом всієї сукцесії. По мірі росту деревостану тваринне населення в значній мірі змінює свій склад хижаки і паразити, які з'являються, контролюють видову структуру біоценозу. Тому послідовна і безперервна зміна видів у часі – характерна риса більшості сукцесійних процесів. Протягом сукцесії біомаса живих організмів зростає, а кругообіг речовин збільшується.
Більшість сукцесій, що спостерігаються в даний час, антропогенні, тобто вони відбуваються в результаті впливу людини на природні екосистеми. Це випасання худоби, вирубування лісів, виникнення вогнищ загоряння, розорювання земель, затоплення ґрунтів, опустелювання тощо.
В даний час практично всю доступна для життя поверхня суші зайнята різними спільнотами і тому виникнення вільних від живих істот ділянок має локальний характер.
ТЕМА 5. СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО БІОСФЕРУ ТА НООСФЕРУ. СХЕМА ЕВОЛЮЦІЇ БІОСФЕРИ
Людина завжди стикалася з оточуючим її світом живої природи, з величезною різноманітністю рослин і тварин, здавна вивчила зовнішню і внутрішню будову живих організмів, дослідила особливості їх анатомії, фізіології, закономірності розвитку, взаємозв'язок з навколишнім середовищем. Було з'ясовано, що організми існують в найрізноманітніших умовах і життя є практично і на поверхні материків, і в товщі океанів та морів, і навіть в атмосфері. Ця цілком очевидна істина привернула увагу українського мінеролога-геохіміка В.І Вернадського. Базуючись на масштабних дослідженнях і розрахунках, він вперше показав глобальне значення всієї сукупності організмів нашої планети.
Виявилось, що живі організми є могутнім фактором, що перетворює Землю. Товща гірських порід, вод і атмосфери, що змінилися під впливом життя і було названо біосферою. Останнім часом все частіше і тривожніше виникає обґрунтована стурбованість долею навколишнього середовища, особливого значення набувають проблеми охорони і раціонального використання природних ресурсів. Це вимагає високого рівня наших знань про біосферу.
Термін «біосфера» з'явився у науковій літературі у 1875 році. Його автором був Едуард Зюсс (з яким В.І. Вернадський був знайомий особисто), де вчений у межах Земної кулі виділив декілька структурних частин – оболонок, які назвав геосферами. Одна з геосфер отримала назву біосфера.
Вчення про біосферу було розроблене у 1926 році В.І. Вернадським і цим же роком датована його книга «Біосфера», яка вийшла у Ленінграді, де він дав таке визначення біосфери – це оболонка Землі, склад, структура і енергетика якої значною мірою обумовлені життєдіяльністю живих організмів. За теорією В.І. В.І. Вернадського біосфера – це глобальна єдина система Землі, де існує або коли-небудь існувало життя і весь основний хід геохімічних та енергетичних перетворень визначається життям.
В класичних дослідженнях академіка В.І Вернадського переосмислені, конкретизовані і збагачені новим змістом первинні уявлення про біосферу, ним розроблене цілісне і відносно довершене вчення про біосферу.
В.І. Вернадський показав все значення біосфери в геохімічних процесах Землі. В працях вченого визначені місце і роль біосфери відносно геосфер і виявлені її якісні особливості.
Біосфера займає особливе місце по відношенню до геосфер. Біосфера – це своєрідна оболонка Землі, або область поширення життя. Від геосфер вона відрізняється і тим, що в її межах проявляється геологічна діяльність живих істот рослин, тварин, мікроорганізмів і людини.
Подальший розвиток вчення про біосферу одержала в працях С.І. Вавілова, А.П. Виноградова та О.М. Павловського.
Існує декілька визначень біосфери. Більшість сучасних екологів (Ю. Одум, В.Д. Федоров П.Р. Гильманов, М.Ф. Реймерс, Ситник К.М.) розуміють біосферу як об'єднання усіх живих організмів, що знаходяться у взаємозв'язку з фізичним середовищем Землі. З цього погляду біосфера є сукупністю екосистем нашої планети.
Принципові положення теорії В.І. Вернадського
I. Рівні (основні структурні компоненти) речовин біосфери. Кожна з цих складових характеризується специфічною, динамічною структурою та організацією.
1) жива речовина (сукупність організмів різних видів).
Жива речовина характеризується також різноманітністю видів і їх чисельністю, а також тенденцією росту їх кількості в процесі еволюції живої природи.
Форми життя дуже різноманітні. Нараховується біля 500 тис видів рослин і близько 1,5 млн видів тварин. При всій різноманітності видів, маса живої речовини на Землі відносно невелика 105-106 км3. якщо цю величину прийняти за 1, то маса атмосфери 10, гідросфери 10000, літосфери 100000, а маса всієї Землі 100 млн.
2) біогенна речовина – органо-мінеральні та органічні продукти, створені організмами (всі форми дендрита (відгалужені кристали – оксиди марганцю, самородна мідь, срібло, золото, вісмут, кальцит і арагоніт в карстових печерах), кам'яне вугілля, нафта, газ тощо);
3) нежива (косна речовина) – неживі неорганічні сполуки, речовини, в утворенні яких живі організми участі не брали (вивержені гірські породи, мінерали, осадові породи);
4) біокосна речовина – неорганічні продукти, що утворюються в результаті взаємодії живої та косної речовини, (кисень, створений зеленими рослинами; основним видом біокосної речовини є вода, а основним біокосним тілом – ґрунт; до суміші біогенних речовин з мінеральними породами небіогенного походження відносяться мул, природні води, газо - та нафтоносні сланці, частина осадочних карбонатів, ландшафти); сама біосфера є біокосною системою.
5) радіоактивні речовини;
6) розсіяні атоми;
7) речовини космічного походження (метеорити, космічний пил).
II. Енергія Сонця – космічне джерело енергії в біосфері. Речовина біосфери приймає космічну енергію і стає активною. Організми перетворюють променисту енергію Сонця в хімічну згідно із законами термодинаміки. Залежно від джерела енергії Вернадський говорив про живу речовину І-го і ІІ-го порядків,
III. "Тиск життя". В. І. Вернадський відзначав здатність живої речовини постійно зростати, розрахував швидкість можливого заселення поверхні Землі деякими організмами за умов безперешкодного існування. Так, для деяких бактерій достатньо 1,3-1,8 доби для заселення поверхні планети.
Ще одним проявом активності живих організмів є інтенсивність розмноження. За ідеальних умов (теоретично) вона може сягати швидкості звуку. Так, одноклітинна водорость діатомея теоретично здатна за 8 днів утворити масу речовини, що дорівнює масі Землі, а наступного дня подвоїти її.
IV. Роль живих організмів. В.І. Вернадський вперше відзначив геологічну роль живих організмів. Саме завдяки їх діяльності відновний характер давньої атмосфери, в якій переважали NН3, СН4, СО, СО2, змінився на окисний з переважанням N2, О2 та незначним вмістом СО2.
Значення живих організмів:
- акумулюють сонячну енергію, трансформують її в енергію земних процесів (хімічну, механічну, теплову, електричну) – поклади кам'яного вугілля – це сонячна енергія, накопичена зеленими рослинами минулих геологічних епох;
- багато мінералів і гірських порід мають біогенне походження (осадові родовища сірки, заліза, марганцю та інших металів), осадочні породи вапняків;
- накопичують хімічні елементи у тканинах свого тіла: Fe, Cu, Mn, N, S, P, а також у середовищі життя: земні рослини збагачують атмосферу і воду киснем, накопичують азот у ґрунті;
- більшість хімічних елементів здійснюють кругообіг через біосферу;
- в кінцевому рахунку жива речовина породила склад атмосфери, гідросфери, ґрунту;
- живі організми змінили рельєф земної поверхні, посиливши процеси накопичення осадових порід (глина, гіпс, калійні солі, вапняки, пісковики), вивітрювання та ерозії;
- впливають на мікроклімат та геофізичні умови свого існування.
V. "Плівки життя". В.І. Вернадський підкреслював повсюдність життя, яке в біосфері поширене в трьох основних середовищах: літосфері, гідросфері та атмосфері.
Одна із основних особливостей живої речовини – це й неймовірно різноманітний розподіл у різних частинах біосфери. Життя слабо розвинене у пустелях, тундрі, на глибині океану, високо у горах, тоді як інших ділянках біосфери – дуже щільне і різноманітне.
Найбільш висока концентрація живої речовини знаходиться на межах розподілу головних середовищ – у ґрунті як прикордонному шарі між атмосферою та літосферою, у поверхневих шарах океану, на дні водойм і, особливо, у лиманах, на літоралі, де всі три середовища – ґрунт, вода та повітря знаходяться поряд. Місця найбільшої концентрації організмів називають «плівками життя».
VI. "Ноосфера". В. І. Вернадський зазначав, що можливості людини з її розумом і технікою такі значні, що вона може втручатись в хід геолого-хімічних процесів Землі і навіть змінювати їх природний напрямок. Людство має усвідомити свою силу і роль у біосфері і тоді настане новий етап її розвитку.
Вернадський передбачав перехід біосфери в новий стан, так звану сферу розуму – «ноосферу» («noos» – в перекладі з грецької: розум, дух), в якій людина стане основною геологічною силою.
Ноосфера – це етап розвитку біосфери, на якому людина, свідомо використовуючи свої знання, буде підтримувати існування біосфери та сприяти її розвитку.
Вчення Вернадського про ноосферу включає 4 основні положення:
1. Ноосфера – історично останній стан геологічної оболонки біосфери, що перетворюється діяльністю людини.
2. Ноосфера – сфера розуму і праці.
3. Зміни біосфери обумовлені як свідомою, так підсвідомою діяльністю людини.
4. Розвиток ноосфери пов'язаний з розвитком соціально-економічних факторів.
Ноосфера відрізняється від біосфери величезною швидкістю в розвитку. За концепцією ноосфери, людство перетворилося на найпотужнішу геологічну силу на планеті. Вернадський підкреслював, що протягом останніх 500 років воно освоїло нові форми енергії – парову, електричну, атомну, й навчилося використовувати майже всі хімічні елементи. Людство освоїло всю біосферу й одержало набагато більшу, порівняно з іншими організмами, незалежність від навколишнього середовища. Наукова думка й діяльність людини змінили структуру біосфери, незаймана природа швидко зникає, з'являються нові екосистеми та ландшафти – міста, культурні землі, для яких характерні простіші угрупування організмів.
Склад, межі, властивості і функціонування біосфери
Біосфера утворилась у результаті виникнення життя (живих організмів) як прямий результат загального розвитку планети Земля. Тривалість існування життя на Землі визначається часом від 1,5-2 до 4-5 млрд. років.
Біосфера Землі являє собою складну термодинамічно відкриту систему, яка включає в себе, згідно визначенню В.І. Вернадського, верхні шари земної кори, всю гідросферу і нижню частину атмосфери – тропосферу з організмами, що їх населяють. Природнім чином біосфера розпадається на більш менш самостійні одиниці, які характеризуються великою замкнутістю кругообігу речовин.
Межі біосфери
Межі атмосфери визначаються наявністю умов, необхідних для життя різних організмів.
Нижня межа біосфери обмежена температурою підземних вод та гірських порід, яка поступово зростає і на глибині 1,5-15 км (гейзери-материнська порода) вже перевищує 100 ºС. Найбільша глибина, на якій в шарах земної кори знайдені бактерії становить 4 км. У нафтових родовищах на глибині 2-2,5 км бактерії виявляються в значній кількості. У океані життя розповсюджується до більш значних глибин і зустрічається навіть на дні океанських западин (10-11 км від поверхні), де температура близько 0 ºС.
Верхня межа життя в атмосфері обмежена інтенсивною концентрацією ультрафіолетової радіації. Фізичною межею поширення життя в атмосфері є озоновий екран, який на висоті 25-30 км поглинає більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, хоча основна частина живих істот концентрується на висоті 1-1,5 км.
На висоті 20-22 км ще спостерігається наявність живих організмів: бактерій, спор грибів, найпростіших. Під час запусків геофізичних ракет у стратосфері на висоті 85 км у пробах повітря було виявлено спори мікроорганізмів у латентному (сплячому стані). В горах межа поширення наземного життя сягає біля 6 км над рівнем моря.
Заселеними є найнеймовірніші місця існування: термальні джерела, температура у яких сягає до 100 ° с, вікові сніги Гімалаїв, де на висоті 8300 м існують дев'ять видів бактерій, безводні пустелі та надсолоні озера, де вирують ціанобактерії та один із видів креветок.
На поверхні Землі у наш час повністю відсутнє життя лише в областях значних зледенінь та у кратерах діючих вулканів.
Походження та еволюція біосфери
Біосфера має довгу і багато в чому драматичну історію, тісно пов'язану з еволюцією Землі. Еволюцію Землі можна умовно поділити на кілька фаз.
Перша фаза. Формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери. Виникнення геологічного кругообігу речовин.
Згідно з найпоширенішою серед астрономів і астрофізиків гіпотезою, Всесвіт виник близько 20 млрд років тому в результаті Великого вибуху. Потім утворилася наша Галактика (8 млрд років тому). Близько 6 млрд років тому у віддаленій частині одного з рукавів Галактики, розтягнутої на трильйони кілометрів, газопилова хмара під дією гравітаційних сил поступово ущільнилася й перетворилася на водневий диск, що повільно обертався. З його центральної частини утворилося Сонце, де за надзвичайно високих температурах і тиску почалися реакції ядерного синтезу, в ході яких водень перетворювався на гелій і виділялася величезна кількість енергії.
Периферичні залишки диска також зближувалися під дією сил взаємного тяжіння, поступово ущільнювалися, доки не перетворилися на суцільні сфери – планети Сонця. Потім поверхні таких сфер стверділи, утворюючи первинну планетарну кору. Первинна кора нашої планети утворилася приблизно 4,6 млрд. років тому. Відтоді на її поверхні осідали метеорити й космічний пил. Завдяки ізотопному аналізові таких метеоритних залишків (метеоритного свинцю) вдалося визначити час виникнення земної кори, тобто дату народження нашої планети. З тріщин тонкої кори неперервно вивергалась розжарена лава, а разом із нею – гази. Утримувані гравітаційними силами, ці гази утворили первинну атмосферу планети. Вона складалася з метану, аміаку, водяної пари, вуглекислого газу, сірководню, ціанистого водню й практично не містила кисню та озону.
Коли поверхня планети охолола, водяна пара почала конденсуватися в атмосфері й випадати першими дощами, розчинюючи численні мінерали земної кори. Поступово вода накопичувалася, утворюючи океани. На планеті сформувалася гідросфера. Циркуляція атмосферних мас, води й розчинених у ній мінералів, переміщення магматичних продуктів на поверхню планети й знову в її надра породили великий, або геологічний, кругообіг речовин. Закінчувалася перша фаза еволюції нашої планети.
Друга фаза. Передбіологічна (хімічна) еволюція.
Протягом цієї фази (4,6-3,8 млрд. років тому) на Землі відбувалися процеси синтезу й накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя: амінокислот і простих пептидів, азотистих основ, простих вуглеводів. Ці сполуки, «цеглинки життя», виникли внаслідок процесів абіотичного синтезу.
Гіпотезу про можливість виникнення таких сполук абіотичного шляхом, тобто без участі живої речовини, висловив у 1923 р. російський біохімік, академік О. В. Опарін, а вперше експериментально перевірив у 1953 р. американський аспірант С. Міллер. У своїх дослідах С. Міллер зімітував умови давньої Землі: в стерильний реактор він помістив водень, метан, аміак та воду, і крізь цю суміш пропускав електричні розряди, імітуючи блискавки в первинній атмосфері. За тиждень у реакторі було виявлено кілька амінокислот, деякі прості вуглеводи, інші органічні сполуки, які входять до складу живої речовини.
Більшість біологів та еволюціоністів вважають, що життя на Землі виникло природним шляхом, у результаті процесів абіогенного синтезу. Сьогодні на основі цього припущення висунуто цілу низку наукових гіпотез, які, конкуруючи між собою, все ж мають спільні принципові позиції: а) виникненню життя передувало нагромадження в Світовому океані органічних речовин, синтезованих абіогенним шляхом; б) у зонах концентрації цих речовин виникли молекули, здатні до самокопірування (стосовно живого цей процес називають реплікацією); в) на основі реплікаторів сформувалися реакції й механізми матричного синтезу (в тому числі біосинтез білків), генетичний код, що й зумовило виникнення на планеті клітин живої речовини. Перше твердження вже доведено експериментально, а для другого й третього – фізиками, математиками, біологами й хіміками запропоновано низку моделей, деякі з яких мають непрямі експериментальні підтвердження.
Незалежно від того, яким шляхом з'явилося життя на нашій планеті, жива речовина докорінно змінила її зовнішній вигляд: на Землі виникла біосфера.
Третя фаза. Давня біосфера. Еволюція прокаріотичного світу. Виникнення біологічного кругообігу речовин. Формування кисневої атмосфери.
Ця фаза еволюції нашої планети почалася приблизно 3,8-4 млрд. років тому. Рештки перших живих організмів (їхній вік становить 3,8 млрд років) дійшли до нас у вигляді так званих строматолітів – вапнякових решток синьо-зелених водоростей і актиноміцетів, а також у вигляді осадових порід; у котрих шари двовалентного заліза чергуються з шарами окисленого тривалентного, подібно до того, як це нині спостерігається в «мікробних матах» на узбережжях багатьох субтропічних морів.
Перші живі організми мали примітивну – прокаріотичну будову, були анаеробами, тобто організмами, які існують у безкисневому середовищі. Вони жили в морях, «ховаючись» на глибині від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця, оскільки на планеті ще не існувало захисного озонового шару. Необхідні для життя енергію й речовини перші мешканці Землі діставали, використовуючи готові органічні сполуки первинного бульйону, тобто були гетеротрофами. Така «споживацька» стратегія життя, що ґрунтувалася на використанні обмежених запасів органічних речовин, нагромаджених протягом тривалої передбіологічної історії, могла б призвести до цілковитої переробки всього низькоентропійного й енергетично цінного матеріалу у відходи і, врешті-решт – до загибелі всього живого.
Проте криза не настала, бо серед величезної різноманітності способів добування енергії й поживних речовин, які «випробовувалися» в давньому світі прокаріотів, швидко з'явився принципово новий тип живлення – автотрофний. Організми-автотрофи для побудови своїх клітин не використовували готові органічні речовини, а самі синтезували їх з неорганічних – вуглекислого газу, води, азотовмісних і фосфоровмісних сполук. Такі процеси потребували значних енергетичних затрат. Необхідну енергію автотрофи діставали або за рахунок окисних реакцій – у процесі хемосинтезу, або в результаті прямого вловлювання й перетворення променистої енергії Сонця – фотосинтезу.
Перші автотрофні організми, мабуть, були хемосинтезуючими й діставали потрібну енергію, окислюючи сірку в сірководні до молекулярної сірки, або двовалентне залізо до тривалентного й т. п. Але справжня революція в юній біосфері почалася з появою фотосинтезуючих бактерій – ціанобактерій (синьо-зелених водоростей), які «навчилися» використовувати найбільш потужне і найбільш стабільне в планетарному масштабі джерело енергії – сонячне світло.
З появою автотрофів на планеті замкнувся цикл біологічного кругообігу речовин, і на мільярди років відступила загроза енергетичного й харчового голоду. Автотрофи, які здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, дістали загальну назву – продуценти, а гетеротрофи, які розкладають органічні сполуки до неорганічних, - редуценти.
Водночас виникла ще одна група організмів, які використовували готові органічні речовини, не розкладаючи їх до мінеральних, а трансформуючи в інші органічні речовини. Цю групу споживачів – трансформаторів готової органіки називають консументами.
Першими консументами були бактерії, що живились органікою загиблих продуцентів (так званий сапротрофний тип живлення) або вели паразитичний спосіб життя всередині клітин продуцентів чи консументів-сапротрофів. Відтоді естафету життя розпочинали автотрофи-продуценти, які з вуглекислого газу й води за допомогою сонячного світла або енергії окисно-відновних реакцій створювали молекули простих цукрів. Далі цукри полімеризувались в полісахариди або трансформувалися в амінокислоти, нуклеотиди, жирні кислоти, гліцерин та ін., з яких утворювалися білки, нуклеїнові кислоти, жири та інші необхідні для клітини компоненти.
І, нарешті, органічна речовина відмерлих продуцентів і консументів споживалася редуцентами. Стародавні редуценти, на відміну від консументів, виділяли в зовнішнє середовище ферменти (так звані екзоферменти), що розкладали складні органічні сполуки на простіші, а потім поглинали ці прості сполуки. Всередині клітин більшу частину поглинутих простих органічних сполук редуценти окислювали до мінеральних речовин, одержуючи необхідну енергію, а із залишків створювали потрібні для себе складніші органічні речовини.
Отже, жива речовина (біота) – продуценти, консументи і редуценти – утворила ланцюг живлення (трофічний ланцюг), яка завдяки неживій речовині – мінеральним сполукам – замкнувся в коло. Відтоді продуценти синтезували органічні речовини з неорганічних, консументи їх трансформували, а редуценти розкладали до мінеральних сполук, які потім знову споживалися продуцентами для процесів синтезу. З потоку речовин у цьому колі утворився біологічний кругообіг речовин (рис. 5. 1).
Геологічний і біологічний кругообіги речовин разом склали біогеохімічний кругообіг, з'єднавши в ньому водночас величезну потужність першого й надзвичайні швидкість та активність другого. Біогеохімічний кругообіг «налагоджувався» приблизно 1,5-2 млрд років, потім стабілізувався, суттєво не змінюючись протягом більш як 2 млрд. років – дотепер. Поява фотосинтезуючих продуцентів, окрім усього іншого, мала один важливий наслідок – на Землі сформувалася киснева атмосфера, яка визначила подальші етапи еволюції планети й біосфери.
Майже всі первинні прокаіотичні організми були анаеробами. Кисень, життєво необхідний переважній більшості видів, що існують нині, для давніх організмів був однією з найсильніших отрут. Надзвичайно активний окиснювач, вільний кисень, руйнував, дезактивував, «спалював» більшість ферментів давніх бактерій-анаеробів, тому вони діставали енергію лише за рахунок безкисневих і низькоефективних процесів бродіння й розщеплення простих цукрів – шляхом анаеробного гліколізу. Однак саме кисень в процесі фотосинтезу виділяли первинні продуценти-фотоавтотрофи – синьо-зелені водорості. Оскільки через високу вулканічну активність планети давні моря були дуже теплими, то лише незначна кількість цього кисню розчинялося у воді Світового океану.
Основна маса кисню нагромаджувалася в атмосфері, де зрештою окисляла метан і аміак у вуглекислий газ, вільний азот та його оксиди. З дощами вуглекислий азот і азотні сполуки потрапляли в океан і там споживалися продуцентами. Поступово кисень замістив у атмосфері метан і аміак. Частина кисню під впливом сонячного світла й електричних розрядів у атмосфері перетворювалася на озон. Молекули озону, концентруючись у верхніх шарах атмосфери, прикрили поверхню планети від згубної дії ультрафіолетового випромінювання, що йде від Сонця.
В даний час у Світовому океані серед бактерій виникли види, здатні спочатку тільки захищатися від розчиненого у воді кисню, а в подальшому «навчилися» використовувати його для окислення глюкози й одержання додаткової енергії. На зміну низькоефективним процесам бродіння й гліколізу прийшов енергетично набагато вигідніший процес кисневого розщеплення простих цукрів. Організми, що діставали енергію цим шляхом, не лише не труїлися киснем, а навпаки, мали від нього користь. Такі організми назвали аеробними. Оскільки шар озону захищав тепер клітини від ультрафіолетового випромінювання, аероби почали колонізацію багатих на кисень поверхневих шарів Світового океану та його мілководдя – шельфу. Жива речовина заселила всю гідросферу.
Четверта фаза. Виникнення еукаріот. Заселення суші. Сучасна біорізноманітність органічного світу.
Ця важлива фаза в розвитку нашої планети та її біосфери ознаменувалася виникненням істот принципово нового типу – побудованих з еукаріотичних клітин. Еукаріотичні клітини значно складніше прокаріотичних. Вони диференційовані на системи певних органоїдів (ядро, мітохондрії, ендоплазматична сітка, комплекс Гольджи, лізосоми, хлоропласти тощо), здатні до мітозу і мейозу й статевого процесу, можуть живитися шляхом фагоцитозу й піноцитозу (іиноцитоз – поглинання і внутрішньоклітинне руйнування макромолекулярних сполук (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпопротеїнів, білкових комплексів) і т. д. Завдяки здатності до статевого процесу еукаріоти еволюціонують набагато швидше прокаріотів і мають більший адаптивний потенціал, а отже, краще пристосовуються до змін умов існування.
Вважають, що еукаріотична клітина виникла приблизно 1,2 млрд. років тому в результаті серії симбіозів різних прокаріотичних клітин, одні з яких дали початок клітині-хазяїну, інші – трансформувалися в мітохондрії та хлоропласти. Перші еукаріоти були гетеротрофними одноклітинними організмами. Вони, шляхом залучення до своєї клітини прокаріотичних фотоавтотрофів, поклали початок еукаріотичним одноклітинним водоростям. У подальшому від автотрофних і гетеротрофних еукаріот відокремилося кілька груп грибів. Крім того, одноклітинні гетеротрофні прокаріоти є родоначальниками багатоклітинних безхребетних тварин.
За порівняно короткий час – кілька десятків мільйонів років еукаріоти «перевідкрили» наприклад, багатоклітинність, «відкрили» тканинну будову, і близько 430-415 млн. років тому перші рослини – нащадки водоростей, а слідом за ними й різноманітні тварини та гриби вийшли на сушу, завершуючи колонізацію всієї поверхні нашої планети. З виходом живої речовини на сушу прискорилися процеси вивітрювання гірських порід. Відтоді не лише коливання температури, дощі та вітри руйнували гірські масиви, а й величезна армія рослин, бактерій, грибів і лишайників подрібнювала, розпушувала, розчиняла мінерали.
Консументы-тварини, споживаючи продуцентів, швидко переносили вміщені в органічній речовині елементи на значні відстані, редуценти вивільняли, розкладали, переоткладывали органіку консументов. Частина вивільнених мінеральних і полупереработанных органічних речовин трансформувалася в гумус, утворюючи родючі биокосные системи - ґрунти. Те, що не поверталося в біологічний кругообіг або не відкладалося в ґрунті, змивалося дощами в річки й виносилося в Світовий океан, де споживалося, концентрувалося або перевідкладувалося у вигляді осадочних порід мешканцями гідросфери.
Тектонічні переміщення земної кори повільно виносили осадочні породи на поверхню, роблячи нагромаджені в них речовини знову доступними для живої речовини літосфери. За оцінками, протягом усієї історії існування біосфери в біогеохімічному кругообігу брало участь не менше ніж 1,5 млрд. видів живих істот, переважна більшість яких виникла протягом четвертої фази історії Землі. При цьому одні види поступово, а іноді і раптово, вимирали внаслідок локальних або глобальних катаклізмів або поступово витіснялися новими, більш пристосованими до даних умов існування.
Через мутації, різноманітні процеси, пов'язані з перенесенням генів і симбіозами, під дією природного відбору види змінювалися, породжуючи нові. Сьогодні людині відомо понад 1,7 млн. видів, які існують нині на нашій планеті: близько 30 тис. видів прокаріотів, 450 тис. видів рослин, 100 тис. видів грибів і 1 млн 200 тис. видів тварин (з них понад 1 млн. видів - комахи). Однак навіть за найобережнішими оцінками, це становить менше 10 % числа видів, які дійсно живуть разом з нами на Землі. Частка нашого виду «хомо сапієнс» – в загальному генофонді планети не перевищує 0,00006 %.
ТЕМА 6. ФУНКЦІЇ ЖИВОЇ РЕЧОВИНИ. БІОГЕОХІМІЧНІ ЦИКЛИ РЕЧОВИН
Функції живої речовини в біосфері:
енергетична – поглинання сонячної енергії в процесі фотосинтезу, а хімічної енергії шляхом розкладу енергонасичених речовин; передача енергії кормовими ланцюгами різнорідної живої речовини;
концентраційна – вибіркове накопичення в ході життєдіяльності окремих видів речовин: а) використовуваної для створення тіла організму; б) виділеної з неї в процесі метаболізму;
деструктивна – мінералізація небіогенної органічної речовини; розкладання неживої органічної речовини; втягування утворених речовин у біохімічний кругообіг;
середовищетворна – перетворення хіміко-фізичних параметрів середовища (головним чином за рахунок не біогенної речовини);
транспортна – перенесення речовин проти сили тяжіння і в горизонтальному напрямку.
Геологічний кругообіг речовин має найбільшу швидкість в горизонтальному напрямку між сушею і морем. Зміст великого кругообігу полягає в тому, що гірські породи розпадаються, вивітрюються, а продукти вивітрювання, в тому числі розчинення у воді поживних речовин, зносяться потоками води в Світовий океан, утворюючи морські нашарування і повертаються на сушу лише частково, наприклад, з опадами. Далі на протязі довгого періоду часу протікають повільні геотектонічні зміни - рух материків, підняття та опускання морського дна, вулканічні виверження і т. д. В результаті яких утворене напластування повертається на сушу і процес починається знову.
Біологічний кругообіг є частиною великого і відбувається на рівні біогеоценозів. Він полягає в тому, що поживні речовини ґрунту, води, CO2 та інших речовин із атмосфери за рахунок фотосинтезу акумулюються в речовині продуцентів (рослин і деяких бактерій), використовуються на побудову тіла і життєві (обмінні) процеси продуцентів і консументів. Далі в основному за рахунок редуцентів органічні речовини розкладаються і частково мінералізуються, знову стають доступними рослинам і знову ними втягуються в потік речовин (кругообіг). Швидкість переміщення речовин при біологічному кругообігу значно вища, ніж при геологічному.
Біологічний кругообіг характеризується:
- місткістю – кількістю хімічних елементів, які знаходяться одночасно в складі живих речовин екосистеми;
- швидкістю – кількістю живих речовин, які створюються і розпадаються за одиницю часу.
Крім кругообігу речовини та енергії, величезну роль в біосфері мають інформаційні зв'язки. Інформативні сигнали енергетично дуже слабкі й самі не можуть викликати якоїсь відчутної реакції, але вони містять важливі відомості в закодованій формі. Ці сигнали сприймаються, розшифровуються (здебільшого автоматично) та враховуються живими організмами. Обробляти, накопичувати й використовувати інформацію окремо від енергії можуть лише живі організми.
Для постійного існування біосфери, для запобігання припинення розвитку життя на Землі у природі повинні постійно відбуватись безперервні процеси перетворення її живої речовини.
Біологічний кругообіг – це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері.
Причина кругообігу – обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів.
У біосфері відбувається постійний кругообіг активних елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами при розкладанні, надходять у ґрунт і атмосферу, знову включаються в кругообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організмами. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів.
Для біогенної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення у результаті розкладу мертвих організмів. Біогенна міграція викликається трьома процесами:
- обміном речовин в організмах;
- ростом;
- розмноженням.
Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викликана силами життя, дав B.I. Вернадський (закон біогенної міграції атомів). Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона пропускаючи через себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери та атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію. Завершуючи свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли у неї протягом життя.
Розрізняють два типи біогенної міграції, перший з них здійснюється мікроорганізмами, а другий – багатоклітинними організмами. Величина міграції першого типу переважає над другим. Людство оволоділо міграцією третього типу, яка іде під впливом його діяльності.
Крім того, розрізняють великий (геологічний) та малий (біологічний) кругообіг і кругообіги різних природних ресурсів (ресурсні цикли).
Великий (геологічний) кругообіг. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під впливом сонячної енергії й живої речовини вони вивітрюються, переносяться, відкладаються, перетворюючись різноманітні осадові породи, де запасається сонячна енергія (з вивержених мінералів утворюються глини, а вулканічні гази переходять у вугілля та нафту).
Потім за рахунок тектонічних рухів осадові породи потрапляють у зони високих тисків та температур (а також радіоактивного розпаду й гравітаційної диференціації) і перетворюються в гранітні породи з більш високим рівнем енергії, ніж у осадових порід. Кристалізовані вивержені породи знову за рахунок висхідних тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином цикл завершується, але вже на новому рівні, бо з вихідних базальтів утворилися вивержені породи гранітного складу.
Малий біологічний кругообіг (трансформація) речовин в біосфері. В кожній екосистемі кругообіг речовин відбувається в результаті взаємодії автотрофів та гетеротрофів.
Вуглець, водень, кисень, азот, сірка і фосфор та біля 30 простих речовин, що необхідні для утворення живої речовини, безперервно перетворюються в органічні речовини або поглинаються в вигляді неорганічних компонентів автотрофами, а автотрофи використовуються гетеротрофами (спочатку консументами, а потім деструкторами). таким чином, біогенні елементи безперервно циркулюють: розчиняються в континентальних водах, виносяться в моря або потрапляють в атмосферу, а між цими середовищами відбувається постійний газообмін, тобто відбувається біологічний кругообіг атомів. Суть кругообігу в тому, що утворення живої речовини і розклад органічної речовини – два боки єдиного процесу.
В процесі біологічного кругообігу атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, а потім залишають живу речовину, віддаючи енергію в оточуюче середовище. За рахунок біогенної енергії відбувається більшість хімічних реакцій. Біологічні кругообіги можуть бути різних масштабів і різної тривалості – від швидкого кругообігу в ґрунті, річці, озері до тривалого, який обіймає всю біосферу.
Біологічний кругообіг зворотний не повністю, частина речовин постійно виходить з кругообігу і осідає в товщині осадочних порід у вигляді органогенних вапняків, гумусу, торфу і т. п. В результаті кругообігу біосфера (чи інша екосистема) не повертається в початковий стан: для біосфери характерний поступальний рух, тому емблемою біологічного циклу є не коло, а циклоїд (спіраль) .
Отже, кругообіг речовин у природі спрямовується спільною дією як біологічних, так і геохімічних та геофізичних сил.
Вплив антропогенного фактору на кругообіг. В порівнянні з тривалістю існування біосфери людина існує надзвичайно маленький час.
Людина небувало прискорила кругообіг деяких речовин – родовища заліза, цинку, свинцю інших елементів, які природа накопичувала мільйони років, швидко вичерпуються. Людина швидкими темпами використовує сонячну енергію «минулих біосфер», накопичену в вугіллі, нафті, природному газі, вона вивільняє енергію, що міститься в урані. Все це збільшує неврівноваженість біосфери. Створюючи водосховища, дістаючи воду з глибинних водоносних горизонтів, людина втручається в кругообіг води в природі.
Людині слід чітко уявити, що вони намагаються побудувати для себе та своїх нащадків, бо нічого з того, що робиться з природою, виправити неможливо.
З екологічної точки зору найважливішими є кругообіги речовин, які є основними компонентами живої речовини:
- кругообіг кисню;
- кругообіг вуглецю;
- кругообіг води;
- кругообіг азоту;
- кругообіг сірки;
- кругообіг фосфору.
Кругообіг кисню
Кисень є найбільш поширеним елементом на Землі. У морській воді міститься 85,82% кисню, в атмосферному повітрі 23,15% за вагою або 20,93% за обсягом, а в земній корі 47,2% за вагою. Така концентрація кисню в атмосфері підтримується постійною завдяки процесу фотосинтезу. У цьому процесі зелені рослини під дією сонячного світла перетворюють діоксид вуглецю і воду у вуглеводи і кисень. Головна маса кисню знаходиться в зв'язаному стані; кількість молекулярного кисню в атмосфері оцінюється в 1,5* 1015 т, що складає всього лише 0,01% від загального вмісту кисню в земній корі. У житті природи кисень має виняткове значення.
Кисень та його сполуки незамінні для підтримки життя. Вони грають найважливішу роль у процесах обміну речовин і дихання. Кисень входить до складу білків, жирів, вуглеводів, з яких "побудовані" організми; в людському організмі, наприклад, міститься близько 65% кисню. Більшість організмів отримують енергію, необхідну для виконання їх життєвих функцій, за рахунок окислення тих чи інших речовин за допомогою кисню. Зменшення кількості кисню в атмосфері в результаті процесів дихання, гниття й горіння відшкодовується киснем, що виділяється при фотосинтезі. Вирубка лісів, ерозія ґрунтів, різні гірські вироблення на поверхні зменшують загальну масу фотосинтезу і знижують кругообіг на значних територіях. Поряд з цим, потужним джерелом кисню є, мабуть, фотохімічне розкладання водяної пари у верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетових променів сонця. Таким чином, в природі безперервно відбувається кругообіг кисню, що підтримує сталість складу атмосферного повітря.
Крім описаного вище кругообігу кисню в незв'язаному вигляді, цей елемент робить ще і найважливіший кругообіг, входячи в склад води. Кругообіг води (H2O) полягає в випаровуванні води з поверхні суші та моря, перенесення її повітряними масами і вітрами, конденсації парів і подальше випадання опадів у вигляді дощу, снігу, граду, туману.
Кругообіг вуглецю
Вуглець за поширеністю на Землі посідає шістнадцяте місце серед всіх елементів і становить приблизно 0,027% маси земної кори. У незв'язаному стані він зустрічається у вигляді алмазів (найбільші родовища у Південній Африці та Бразилії) і графіту (найбільші родовища у ФРН, Шрі-Ланка і Росія). Кам'яне вугілля містить до 90% вуглецю. У зв'язаному стані вуглець входить також в різні горючі копалини, карбонатні мінерали, наприклад кальцит і доломіт, а також в склад всіх біологічних речовин. У формі діоксиду вуглецю він входить у склад земної атмосфери, в якій на його частку припадає 0,046% маси.
Вуглець має виключне значення для живої речовини (живою речовиною в геології називають сукупність всіх організмів, що населяють Землю). З вуглецю в біосфері створюються мільйони органічних сполук. Вуглекислота з атмосфери в процесі фотосинтезу, здійснюваного зеленими рослинами, асимілюється й перетворюється в різноманітні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорганізми, морський фітопланктон, завдяки винятковій швидкості розмноження продукують у рік близько 1,5*1011т вуглецю у вигляді органічної маси. Рослини частково поїдаються тваринами (при цьому утворяться харчові ланцюги). У кінцевому рахунку, органічна маса в результаті дихання, гниття й горіння перетворюється у вуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які, у свою чергу, дають початок багатьом іншим сполукам – кам'яному вугіллю, нафті.
У процесах розпаду органічних речовин, їхньої мінералізації, величезну роль грають бактерії (наприклад, гнильні), а також багато грибів (наприклад, цвілеві). В активному круговороті «вуглекислий газ – жива речовина» бере участь дуже невелика частина всієї маси вуглецю. Величезна кількість вуглекислоти законсервовано у вигляді викопних вапняків та інших порід.
Між вуглекислим газом атмосфери й водою океану існує рухлива рівновага. Організми поглинають вуглекислий кальцій, створюють свої кістяки, а потім з них утворяться шари вапняків. Атмосфера поповнюється вуглекислим газом завдяки процесам розкладання органічної речовини, карбонатів і т. д. Особливо потужним джерелом є вулкани, гази яких складаються головним чином з парів води та вуглекислого газу.
Кругообіг азоту
Азот входить до складу земної атмосфери в незв'язаному вигляді у формі двоатомних молекул. Приблизно 78% всього об'єму атмосфери припадає на частку азоту. Крім того, азот входить до складу рослин і тварин організмів у формі білків. Рослини синтезують білки, використовуючи нітрати з ґрунту. Нітрати утворюються там з атмосферного азоту і амонійних сполук, наявних у ґрунті. Процес перетворення атмосферного азоту в форму, засвоюється рослинами і тваринами, називається зв'язуванням (або фіксацією) азоту.
При гнитті органічних речовин значна частина міститься в них азоту перетворюється в аміак, який під впливом живучих у ґрунті нітрифікуючих бактерій потім окислюється в азотну кислоту. Остання, вступаючи в реакцію з розташованими в ґрунті карбонатами, наприклад з карбонатом кальцію СаСО3, утворює нітрати:
2HNО3 + СаСО3 = Са(NО3)2 + СО2 + Н2О.
Деяка ж частина азоту завжди виділяється при гнитті у вільному виді в атмосферу. Вільний азот виділяється також при горінні органічних речовин, при спалюванні дров, кам'яного вугілля, торфу. Крім того, існують бактерії, котрі при недостатньому доступі повітря можуть віднімати кисень від нітратів, руйнуючи їх із виділенням вільного азоту. Діяльність цих денітрифікуючих бактерій призводить до того, що частина азоту з доступної для зелених рослин форми (нітрати) переходить в недоступну (вільний азот). Таким чином, далеко не весь азот, що входив до складу загиблих рослин, повертається обернено в ґрунт; частина його поступово виділяється у вільному вигляді.
Безперервне зменшення мінеральних азотних сполук давно мусило б призвести до повного припинення життя на Землі, якби в природі не існували процеси, також відшкодовують втрати азоту. До таких процесів відносяться, перш за все, електричні розряди в атмосфері, при яких завжди утвориться деяка кількість оксидів азоту; останні з водою дають азотну кислоту, що перетворюється в ґрунті в нітрати. Іншим джерелом поповнення азотних сполук ґрунту є життєдіяльність так званих азотобактерій, здатних засвоювати атмосферний азот. Деякі з цих бактерій поселяються на коренях рослин із сімейства бобових, викликаючи утворення характерних здуть – "бульбочок", чому вони й одержали назву бульбочкових бактерій. Засвоюючи атмосферний азот, бульбочкові бактерії переробляють його в азотні сполуки, а рослини, в свою чергу, перетворюють останні у білки й інші складні речовини.
Таким чином, в природі відбувається безперервний кругообіг азоту. Проте щорічно з врожаєм з полів убираються найбільше багаті білками частини рослин, наприклад зерно. Тому в ґрунт необхідно вносити добрива, також відшкодовують збиток у ній найважливіших елементів харчування рослин. В основному використовуються нітрат кальцію Ca(NO3)2, нітрат амонію NH4NO3, нітрат натрію NаNO3, і нітрат калію KNO3. Наприклад, в Таїланді використовуються листя лейкаєни як органічне добриво. Лейкаєна належить до бобових рослин і, як і всі вони, містить дуже багато азоту. Тому її можна використовувати замість хімічного добрива.
Останнім часом спостерігається підвищення вмісту нітратів у питній воді, головним чином за рахунок посилення використання штучних азотних добрив в сільському господарстві. Хоча самі нітрати не так вже небезпечні для дорослих людей, в організмі людини вони можуть перетворюватися в нітрити. Крім того, нітрати та нітрити використовуються для обробки та консервування багатьох харчових продуктів, у тому числі шинки, бекону, солонини, а також деяких сортів сиру і риби. Окремі вчені вважають, що в організмі людини нітрати можуть перетворюватися в нітрозаміни: Відомо, що нітрозаміни здатні викликати онкологічні захворювання у тварин. Більшість з нас вже піддається впливу нітрозамінів, які в невеликій кількості знаходяться в забрудненому повітрі, сигаретному димі і деяких пестициди. Вважають, що нітрозаміни можуть бути причиною 70-90% випадків онкологічних захворювань, виникнення яких приписують дії факторів навколишнього середовища.
Кругообіг фосфору
Джерелом фосфору біосфери є головним чином апатит, що зустрічається у всіх магматичних породах. У перетвореннях фосфору більшу роль грає жива речовина. Організми витягають фосфор із ґрунтів, водяних розчинів. Засвоєння фосфору рослинами багато в чому залежить від кислотності ґрунту. Фосфор входить в численні сполуки в організмах: білки, нуклеїнові кислоти, кісткова тканина, лецитини, фітин та інші сполуки; особливо багато фосфору входить в склад кісток. Фосфор життєво необхідний тваринам у процесах обміну речовин для накопичення енергії. Із загибеллю організмів фосфор вертається в ґрунт і в мули морів. Він концентрується у вигляді морських фосфатних конкрецій, відкладень косток риб, що створює умови для утворення багатих фосфором порід, які в свою чергу є джерелом фосфору в біогенному циклі.
Вміст фосфору в земній корі становить 0,08-0,09 % її маси. У вільному стані фосфор у природі не зустрічається внаслідок його легкої окислюваності. У земній корі він знаходиться у вигляді мінералів (фторапатит, хлорапатит, вівіаніт і ін), які входять до складу природних фосфатів – апатитів і фосфоритів. Фосфор має виключне значення для життя тварин і рослин.
Так як рослини забирають з ґрунту значну кількість фосфору, а природне поповнення фосфорними сполуками ґрунту незначно, то внесення в ґрунт фосфорних добрив є одним з найважливіших заходів по підвищенню врожайності. Щорічно у світі видобувають приблизно 125 млн. т фосфатної руди. Більша її частина витрачається на виробництво фосфатних добрив.
Кругообіг сірки
Круговорот сірки також тісно пов'язаний з живою речовиною. Сірка у вигляді SO2, SO3, H2S і елементарної сірки викидається вулканами в атмосферу. З іншого боку, в природі у великій кількості відомі різні сульфіди металів: заліза, свинцю, цинку та ін. Сульфідна сірка окисляється в біосфері при участі численних мікроорганізмів до сульфатної сірки ґрунтів і водойм. Сульфати поглинаються рослинами. В організмах сірка входить до складу амінокислот і білків, а в рослин, крім того, – до складу ефірних масел і т. д. Процеси руйнування залишків організмів у ґрунтах і в мулах морів супроводжуються дуже складними перетвореннями сірки. При руйнуванні білків за участю мікроорганізмів утвориться сірководень. Далі сірководень окисляється або до елементарної сірки, або до сульфатів. У цьому процесі беруть участь різноманітні мікроорганізми, що створюють численні проміжні сполуки сірки. Відомі родовища сірки біогенного походження. Сірководень може знову утворити "вторинні" сульфіди, а сульфатна сірка створює гіпс. У свою чергу, сульфіди й гіпс знову піддаються руйнуванню, і сірка відновляє свою міграцію.
ТЕМА 7. СТРУКТУРА ПРИРОДНОГО СЕРЕДОВИЩА. ПРИРОДНІ РЕСУРСИ
Літосфера – це зовнішня тверда оболонка Землі, яка включає всю земну кору й частину верхньої мантії Землі і складається з осадових (глина, вапняки, сланці), магматичних (граніт, базальт, туф, кальцит, доломіт) і метаморфічних (кварцит, мармур, тальк, польовий шпат, слюда) порід.
Верхня межа літосфери – земна кора – найважливіший ресурс для людства. Вона містить горючі корисні копалини (вугілля, нафта, горючі сланці), рудні (залізо, алюміній, мідь, олово і ін.) і неметалічні (фосфорити, апатити та ін.) корисні копалини.
Товщина кори під континентами становить у середньому 35-40 км. Там, де на суші розташовані молоді високі гори, вона часто перевищує 50 км (наприклад, під Гімалаями досягає 90 км). Під океанами кора тонка – у середньому близько 7-10 км, а в деяких районах Тихого океану – всього 5 км. Межі земної кори визначаються по швидкості поширення сейсмічних хвиль. Сейсмічні хвилі дають інформацію про властивості мантії. Встановлено, що верхня мантія складається, головним чином, з силікатів магнію і заліза. Склад нижньої мантії залишається загадкою, проте висловлюється припущення, що вона містить оксиди магнію і кремнію. Висновки про склад земного ядра були зроблені на підставі не тільки аналізу сейсмічних хвиль, але і розрахунків щільності і вивчення складу метеоритів. Вважається, що внутрішнє ядро являє собою твердий сплав заліза і нікелю. Зовнішнє ядро, мабуть, рідке і має дещо меншу щільність. Деякі фахівці вважають, що воно містить до 14% сірки.
Нижня межа літосфери нечітка й визначається за різким зменшенням в'язкості порід, збільшенням їхньої щільності та іншими геофізичними характеристиками. Товщина літосфери на континентах і під океанами різниться й становить відповідно 25-200 і 5-100 км. найглибші шахти, пройдені людьми, сягають глибин 3-4 км, найглибша в світі свердловина (пройдена на Кольському півострові) досягла глибини 12 км Про стан і будову більш глибоких зон літосфери нам відомо лише на основі побіжних методів, таких як сейсмічна та електророзвідка, гравіметрія тощо
Ґрунт – поверхневий шар літосфери Землі, що володіє родючістю і представляє собою поліфункціональну гетерогенну відкриту чотирьохфазну (тверда, рідка, газоподібна фази і живі організми) структурну систему, що утворилася в результаті вивітрювання гірських порід і життєдіяльності організмів. Її розглядають як особливу природну мембрану (біогеомембрану), що регулює взаємодію між біосферою, гідросферою і атмосферою Землі. Ґрунти є функцією від клімату, рельєфу, вихідної ґрунтостворюючої породи, мікроорганізмів, рослин і тварин (тобто біоти в цілому), людської діяльності і змінюються з часом.
Екологічне значення літосфери величезне. По-перше, на її поверхні живе більшість рослинних і тваринних організмів, у тому числі й людина. По-друге, верхня тонка оболонка літосфери на материках – це ґрунти, що забезпечують умови для життя рослин і є основною умовою для отримання продуктів харчування людей. По-третє, літосфера є джерелом отримання корисних копалин – енергетичної сировини, руд металів, мінеральних добрив, будівельних матеріалів і т. д. У межах літосфери періодично відбувалися і відбуваються грізні екологічні процеси (виверження вулканів, землетруси, зсуви, селі, обвали, ерозія земної поверхні), які мають величезне значення для формування екологічних ситуацій в певних ділянках планети, а іноді призводять до глобальних екологічних катастроф.
Атмосфера – це газова оболонка Землі з містяться в ній аерозольними частинками, що рухаються разом із Землею у світовому просторі як єдине ціле і одночасно бере участь в обертанні Землі.
Своїми атмосферами володіють майже всі планети нашої Сонячної системи, але тільки земна атмосфера здатна підтримувати життя.
Коли 4,5 мільярда років тому формувалася наша планета, то, по всій видимості, вона була позбавлена атмосфери. Атмосфера була сформована в результаті вулканічних викидів водяної пари з домішками діоксиду вуглецю, азоту та інших хімічних речовин з надр молодої планети. Але атмосфера може містити в собі обмежену кількість вологи, тому її надлишок в результаті конденсації дав початок океанах. Але тоді атмосфера була позбавлена кисню. Перші живі організми, що виникли і розвинулись в океані, в результаті реакції фотосинтезу (H2O + CO2 = СН2О + O2) стали виділяти невеликі порції кисню, який став потрапляти в атмосферу.
Формування кисню в атмосфері Землі призвело до утворення озонового шару на висотах приблизно 8-30 км. І, тим самим, наша планета набула захист від згубного впливу ультрафіолетового вивчення. Ця обставина послужила поштовхом для подальшої еволюції життєвих форм на Землі, оскільки в результаті посилення фотосинтезу кількість кисню в атмосфері стало стрімко рости, що сприяло формуванню та підтриманню життєвих форм, в тому числі і на суші.
Сьогодні наша атмосфера на 78,1% складається з азоту, 21% кисню, 0,9% аргону, на 0,04% діоксиду вуглецю. Зовсім малі частки порівняно з основними газами складають неон, гелій, метан, криптон.
Атмосфера спричиняє ряд складних екзогенних процесів (вивітрювання гірських порід, діяльність природних вод, мерзлоти, льодовиків та ін.). Для деяких організмів (бактерії, літаючі комахи, птахи та ін.) атмосфера є основним середовищем життя.
На частинки газу, які містяться в атмосфері, діє сила тяжіння Землі. А, враховуючи те, що повітря стискаємо, то його щільність з висотою поступово убуває, переходячи в космічний простір без чіткої межі. Половина всієї маси земної атмосфери зосереджена в нижніх 5 км, три чверті – в нижніх 10 км, дев'ять десятих – в нижніх 20 км 99% маси атмосфери Землі зосереджено нижче висоти 30 км, а це всього 0,5% екваторіального радіуса нашої планети.
На рівні моря число атомів і молекул на кубічний сантиметр повітря становить близько 2 * 1019, на висоті 600 км всього 2 * 107. На рівні моря атом або молекула пролітає приблизно 7 * 10-6 см, перш ніж зіткнутися з іншою частинкою. На висоті 600 км. ця відстань складає близько 10 км. І на рівні моря кожну секунду відбувається близько 7 * 109 таких зіткнень, на висоті 600 км – всього близько одного в хвилину!
Але не тільки тиск змінюється з висотою. Змінюється і температура. Так, наприклад, біля підніжжя високої гори може бути досить жарко, в той час як вершина гори вкрита снігом і температура там у той же час нижче нуля. А варто піднятися на літаку на висоту приблизно 10-11 км, як можна почути повідомлення про те, що за бортом -50 ºС, у той час як у поверхні землі на 60-70 градусів тепліше.
Спочатку вчені припускали, що температура з висотою зменшується до тих пір, поки не досягає абсолютного нуля (-273,16 °C). Але це не так.
Атмосфера Землі складається з чотирьох шарів: тропосфера, стратосфера, мезосфера, іоносфера (термосфера). Таке поділ на верстви прийнято і виходячи з даних про зміну температури з висотою. Самий нижній шар, де температура повітря падає з висотою, назвали тропосферою. Шар над тропосферою, де падіння температури припиняється, змінюється ізотермією і, нарешті, температура починає підвищуватися, назвали стратосферою. Шар над стратосферою, в якому температура знову стрімко падає – це мезосфера. І, нарешті, той шар, де знову починається ріст температури, назвали іоносферою або термосферою.
Тропосфера простягається в середньому в нижніх 12 км. Саме в ній відбувається формування нашої погоди. Найвищі хмари (перисті) утворюються у самих верхніх шарах тропосфери. Температура в тропосфері з висотою знижується адіабатично, тобто зміна температури відбувається внаслідок зменшення тиску з висотою. Температурний профіль тропосфери багато в чому обумовлений надходить до поверхні Землі сонячної радіацією. В результаті нагрівання поверхні Землі Сонцем формуються конвективні і турбулентні потоки, спрямовані гору, які формують погоду. Варто зауважити, що вплив підстилаючої поверхні на нижні шари тропосфери поширюється до висоти приблизно 1,5 км. Звичайно, виключаючи гірські райони.
Верхньою межею тропосфери є тропопауза – ізотермічний шар. Згадайте характерний вигляд грозових хмар, вершина яких являє собою «викид» перистих хмар, званих «ковадлом». Ця «ковадло» як раз і розтікається» під тропопаузою, оскільки з-за ізотермії висхідні потоки повітря значно слабшають, і хмара перестає розвиватися по вертикалі. Але в особливих, рідкісних випадках, вершини купчасто-дощових хмар можуть вторгатися в нижні шари стратосфери, долаючи тропопаузу.
Висота тропопаузи залежить від географічної широти. Так, на екваторі вона знаходиться на висоті приблизно 16 км, і її температура становить близько -80°C. На полюсах тропопауза розташована нижче – приблизно на висоті 8 км. Влітку температура тут становить -40°C -60°C взимку. Таким чином, незважаючи на більш високі температури в поверхні Землі, тропічна тропопауза набагато холодніше, ніж біля полюсів.
Далі в стратосфері температура з висотою не знижується, а навпаки, зростає, поки не досягає в залежності від сезону і широти -30°C...+20°C на висоті приблизно 48 км. Таке зростання температури обумовлений взаємодією ультрафіолетового випромінювання з озоновим шаром, який розташовується якраз в стратосфері. До речі, стратосфера також впливає на погоду. Останнім часом з'явилися дослідження, які вказують на зв'язок параметрів стратосфери з аномаліями приземної температури. Ймовірно, розвиток цих досліджень дозволить вченим розробити більш досконалі і точні методи довгострокового прогнозу температурних аномалій у поверхні Землі (на 30-40 діб).
Варто додати, що в стратосфері різко зменшується кількість водяної пари, зате зростає вміст озону. Таким чином, формується очевидний контраст між вологою і бідної на озон тропосферою і сухий, але зате багатого на озон стратосферою.
Незважаючи на сухість стратосфери, в холодну пору року у високих широтах в ній все-таки можуть утворюватися хмари на висотах від 17 до 30 км.
Стратосфера простягається приблизно до 48 км над поверхнею нашої планети і разом з тропосферою становить 99,9% нашої атмосфери. Верхньою межею стратосфери є стратопауза.
Над стратопаузою температура знову починає знижуватися. Цей шар називається мезосферою і розташований в середній атмосфері. У верхніх шарах мезосфери температура падає до -90°C. У мезосфері народжується таке красиве світлове явище в атмосфері, як спалахи метеорів. Тому, спостерігаючи «падаючі зірки», пам'ятаєте, що це явище ми бачимо в мезосфері.
Також у верхніх шарах мезосфери формуються загадкові сріблясті хмари, які в північній півкулі Землі можна спостерігати короткими літніми ночами з травня по серпень над північним горизонтом. Закінчується мезосфера мезопаузою на висоті приблизно 85 км. У високих широтах температура мезопаузи змінюється від -120°C влітку до -50° взимку.
У літні місяці з збільшенням вертикальних температурних градієнтів (вектор, своїм напрямком вказує напрямок найшвидшого зростання деякої величини) в мезосфері над високими широтами, в т. ч . з-за досягнення максимальної температури стратопаузи внаслідок максимального притоку сонячної радіації, формуються висхідні потоки, які призводять до утворення тонких хмар, званих сріблястими. Сріблясті хмари формуються у верхній мезосфері на висоті приблизно 80 км над поверхнею Землі.
Верхній шар атмосфери називається іоносферою (термосферою). Тут температура знову починає зростати, причому до значних значень (до 500-1000° С в залежності від сонячної активності). Добові коливання температури тут складають сотні градусів. Але повітря тут настільки розряджений, що поняття «температури» в нашому розумінні тут мало що значить. В іоносфері відбуваються такі прекрасні природні явища, як полярні сяйва.
Висота термопаузи залежно від сонячної активності змінюється від 200 до 500 км. Вище за 500 км визначення температури є дуже складним завданням з-за крайньої розрідженості цих самих верхніх меж земної атмосфери.
Атмосфера має величезне екологічне значення. Вона захищає живі організми від згубного впливу космічних випромінювань та ударів метеоритів, регулює сезонні і добові коливання температури, є носієм тепла і вологи. Якби на Землі не існувало атмосфери, то добові коливання температури на ній досягли б ±200 ºС. В атмосфері відбувається фотосинтез та обмін енергії й інформації – основні процеси біосфери.
Гідросфера – це водна сфера нашої планети, сукупність океанів, морів, вод континентів, льодовикових покривів. Загальний об'єм природних вод становить близько 1,39 млрд. км3 (0,025% усієї маси Землі). Води вкривають 71 % поверхні планети (361 млн. км2). Проте абсолютна більшість цієї колосальної маси - це гірко-солона морська вода, непридатна для пиття та технологічного використання. Прісна вода на планеті становить лише 2 % від її загальної кількості, причому 85 % її зосереджено в льодовикових щитах Гренландії й Антарктиди, айсбергах і гірських льодовиках. Лише близько 1 % прісної води – це річки, прісноводні озера й деяка частина підземних вод; саме ці джерела й використовуються людством для своїх потреб.
Для величезної кількості живих організмів, особливо на ранніх етапах розвитку біосфери, вода була середовищем зародження та розвитку. Хімічний склад морської води дуже схожий на склад людської крові – містить ті ж хімічні елементи й приблизно в тих же пропорціях. Це – один з доказів того, що предки людей, як і інших ссавців, колись жили в морі.
Величезну роль грають води в формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, у розвитку екзогенних процесів (схилових, карстових), перенесення хімічних речовин вглиб Землі та на її поверхні, транспортуванні забруднювачів навколишнього середовища.
Солоність океанічних вод становить 35 ‰ (тобто в 1 л океанічної води міститься 35 г солей). Найбільш солона вода в Мертвому морі – 260 ‰ (людина вільно лежить на поверхні цієї води, не занурюючись в неї), у Чорному морі – 18 ‰, Азовському – 12 ‰.
Хімічний склад підземних вод дуже різноманітний. За мінералізацією вони змінюються від прісних, що використовуються для пиття й водопостачання, до мінералізованих і навіть до ропи з солоністю 600 ‰ ; деякі мінералізовані підземні води мають лікувальні властивості.
Основним джерелом водопостачання для людства є річковий стік. Перше місце за цим показником посідає Бразилія з її гігантською повноводою річкою Амазонкою. Річковий стік складає в середньому 83,5 млрд. м3, а в посушливі роки зменшується до 48,8 млрд. м3. Річковий стік розподіляється по території нашої держави нерівномірно: 70 % стоку припадає на Південно-Західний економічний район, де мешкає лише 40 % населення. А на Донецько-Придніпровський та південний економічні райони, де живе 60 % населення й зосереджені найбільш водоємні галузі народного господарства, припадає лише 30 % стоку. У зв'язку з цим у багатьох районах півдня України відчувається гострий дефіцит води, для ліквідації якого доводиться перекидати воду каналами, будувати водосховища тощо.
Головним постачальником води для України є Дніпро. Інші річками, що забезпечують потреба у воді – Дунай, Дністер, Південний Буг, Тиса, Прут та ін. Стан води й повноводдя цих водних артерій залежать головним чином від стану їх притоків – малих річок, яких в Україні налічується близько 63 тис. Вони мають величезне значення - досить згадати, що 90 % населених пунктів республіки розташовані саме в долинах малих річок і користуються їхньою водою. Однак стан малих річок України викликає сьогодні велику тривогу. Понад 20 тис. їх вже зникло, пересохло. Це невідворотно веде до деградації великих річок, тому проблема їх збереження та оздоровлення - одна з найгостріших для нашої молодої держави.
Підземні води України мають не менше значення для забезпечення водою населення. Досить зазначити, що близько 70 % населення сіл і селищ міського типу задовольняє свої потреби в питній воді за рахунок ґрунтових вод (колодязі) чи глибших водоносних горизонтів (свердловини). Стан підземних вод України в цілому кращий, ніж поверхневого стоку, хоча місцями спостерігається забруднення їх стоками промислових підприємств, тваринницьких комплексів і т. д. В деяких промислових районах (Донбас, Кривбас) розвиток шахт і кар'єрів негативно впливає на якість і запаси підземних вод. За рахунок багаторічної відкачки води з цих об'єктів їхній рівень дуже знизився, а з деяких водоносних горизонтів вода зникла зовсім.
Вода виконує дуже важливі екологічні функції:
а) є найважливішою мінеральною сировиною, головним природним ресурсом споживання (людство використовує її в тисячу разів більше, ніж вугілля чи нафти);
б) є основним механізмом здійснення взаємозв'язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, ріст біомаси);
в) є головним агентом-переносником глобальних біоенергетичних екологічних циклів;
г) є основною складовою частиною всіх живих організмів (тіло людини, наприклад, на 70 % складається з води, а деякі організми, такі, як медуза чи огірок, містять у собі від 98 до 99 % води);
д) води Світового океану є основним климатостворюючим фактором, основним акумулятором сонячної енергії і «кухнею» погоди для всієї планети.
Природні ресурси – сукупність об'єктів і систем живої і неживої природи, компоненти природного середовища, що оточують людину і які використовуються в процесі суспільного виробництва для задоволення матеріальних і культурних потреб людини і суспільства.
Був час, коли природні ресурси здавалися безмежними по відношенню до нечисленному людському суспільству, природні екосистеми справлялися з навантаженнями без виникнення помітних порушень у біосфері. Грізні симптоми проявилися близько двадцяти років тому, коли в деяких країнах вибухнула енергетична криза. Стало ясно, що ресурси енергоносіїв обмежені. В даний час серйозні проблеми виникли і з багатьма іншими природними ресурсами.
Класифікація природних ресурсів:
1. за походженням:
- ресурси природних компонентів (мінеральні, кліматичні, водні, рослинні, ґрунтові, тваринного світу);
- ресурси природно-територіальних комплексів (горничопромислові, водогосподарські, селітебні, лісогосподарські).
2. за видами господарського використання:
- ресурси промислового виробництва;
- енергетичні ресурси (горючі корисні копалини, гідроенергоресурси, біопаливо, ядерну сировину);
- неенергетичні ресурси (мінеральні, водні, земельні, лісові, рибні ресурси);
- ресурси сільськогосподарського виробництва (агрокліматичні, земельно-ґрунтові, рослинні ресурси - кормова база, води зрошення, водопою і змісту).
3. по виду вичерпності:
- вичерпні – це ресурси, кількість яких невпинно зменшується по мірі їх видобутку або вилучення з природного середовища. Вони в свою чергу діляться на:
* відновлювані природні ресурси здатні (через розмноження або інші природні цикли відновлення) до самовідновлення за терміни, співмірні з термінами їх споживання (чисте повітря, вода, рослинність, тваринний світ). Але завжди треба пам'ятати, що якщо темпи використання буду перевищувати темпи відновлення, вони теж можуть зникнути;
* невідновлювані (корисні копалини), які або взагалі не заповнюються в результаті природних процесів (залізо, мідь, алюміній), або їх запаси заповнюються повільніше, ніж відбувається їх споживання (нафта, вугілля, горючі сланці);
* не повністю поновлювані - ґрунт, деяка мінеральна сировина, дерева великого віку. Сантиметровий шар родючого ґрунту створюється живими організмами і процесами неорганічної природи протягом століть. Деякі мінеральні ресурси, наприклад солі, повільно осідають в озерах і морських лагунах.
- невичерпні – кількісно невичерпна частина природних ресурсів (енергія Сонця, вітру, морські припливи, поточна вода). Іноді сюди відносять і атмосферу і гідросферу, хоча при значних забрудненнях вони можуть переходити в категорію вичерпних.
4. по ступеню замінності:
- незамінні – природні ресурси, які не можуть бути замінені іншими (вода, світло, ґрунт);
- замінні – природні ресурси, які можуть бути замінені іншими наприклад, мінеральне паливо – сонячною, термоядерною або геотермальною енергією і ін.).
5. за критерієм використання:
- виробничі (промислові, сільськогосподарські);
- потенційно-перспективні (цілинні і перелогові землі);
- естетичні;
- рекреаційні (охорони здоров'я), що забезпечують відпочинок і відновлення здоров'я і працездатності людини;
- наукові – особливо охоронювані природні території, призначені для збереження і розмноження зразків (еталонів) незайманих біогеоценозів та ін.
При цьому часто діє правило інтегрального ресурсу – коли використання його в одних цілях утруднює або виключає використання в інших. Якщо в озеро спускають відходи виробництва, навіть більш або менш очищені, то це утруднює використання його з метою рибальства та оздоровлення населення.
Сучасні темпи економічного розвитку загострили проблему обмеженості природних ресурсів, виникла необхідність підвищення екологічних вимог до економіки. Саме економічний розвиток, з одного боку, породжує ряд гострих екологічних проблем, а з іншого – в самому економічному розвитку закладена основа для вирішення цих проблем. Розкрити суть протистояння економіки та екології – означає зрозуміти зв'язок суспільного виробництва і навколишнього середовища, так як без того й іншого людство не може існувати. Високі темпи економічного зростання і підвищення народного добробуту повинні поєднуватися із збереженням і безперервним поліпшенням навколишнього природного середовища.
Напрями раціонального використання і охорони природних ресурсів побудовані на наступних правилах:
1) темпи споживання відновлюваних ресурсів не повинні перевищувати темпів їх самовідновлення;
2) темпи споживання невідновлюваних ресурсів не повинні перевищувати темпів їх заміни відновлюваними ресурсами;
3) гранична інтенсивність надходження в природне середовище забруднюючих речовин з викидами, стічними водами і відходами не повинна перевищувати темпів їх переробки і знешкодження природних, водних і наземних екосистемах.
Охорона і відновлення природних ресурсів неможливі без локального та глобального екологічного моніторингу – вимірювання та контролю їх стану, розширення та збільшення кількості заповідних зон, унікальних природних комплексів, відновлення лісів, ефективної, максимально глибокої переробки вже видобутих корисних копалин, розвитку безвідходного виробництва.
ТЕМА 8. АНТРОПОГЕННИЙ ВПЛИВ НА ПРИРОДНЕ СЕРЕДОВИЩЕ
Антропогенний вплив на атмосферу.
Питання про вплив людини на атмосферу знаходиться в центрі уваги фахівців і екологів всього світу. І це не випадково, так як найбільші глобальні екологічні проблеми сучасності – «парниковий ефект», порушення озонового шару, випадання кислотних дощів, пов'язані саме з антропогенним забрудненням атмосфери. Охорона атмосферного повітря – ключова проблема оздоровлення навколишнього природного середовища. Атмосферне повітря займає особливе положення серед інших компонентів біосфери. Значення його для всього живого на Землі неможливо переоцінити. Людина може перебувати без їжі 5 тижнів, без води 5 днів, а без повітря всього лише 5 хвилин. При цьому повітря повинно мати певну чистоту і будь-яке відхилення від норми небезпечно для здоров'я.
Атмосферне повітря виконує складну захисну екологічну функцію, оберігаючи Землю від абсолютно холодного Космосу і потоку сонячних випромінювань. В атмосфері йдуть глобальні метеорологічні процеси, формуються клімат і погода, затримується маса метеоритів. Атмосфера має здатність до самоочищення. Воно відбувається при вимиванні аерозолів із атмосфери опадами, турбулентному перемішуванні приземного шару повітря, відкладення забруднених речовин на поверхні землі і т. д.
Однак у сучасних умовах можливості природних систем до самоочищення атмосфери серйозно підірвані. Під масованим натиском антропогенних забруднень в атмосфері стали проявлятися вельми небажані екологічні наслідки, в тому числі і глобального характеру. З цієї причини атмосферне повітря уже не в повній мірі виконує свої захисні, теплорегулюючі і життєзабезпечуючі екологічні функції.
Під забрудненням атмосферного повітря слід розуміти будь-яку зміну його складу та властивостей, яке робить негативний вплив на здоров'я людини і тварин, стан рослин і екосистем. Забруднення атмосфери може бути природним (природним) і антропогенних (техногенних).
Природне забруднення повітря викликано природними процесами. До числа природних джерел забруднення атмосферного повітря відносять пилові бурі, масиви зелених насаджень у період цвітіння, степові і лісові пожежі, виверження вулканів. Домішки, що виділяються природними джерелами:
- пил рослинного, вулканічного, космічного походження, продукти ерозії ґрунту, частинки морської солі;
- тумани, дим і гази від лісових і степових пожеж;
- гази вулканічного походження;
- продукти рослинного, тваринного, бактеріального походження.
Природні джерела зазвичай бувають майданними (розподільчими) і діють порівняно короткочасно. Рівень забруднення атмосфери природними джерелами є фоновим і мало змінюється з плином часу.
Антропогенне забруднення пов'язано з викидом різних забруднюючих речовин у процесі діяльності людини. За своїми масштабами вона значно перевершує природне забруднення атмосферного повітря.
Залежно від масштабів поширення виділяють різні типи забруднення атмосфери: місцеве, регіональне та глобальне. Місцеве забруднення характеризується підвищеним вмістом забруднюючих речовин на невеликих територіях (місто, промисловий район, сільськогосподарська зона та ін.) При регіональному забрудненні в сферу негативного впливу залучаються значні простори, але не вся планета. Глобальне забруднення пов'язане зі зміною стану атмосфери в цілому.
За характером забруднювача забруднення атмосфери буває трьох видів:
- фізичне: механічне (пил, тверді частки), радіоактивне (радіоактивне випромінювання та ізотопи), електромагнітне (різні види електромагнітних хвиль, у тому числі радіохвилі), шумове (різні гучні звуки і низькочастотні коливання) і теплове забруднення (наприклад, викиди теплого повітря тощо);
- хімічне: забруднення газоподібними речовинами і аерозолями. На сьогоднішній день основні хімічні забруднювачі атмосферного повітря це: оксид вуглецю (IV), оксиди азоту, діоксид сірки, вуглеводні, альдегіди, важкі метали (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аміак, атмосферний пил та радіоактивні ізотопи;
- біологічне: в основному забруднення мікробної природи. Наприклад, забруднення повітря вегетативними формами і спорами бактерій і грибів, вірусами, а також їх токсинами та продуктами життєдіяльності.
За агрегатним станом викиди шкідливих речовин в атмосферу класифікуються на:
1) газоподібні (діоксид сірки, оксиди азоту, оксид вуглецю, вуглеводні та ін.);
2) рідкі (кислоти, луги, розчини солей та ін.);
3) тверді (канцерогенні речовини свинець та його сполуки, органічна та неорганічна пил, сажа, смолисті речовини та інші).
Антропогенні джерела первинного пилоутворення виникають в результаті наступних процесів:
- механічна обробка різних речовин (дроблення, шліфування, різання);
- транспортування сипучих матеріалів (навантаження, просіювання, перемішування);
- теплові процеси та процеси горіння (спалювання, сушка, плавлення);
- знос і руйнування речовин (гальмівні колодки автомобіля, абразивний круг шліфувального верстата).
Рідкі забруднюючі речовини утворюються при конденсації парів, розпиленні або розливі рідин, у результаті хімічних або фотохімічних реакцій. Конденсація пари відбувається в результаті охолодження їх атмосферним оточуючим повітрям. В залежності від точки плавлення сконденсовані пари при низьких температурах можуть переходити в тверді частинки.
Газоподібні забруднюючі речовини утворюються в результаті хімічних реакцій окислення, відновлення, заміщення, розпаду, а також в процесі електролізу, випарювання, дистиляції. Найбільшу частину газоподібних викидів становлять продукти окислення, що утворилися в процесі горіння. При окисленні вуглецю утворюється СО і СО2, при окисленні сірки – SO2, азоту NО та NО2. При неповному згорянні в результаті неповного окислення утворюються альдегіди або органічні кислоти.
Антропогенні (техногенні) джерела забруднення атмосферного повітря, представлені головним чином викидами промислових підприємств і автотранспорту, відрізняються численністю і різноманіттям видів.
Джерела викидів промислових підприємств бувають стаціонарними, коли координати джерела викиду не змінюється в часі, і пересувними (нестаціонарними).
Джерела викидів в атмосферу підрозділяють на точкові, лінійні і площинні. Точкові джерела – це забруднення, зосереджені в одному місці. До них відносяться димові труби, вентиляційні шахти, дахові вентилятори. Лінійні джерела мають значну протяжність. Це аераційні ліхтарі, лави відкритих вікон, близько розташовані дахові вентилятори. До них можуть бути також віднесені автотраси. У площинних джерелах видаляються забруднення розосереджені по площині промислового майданчика підприємства. До майданних джерел відносяться місця складування виробничих і побутових відходів, автостоянки, склади паливно-мастильних матеріалів.
Джерела викидів забруднюючих речовин в атмосферу поділяють на організовані та неорганізовані. З організованого джерела забруднюючі речовини надходять в атмосферу через спеціально споруджені газоходи, повітропроводи та труби. Неорганізований джерело виділення забруднюючих речовин утворюється в результаті порушення герметичності обладнання, відсутності або незадовільної роботи обладнання по відсмоктування газів і пилу, в місцях завантаження, вивантаження або зберігання продукту. До неорганізованих джерел відносять автостоянки, склади паливно-мастильних або сипучих матеріалів та інші площинні джерела.
Головні забруднювачі (поллютанти) атмосферного повітря, які утворюються в процесі виробничої та іншої діяльності людини – діоксид сірки (SO2), оксид вуглецю (СО), оксиди азоту (NОх), вуглеводні (СхНу) і тверді частинки. На їх частку припадає близько 98% у загальному обсязі викидів шкідливих речовин.
Оксид вуглецю (СО) – газ без кольору і запаху. У виробництві оксид вуглецю утворюється внаслідок процесів згоряння і відновлення: у ливарних цехах, термічних цехах, в топках теплоелектростанцій. Виробництво сталі супроводжується виділенням в атмосферу значної кількості газів та пилу. Виплавка 1 т сталі пов'язана з викидами в атмосферу 0,04 т твердих часток, 0,03 т діоксиду сірки, близько 0,05 т оксиду вуглецю.
Оксид вуглецю входить до складу вихлопних газів машин. Він утворюється переважно в бензинових двигунах при роботі на збагачених паливно-повітряних сумішах. Причиною виникнення оксиду вуглецю в цьому випадку є нестача кисню для повного окислення оксиду вуглецю, який входить до складу палива. Незначна кількість оксиду вуглецю, що утворюється під час роботи на бідних сумішах, в тому числі і на дизелях, є продуктом проміжного окислення вуглецю, який через нестачу часу на процес згоряння не встигає доокислитись до діоксиду вуглецю. Оксид вуглецю інертний і зберігається в повітрі до 5 років. Підвищення концентрації оксиду вуглецю виникає в тунелях, гаражах, інтенсивних транспортних потоків.
В організм людини проникає чадний газ за законом дифузії газів. Він потрапляє в кров через легені внаслідок різниці парціального тиску крові та альвеолярного повітря. Чим більше різниця, тим більше насичується кров оксидом вуглецю. Оксид вуглецю – високотоксична сполука. Поступаючи в організм, чадний газ зв'язується з гемоглобіном, утворюючи карбоксігемоглобін, який не здатний нести кисень. Внаслідок цього настає гіпоксія, а у важких випадках – аноксія (повна відсутність кисню). Однак оксид вуглецю не тільки порушує транспортування кисню. У присутності карбоксігемоглобіну неблокований кисень у крові посилює свою спорідненість з гемоглобіном, внаслідок чого ускладнюється відщеплення кисню від оксигемоглобіну і його віддача тканинам. Таким чином збільшується гіпоксія, обумовлена утворенням карбоксігемоглобіну.
При важкій фізичній роботі отруєння настає в 2-3 рази швидше. Утворення карбоксигемоглобіну – процес оборотний, через 3-4 години його вміст у крові зменшується у 2 рази.
Двоокис вуглецю (СО2) або вуглекислий газ – безбарвний газ з кислуватим запахом і смаком, продукт повного окиснення вуглецю. Є одним з парникових газів.
До антропогенних джерел емісії CO2 в атмосферу належать: спалювання викопних енергоносіїв для отримання тепла, виробництва електроенергії, транспортування людей і вантажів. До значного виділення CO2 наводять деякі види промислової активності, такі, наприклад, як виробництво цементу та утилізація газів шляхом їх спалювання в факелах.
Осушення боліт, підвищення кислотності вод, що веде до розкладання карбонатів, пригнічення фотосинтезу різноманітними забрудненнями – ось лише деякі причини порушення рівноваги між надходженням в атмосферу вуглекислого газу і його зв'язуванням. В результаті в останні десятиліття спостерігається стійка тенденція підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосферному повітрі.
Вуглекислий газ дуже негативно впливає на організм людини і є канцерогеном. Перебування в приміщенні з високою концентрацією СО2 може викликати слабкість, сонливість, головні болі, проблеми з концентрацією уваги, або навіть негативні зміни в крові. Внаслідок постійного впливу високих концентрацій СО2 відбувається збільшення кислотності крові, що веде до ацидозу. При цьому організм людини погано засвоює корисні речовини і мінерали, такі як, магній, кальцій, калій, натрій. Ацидоз – зсув кислотно-лужного балансу організму в бік збільшення кислотності (зменшення рН) може спровокувати такі захворювання як цукровий діабет, проблеми з опорно-руховим апаратом, проблеми серцево-судинної системи, загальну слабкість. Люди, які страждають астмою або алергією, особливо гостро піддаються негативному впливу вуглекислого газу.
При концентрації СО2 в повітрі вище 0,06% вже з'являються поодинокі скарги на якість повітря. При концентраціях 0,08-0,1% - кожен з тих, що знаходяться в приміщенні відчуває погіршення якості повітря.
Діоксид сірки (SO2) – безбарвний газ із гострим запахом. На його частку припадає до 95% від загального обсягу сірчистих сполук, що надходять в атмосферу від антропогенних джерел. До 70% викидів SO2 утворюється при спалюванні вугілля, мазуту – близько 15%. При концентрації діоксиду сірки 20-30 мг/м3 подразнюється слизова оболонка рота і очей, у роті виникає неприємний присмак. Дуже чутливі до SO2 хвойні ліси. При концентрації SO2 у повітрі 0,23-0,32 мг/м3 в результаті порушення фотосинтезу відбувається всихання хвої протягом 2-3 років. Аналогічні зміни у листяних дерев відбуваються при концентраціях SO2 0,5-1 мг/м3.
Оксиди азоту (NОх) утворюються в процесі горіння при високій температурі шляхом окислення частини азоту, що знаходиться в атмосферному повітрі. Під загальною формулою NОх зазвичай розуміють суму NO і NO2. Основні джерела викидів NОх: двигуни внутрішнього згоряння, топки промислових котлів, печі. Іншим джерелом оксидів азоту є підприємства, що виробляють азотні добрива, азотну кислоту і нітрати, анілінові барвники, нітросполуки. NO2 – газ жовтого кольору, що надає повітрю в містах коричнюватий відтінок. Отруйна дія NО2 починається з легкого кашлю. При підвищенні концентрації кашель посилюється, починається головний біль, виникає блювота. При контакті NО2 з водяною парою, поверхнею слизової оболонки утворюються кислоти HNO3 і HNO2, що може призвести до набряку легень. Тривалість знаходження NО2 в атмосфері – близько 3 діб.
Основне техногенне джерело викидів вуглеводнів СхНу – пари бензину, метан, пентан, гексан) – автотранспорт. Його питома вага становить понад 50% від загального обсягу викидів. При неповному згорянні палива відбувається також викид циклічних вуглеводнів, що володіють канцерогенними властивостями. Особливо багато канцерогенних речовин міститься в сажі, що викидається дизельними двигунами. З вуглеводнів в атмосферному повітрі найбільш часто зустрічається метан, що є наслідком його низької реакційної здатності. Вуглеводні володіють наркотичною дією, викликають головний біль, запаморочення. При вдиханні протягом 8 годин парів бензину з концентрацією понад 600 мг/м3 виникають головні болі, кашель, неприємні відчуття в горлі.
Крім головних забруднювачів, в атмосфері міст і селищ спостерігається ще більше 70 найменувань шкідливих речовин, серед яких – формальдегід; фтористий водень; сполуки свинцю, ртуті, кадмію; аміак; фенол; бензол; сірковуглець та ін. Однак саме концентрації головних забруднювачів (діоксид сірки та ін.) найбільш часто перевищують допустимі рівні в багатьох містах України.
Аерозолі – це тверді або рідкі частинки, що знаходяться в зваженому стані в повітрі. Тверді компоненти аерозолів у ряді випадків особливо небезпечні для організмів, а в людей викликають специфічні захворювання. В атмосфері аерозольні забруднення сприймаються у вигляді диму, туману, імли або серпанку. Значна частина аерозолів утворюється в атмосфері при взаємодії твердих і рідких частинок між собою або з водяною парою. Середній розмір аерозольних частинок складає 1-5 мкм. В атмосферу Землі щорічно надходить близько 1 км3 пилоподібних частинок штучного походження. Велика кількість пилових частинок утворюється також у ході виробничої діяльності людей.
Основними джерелами штучних аерозольних забруднень повітря є ТЕС, які споживають вугілля високої зольності, збагачувальні фабрики, металургійні, цементні, магнезитові і сажеві заводи. Аерозольні частинки від цих джерел відрізняються великою різноманітністю хімічного складу. Частіше всього в їх складі виявляються з'єднання кремнію, кальцію і вуглецю, рідше – оксиди металів: заліза, магнію, марганцю, цинку, міді, нікелю, свинцю, сурми, вісмуту, селену, миш'яку, берилію, кадмію, хрому, кобальту, молібдену, а також азбест.
До найважливіших екологічних наслідків глобального забруднення атмосфери відносяться:
1) можливе потепління клімату («парниковий ефект»);
2) порушення озонового шару;
3) випадання кислотних дощів;
4) фотохімічний туман (зміг).
Можливе потепління клімату («парниковий ефект») виражається у поступовому підвищення середньорічної температури, починаючи з другої половини минулого століття. Більшість вчених пов'язують його з накопиченням в атмосфері так званих парникових газів – діоксиду вуглецю, метану, хлорфторвуглеводнів (фреонів), озону, оксидів азоту і т. д. Парникові гази перешкоджають довгохвильовому тепловому випромінюванню з поверхні Землі, тобто атмосфера, насичена парниковими газами, діє, як дах теплиці: вона пропускає всередину велику частину сонячного випромінювання, з іншого – майже не пропускає назовні тепло, яке перевипромінюється Землею.
Згідно з іншим думку, найважливішим фактором антропогенного впливу на глобальний клімат є деградація атмосфери, тобто порушення складу і стану екосистем внаслідок порушення екологічної рівноваги. Людина, використовуючи потужність близько 10 ТВт, зруйнував або сильно порушив на 60% суші нормальне функціонування природних спільнот організмів. В результаті з біогенного круговороту речовин вилучена значна їх маса, яка раніше витрачалося біотою на стабілізацію кліматичних умов.
Порушення озонового шару – зниження концентрації озону на висотах від 10 до 50 км (з максимумом на висоті 20 - 25 км), місцями до 50% (так звані “озонові дірки”). Зниження концентрації озону знижує здатність атмосфери захищати все живе на землі від жорсткого ультрафіолетового випромінювання. В організмі людини надлишкове ультрафіолетового опромінення викликає опіки, рак шкіри, розвиток очних захворювань, пригнічення імунітету і т. д. Рослини під впливом сильного ультрафіолетового випромінювання поступово втрачають свою здатність до фотосинтезу, а порушення життєдіяльності планктону призводить до розриву трофічних ланцюгів біоти водних екосистем і т. д.
Випадання кислотних дощів викликано з'єднанням з атмосферною вологою газоподібних викидів в атмосферу діоксиду сірки і оксидів азоту з утворенням сірчаної та азотної кислот. В результаті опади виявляються підкисленими (рН нижче 5,6). Сумарні світові викиди двох головних забруднювачів повітря, викликають закислення опадів – складають щорічно більше 255 млн. т. На величезній території природне середовище окислюється, що дуже негативно відбивається на стані всіх екосистем, причому екосистеми руйнуються при меншому рівні забруднення повітря, ніж той, який небезпечний для людини.
Небезпеку представляють, як правило, не самі кислотні опади, а протікають під їх впливом процеси: з ґрунту вилуговуються не тільки необхідні рослинам поживні речовини, але і токсичні важкі і легкі метали – свинець, кадмій, алюміній і ін. Згодом вони самі або через утворені ними токсичні сполуки засвоюються рослинами або іншими ґрунтовими організмами, що веде до дуже негативних наслідків. П'ятдесят мільйонів гектарів лісу в 25 європейських країнах потерпають від дії складної суміші забруднюючих речовин (токсичні метали, озон), кислотних дощів. Яскравим прикладом дії кислотних дощів служить закислення озер, особливо інтенсивно відбувається в Канаді, Швеції, Норвегії та на півдні Фінляндії. Пояснюється це тим, що значна частина викидів таких промислово розвинутих країн, як США, ФРН і Великобританія, випадає саме на їх територію.
Фотохімічний туман являє собою багатокомпонентну суміш газів і аерозольних частинок первинного і вторинного походження. До складу основних компонентів смогу входять озон, оксиди азоту і сірки, численні органічні сполуки перекісної природи, звані в сукупності фотооксидантами.
Фотохімічний смог виникає в результаті фотохімічних реакцій за певних умов: наявності в атмосфері високої концентрації оксидів азоту, вуглеводнів і інших забруднювачів, інтенсивної сонячної радіації і безвітря або дуже слабкого обміну повітря в приземному шарі при потужній і протягом не менш доби підвищеної інверсії. Стійка безвітряна погода, що зазвичай супроводжується інверсіями, необхідна для створення високої концентрації реагуючих речовин.
Такі умови створюються частіше в червні-вересні і рідше взимку. При тривалій ясній погоді сонячна радіація викликає розщеплення молекул діоксиду азоту з утворенням оксиду азоту і атомарного кисню. Атомарний кисень з молекулярним киснем дають озон. Здавалося б, останній, окислюючи оксид азоту, повинен знову перетворюватися в молекулярний кисень, а оксид азоту – в діоксид. Але цього не відбувається. Оксид азоту вступає в реакції з олефінами вихлопних газів, які при цьому розщеплюються по подвійному зв'язку і утворюють осколки молекул і надлишок озону. В результаті тривалої дисоціації нові маси діоксиду азоту розщеплюються і дають додаткові кількості озону.
Виникає циклічна реакція, у підсумку якої в атмосфері поступово накопичується озон. Цей процес в нічний час припиняється. У свою чергу озон вступає в реакцію олефинами. В атмосфері концентруються різні перекиси, які в сумі і утворюють характерні для фотохімічного туману оксиданти. Останні є джерелом так званих вільних радикалів, що відрізняються особливою реакційною здатністю.
Такі смоги – нерідке явище над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком і іншими містами Європи і Америки. За своїм фізіологічному впливом на організм людини вони вкрай небезпечні для дихальної і кровоносної системи і часто бувають причиною передчасної смерті міських жителів з ослабленим здоров'ям.
Залежно від географічних умов виділяють 3 типи смогу.
Лондонський тип смогу. Смог лондонського типу виникає в умовах помірного вологого клімату в перехідні сезони, при сильних туманах і температурі повітря, близькій до 0 °С. Основні забруднювачі – продукти згорання торфу, нафти, вугілля. При утворенні цього типу смогу знижується видимість, швидко наростає концентрація шкідливих речовин, повітря набуває неприємний запах. Лондонський тип смогу виникає взимку у великих промислових містах при несприятливих погодних умовах (відсутність вітру і температурна інверсія). Температурна інверсія проявляється в підвищенні температури повітря з висотою в деякому шарі атмосфери (звичайно в інтервалі 300-400 м від поверхні землі) замість звичайного зниження. В результаті циркуляція атмосферного повітря різко порушується, дим і забруднюючі речовини не можуть піднятися вгору і не розсіюються. Нерідко виникають тумани. Концентрації оксидів сірки, зваженої пилу, оксиду вуглецю досягають небезпечних для здоров'я людини рівнів, призводять до розладу кровообігу, дихання, а нерідко і до смерті. У 1952 р. в Лондоні від смогу з 3 по 9 грудня загинуло понад 4 тис. осіб, до 10 тис. чоловік тяжко захворіли. Наприкінці 1962 р. в Рурі (ФРН) зміг вбив за три дні 156 осіб.
Англійські фахівці зафіксували, що концентрація діоксиду сірки S02 у ті дні досягала 5-10 мг/м3 і вище при гранично допустимій концентрації (ГДК) цієї речовини в повітрі населених місць 0,5 мг/м3 (максимально разове значення) і 0,05 мг/м3 (середньодобове). Смертність в Лондоні різко зросла в перший же день катастрофи, а по закінченні туману вона знизилася до звичайного рівня. Також було встановлено, що раніше інших вмирали городяни старше 50 років, люди, які страждають захворюваннями легень і серця, а також діти у віці до одного року.
Лос-анджелеський тип смогу. Лос-анджелеський тип смогу, або фотохімічний смог, не менш небезпечний, ніж лондонський. Фотохімічний (Лос-Анджелеський) смог характерний для субтропіків з жарким літом і високими значеннями сонячної радіації (понад 2,0 кДж/см2*хв). Основними забруднювачами є вихлопні гази. Під впливом сонячної радіації і, насамперед ультрафіолетової її частини, відбуваються фотохімічні перетворення вихлопних газів. Каталізатором цих реакцій є озон О3.
Фотохімічні перетворення чадного газу СО, сполук азоту NOх, азотної кислоти НNО 3 призводять до утворення органічних перекисів (фотооксидантов), по своїй токсичності перевершують вихідні забруднювачі. Фотохімічний зміг має білий колір. В стабільних синоптичних умовах димова шапка такого смогу може зберігатися над містом до 270 днів.
Виникає він влітку при інтенсивному впливі сонячної радіації на повітря, насичений, а вірніше, перенасичений вихлопними газами автомобілів. У Лос-Анджелесі, вихлопні гази більше чотирьох мільйонів автомобілів викидають тільки оксидів азоту в кількості більш ніж тисяча тонн на добу. При дуже слабкому русі повітря або безвітрі в повітрі в цей період йдуть складні реакції з утворенням нових високотоксичних забруднювачів – фотооксидантів (озон, органічні перекиси, нітрити та ін.), які подразнюють слизові оболонки шлунково-кишкового тракту, легень і органів зору. Тільки в одному місті (Токіо) смог викликав отруєння 10 тис. осіб у 1970 р. і 28 тис. – у 1971 р. За офіційними даними, в Афінах у дні смогу смертність в шість разів вище, ніж у дні відносно чистої атмосфери. У деяких наших містах, особливо у тих, які розташовані в низинах, в зв'язку з зростанням числа автомобілів і збільшенням викиду вихлопних газів, що містять оксид азоту, ймовірність утворення фотохімічного смогу збільшується.
Смог зменшує кількість сонячної радіації в містах на 30-40%, майже повністю перешкоджає проникненню ультрафіолетової радіації. Інтенсивний смог викликає задуху, приступи бронхіальної астми, алергічні реакції, подразнення очей, пошкодження рослин, будівель.
Крижаний смог. Він зафіксований в полярному кліматі і виникає взимку, в умовах низьких температур (t < -35 °С), коли Сонце піднімається не більше ніж на 4-5 годин, і практично відсутній добовий хід температури. Забруднювачем є водяні пари штучного походження, які перетворюються в дрібні крижані кристали (5-10 мкм в діаметрі) і зменшують дальність видимості до 10 м. До водяних парів домішується двоокис сірки і при окисленні киснем повітря відбувається утворення сірчаної кислоти. Вперше такий вид смогу був відзначений в США в селищі Фербенкс на Алясці.
Антропогенний вплив на літосферу
Ґрунт – рихлий поверхневий шар земної кори, який утворився в результаті тривалого впливу на літосферу атмосфери, води, тварин і рослин. Ґрунт складається з добре виражених шарів – ґрунтових горизонтів, що розрізняються за структурою і кольором. Стан ґрунтів, ґрунтів має найважливіше значення для оцінки екологічного стану тієї чи іншої території, так як ґрунти являють потрійний інтерес: як початкова ланка харчових ланцюгів, як інтегральний показник екологічного стану навколишнього середовища і як джерело вторинного забруднення приземного шару атмосфери, поверхневих і ґрунтових вод. Крім вторинного негативного впливу на здоров'я населення через продукти харчування або забруднення вод і повітря, можливо і пряме вплив забруднених ґрунтів на здоров'я населення, особливо дітей, за рахунок безпосереднього контакту і надходження ґрунту в організм.
За поширеністю і токсикологічному впливу розрізняється забруднення ґрунтів неорганічними і органічними токсикантами. У групі неорганічних токсикантів особливе місце займають важкі метали, до яких умовно відносять хімічні елементи з атомною масою більше 50. Вважається, що серед хімічних елементів важкі метали є найбільш токсичними, оскільки володіють великим спорідненістю з фізіологічно важливими органічними сполуками, здатні до повільного накопичення в живих організмах, викликають негативний вплив на ріст і розвиток. Наприклад, надмірна кількість марганцю, міді, хрому, свинцю, нікелю та інших елементів, що містяться в ґрунтах поблизу великих промислових підприємств, знижує врожайність зернових на 20-30 %, картоплі – на 47 %, бобових – на 40 %. Тому боротьба з викидами промислових підприємств є одночасно способом боротьби за родючість ґрунтів. Основними органічними забруднювачами ґрунту є бензапірен, поліхлоровані біфеніли, хлорорганічні пестициди і нафтопродукти.
Слід зазначити, що ґрунти навколо великих міст і великих підприємств кольорової й чорної металургії, хімічної і нафтохімічної промисловості, машинобудування, ТЕЦ на відстані в кілька десятків кілометрів забруднені важкими металами, нафтопродуктами, сполуками сірки, свинцю та іншими токсичними речовинами, які в сукупності з побутовими відходами істотно впливають на хімічний склад ґрунту, викликаючи погіршення її якості. Також у ґрунті присутні канцерогенні речовини, які викликають пухлинні захворювання в живих організмів, в тому числі ракові. Основними джерелами забруднення ґрунту канцерогенними речовинами є вихлопи автотранспорту, викиди підприємств, продукти нафтопереробки.
Основні види антропогенного впливу на ґрунти наступні: 1. ерозія (вітрова та водна); 2. забруднення; 3. вторинне засолення і заболочування; 4. опустелювання; 5. відчуження земель для промислового та комунального будівництва.
Ерозія ґрунтів (від лат. «еros» – роз'їдання) – це руйнування і знесення верхніх найбільш родючих горизонтів і підстилаючих порід вітром (вітрова ерозія) або потоками води (водна ерозія). Землі, які зазнали руйнування в процесі ерозії, називають еродованими.
До ерозійних процесів відносять також промислову ерозію (руйнування сільськогосподарських земель при будівництві та розробці кар'єрів), військову ерозію (ями, траншеї), пасовищну ерозію (при інтенсивному випасанні худоби), іригаційну (руйнування ґрунтів при прокладці каналів та порушення норм поливів) та ін.
Однак найголовнішою проблемою землеробства у нас в країні і у світі залишаються водна ерозія (їй схильні 31% суші) і вітрова ерозія (дефляція), що активно діє на 34% поверхні суші. У США еродовано, тобто піддається ерозії, 40% усіх сільськогосподарських земель, а в посушливих районах світу ще більше – 60% від загальної площі, з них 20% - сильно еродовані. Ерозія має суттєвий негативний вплив на стан ґрунтового покриву, а в багатьох випадках руйнує його повністю. Знижується біологічна продуктивність рослин, знижуються врожаї і якість зернових культур, бавовни, чаю та ін.
Під вітровою ерозією розуміють видування, перенесення і відкладення дрібних ґрунтових часток вітром. Інтенсивність вітрової ерозії залежить від швидкості вітру, стійкості ґрунту, наявності рослинного покриву, особливостей рельєфу та інших факторів. Величезний вплив на її розвиток справляють антропогенні фактори. Наприклад, знищення рослинності, нерегульований випас худоби, неправильне застосування агротехнічних заходів різко активізують ерозійні процеси. Розрізняють місцеву (повсякденну) вітрову ерозію й пилові бурі. Перша проявляється у вигляді буревії і стовпів пилу при невеликих швидкостях вітру.
Пилові бурі виникають при дуже сильних і тривалих вітрах. Швидкість вітру досягає 20-30 м/с і більше. Найчастіше пилові бурі спостерігаються в засушливих районах (сухі степи, напівпустелі, пустелі). Пилові бурі безповоротно забирають самий верхній родючий шар ґрунтів; вони здатні розвіяти за кілька годин до 500 т ґрунту з 1 га ріллі, негативно впливають на всі компоненти навколишнього природного середовища, забруднюють атмосферне повітря, водойми, негативно впливають на здоров'я людини.
Поверхневі шари ґрунтів легко забруднюються. Великі концентрації у ґрунті різних хімічних сполук – токсикантів згубно впливають на життєдіяльність ґрунтових організмів. При цьому втрачається здатність ґрунту до самоочищення від бактерій і інших небажаних мікроорганізмів, що загрожує важкими наслідками для людини, рослинного та тваринного світу. Наприклад, у сильно забруднених ґрунтах збудники тифу і паратифу можуть зберігатися до півтора років, тоді як у незабруднених – лише протягом двох-трьох діб.
Основні забруднювачі ґрунту: 1. пестициди (отрутохімікати); 2. мінеральні добрива; 3. відходи і покидьки виробництва; 4. газодимові викиди забруднюючих речовин в атмосферу; 5. нафта і нафтопродукти.
В світі щорічно виробляється більше мільйона т. пестицидів. Тільки в Україні використовується понад 100 індивідуальних пестицидів при загальному річному обсязі їх виробництва – 100 тис. т. В Україні на одного мешканця у рік припадає близько 1 кг пестицидів, у багатьох інших розвинених промислових країнах світу ця величина істотно вище. Світове виробництво пестицидів постійно зростає.
До інтенсивного забруднення ґрунтів призводять відходи і відходи виробництва. В нашій країні щорічно утворюється більше мільярда т. промислових відходів, з них понад 50 млн. т. особливо токсичних. Величезні площі земель зайняті звалищами, золовідвалами та ін., які інтенсивно забруднюють ґрунти, а їх здатність до самоочищення, як відомо, обмежена. Величезної шкоди для нормального функціонування ґрунтів становлять газодимові викиди промислових підприємств.
Ґрунт має здатність накопичувати дуже небезпечні для здоров'я людини забруднюючі речовини, наприклад, важкі метали. Поблизу ртутного комбінату вміст ртуті в ґрунті з-за газодимових викидів може підвищуватися до концентрації, в сотні разів перевищують допустимі
Значна кількість свинцю містять ґрунту, що знаходяться в безпосередній близькості від автомобільних доріг. Результати аналізу зразків ґрунту, відібраних на відстані декількох метрів від дороги, показують 30-кратне перевищення концентрації свинцю в порівнянні з його вмістом (20 мкг/г) у ґрунті незабруднених районів.
Вторинне засолення і заболочування ґрунтів У процесі господарської діяльності людина може посилювати природне засолення ґрунтів. Таке явище носить назву вторинного засолення і розвивається воно при надмірному поливі зрошуваних земель в посушливих районах. У всьому світі процесів вторинного засолення та осолонцювання схильною близько 30% зрошуваних земель. Засолення ґрунтів послаблює їх внесок у підтримання біологічного кругообігу речовин. Зникають багато видів рослинних організмів, з'являються нові рослини галофіти (солянка та ін.). Зменшується генофонд популяцій наземних у зв'язку з погіршенням умов життя організмів, посилюються міграційні процеси.
Заболочування ґрунтів спостерігається в сильно перезволожених районах. Заболочування ґрунтів супроводжується деградаційними процесами в біоценозах, появою ознак оглеєння і накопиченням на поверхні залишків, що нерозкладаються. Заболочування погіршує агрономічні властивості ґрунтів і знижує продуктивність лісів.
Одним з глобальних проявів деградації ґрунтів, так і всієї навколишнього природного середовища в цілому, є опустелювання. Опустелювання – це процес незворотної зміни ґрунту і рослинності і зниження біологічної продуктивності, який в екстремальних випадках може призвести до повного руйнування біосферного потенціалу і перетворення території в пустелю. Всього в світі схильне до опустелювання більше 1 млрд. га практично на всіх континентах. Причини та основні фактори опустелювання різні.
Як правило, призводить до опустелювання поєднання кількох факторів, спільна дія яких різко погіршує екологічну ситуацію. На території, схильною до опустелювання, погіршуються фізичні властивості ґрунтів, гине рослинність, заселяються ґрунтові води, різко знижується біологічна продуктивність, а, отже, підривається і здатність екосистем відновлюватися.
Процес цей отримав настільки широке поширення, що з'явився предметом міжнародної програми “Опустелювання”. Опустелювання є одночасно соціально-економічним і природним процесом. Воно загрожує приблизно 3,2 млрд. га земель, на яких проживають більше 700 млн. чоловік. Особливо небезпечне становище склалося в Африці, в зоні Сахеля (Сенегал, Нігерія, Буркіна Фасо, Малі та ін.) - перехідний біокліматичної зоні (шириною до 400 км) між пустелею Сахара на півночі і саванною на півдні.
Ґрунтовий покрив агроекосистем необоротно порушується при відчуженні земель для потреб несільськогосподарського користування: будівництва промислових об'єктів, міст, селищ, для прокладки лінійно-протяжних систем (доріг, трубопроводів, ліній зв'язку), при відкритій розробці родовищ корисних копалин і т. д. За даними ООН, в світі тільки при будівництві міст і доріг щорічно безповоротно втрачається більше 300 тис. га орних земель. Звичайно, ці втрати в зв'язку з розвитком цивілізації неминучі, однак вони повинні бути скорочені до мінімуму.
Антропогенний вплив на гідросферу
Існування біосфери і людини завжди було засновано на використанні води. Людство постійно прагнуло до збільшення водоспоживання, надаючи на гідросферу величезна різноманітний тиск.
Проблема забезпечення людства питною водою нині надзвичайно загострилася, оскільки наявних ресурсів прісної води в багатьох країнах недостатньо для задоволення потреб споживачів не тільки у перспективі, але і в даний час. Всі галузі господарства стосовно до водних ресурсів поділяються на дві групи: водоспоживачі та водокористувачі.
Споживачі забирають воду з джерела, використовують її для виробництва промислової чи сільськогосподарської продукції, а потім повертають, але вже в іншому місці, в меншій кількості й іншої якості.
Користувачі воду з джерела не забирають, а використовують її як середовище (водний транспорт, рибальство, спорт і т. д.) або як джерело енергії (ГЕС). Причому вони також можуть змінювати якість води (наприклад, забруднення води водним транспортом). Промисловість використовує близько 20 % загального рівня прісної води та її використання. Кількість води, що використовується підприємством, залежить від типу продукції, технології виробничого процесу, системи водопостачання (прямоточною або зворотній), кліматичних умов і т. д.
У разі прямоточної системи водопостачання вода з водного джерела подається на промисловий об'єкт, використовується в процесі виробництва продукції, потім надходить на очисні споруди і після відповідної очищення скидається у водотік або водойму. При такій системі використовується велика кількість води, але частка необоротного водопостачання невелика.
При оборотній системі водопостачання відпрацьована вода після відповідної очищення не скидається у водойму, а багаторазово використовується у процесі виробництва. Витрати води при цьому набагато нижче.
Для оцінки промислового водоспоживання використовується термін водомісткість виробництва (кількість води (м3), необхідне для виробництва на одиницю (1 т, 1 кВт і т. д.) продукції. Найбільшим споживачем води в промисловості є атомна енергетика – АЕС споживають в середньому вдвічі більше води на 1 кВт виробленої електроенергії, ніж ТЕС. Сільське господарство є основним споживачем прісної води (70 % всього її використання). Втрати води в процесі зрошення (за рахунок випаровування) досягають 20-60 % водозабору. Водопостачання населення задовольняє потреби в питній воді й комунально-побутові потреби. Існує поняття питоме водоспоживання, тобто добовий об'єм води в літрах, необхідний для задоволення всіх потреб одного жителя міста або села. У містах воно вище і значною мірою залежить від ступеня впорядкованості (наявності водопроводу, каналізації, центрального водяного опалення.).
Під забрудненням водойм розуміють зниження їх біосферних функцій і екологічного значення в результаті надходження в них шкідливих речовин. Проявляється забруднення вод в зміні фізичних і органолептичних властивостей (зниження прозорості, зміна забарвлення, запаху, смаку), збільшенні вмісту сульфатів, хлоридів, нітратів, токсичних важких металів, скорочення розчиненого у воді кисню, появу радіоактивних елементів, хвороботворних бактерій і інших забруднювачів.
Основною причиною забруднення водних ресурсів є антропогенне забруднення. Основними його джерелами є:
- стічні води промислових підприємств;
- стічні води комунального господарства міст та інших населених пунктів;
- стоки систем зрошення, поверхневі стоки з полів та інших сільськогосподарських об'єктів;
- атмосферні випадіння забруднювачів на поверхню водойм і водозбірних басейнів, а також неорганізований стік води опадів (зливові стоки, талі води) забруднює водойми техногенними терраполлютантами, змитими з поверхні ґрунту.
Встановлено, що понад 400 видів речовин можуть викликати забруднення вод. У разі перевищення допустимої норми хоча б по одному з трьох показників шкідливості: санітарно-токсикологічному, загальносанітарному або органолептичному, вода вважається забрудненою.
Розрізняють хімічне, фізичне і біологічне забруднення. Хімічне забруднення – найбільш часто зустрічається, стійке і далеко поширюється. Воно може бути органічним (феноли, нафта і нафтопродукти, поверхнево-активні речовини (ПАР), пестициди), і неорганічним (солі, кислоти, луги, метали та їх сполуки). Більшість з них є токсичними (миш'як, сполуки ртуті, свинцю, кадмію і ін.). При осадженні на дно водойм або при фільтрації в пласті шкідливі хімічні речовини сорбуються частинками порід, окислюються і відновлюються, випадають в осад, але, як правило, повного самоочищення не відбувається. Осередок хімічного забруднення підземних вод в сильно проникних ґрунтах може поширюватися до 10 км і більше. У харчових ланцюгах поглинені планктоном забруднюючі речовини (ЗР) концентруються згідно із законом піраміди мас (енергій), на кожному наступному рівні, тобто в рибі, яка харчується цим планктоном, концентрація ЗВ перевищує в десять разів вміст його в планктоні і т. д. Так як ланцюги живлення у водоймах налічують 4-6 ланок, то в результаті в тканинах хижих риб (щука, судак) концентрація токсичних речовин може в тисячу разів перевищувати її концентрацію у воді, що небезпечно для птахів, інших тварин і людей. Наприклад, було встановлено, що вміст ртуті в балтійській трісці подекуди досягає 800 мг/кг маси, тобто з'ївши 5-8 таких рибин, людина одержує стільки ртуті, скільки її в медичному термометрі.
Бактеріальне забруднення виражається в появі у воді патогенних бактерій, вірусів (до 700 видів), найпростіших, грибів і т. д.
Радіоактивне забруднення створюється радіоактивними елементами; особливо шкідливі «довгоживучі» радіоактивні елементи, що володіють підвищеною здатністю до пересування у воді: стронцій-90, уран, радій-226, цезій і т. д. Потрапляють у поверхневі водойми при скиданні в них радіоактивних відходів, поховання відходів на дні і т. д. В підземні води уран, стронцій і інші елементи потрапляють в результаті випадання їх на поверхню землі у вигляді радіоактивних продуктів і відходів та подальшого просочування вглиб землі разом з атмосферними опадами, так і в результаті взаємодії підземних вод з радіоактивними гірськими породами.
Механічне забруднення характеризується потраплянням у воду різних механічних домішок (пісок, шлам, мул та ін.), які значною мірою погіршують органолептичні показники якості вод. Засмічення промисловими та побутовими твердими відходами, рештками лісосплаву та ін. погіршує якість вод, негативно впливають на середовище існування гідробіонтів і на стан екосистем.
Теплове забруднення вод пов'язано з підвищенням температури вод унаслідок їх змішування з більш нагрітими поверхневими або технологічними водами. При підвищенні температури відбувається зміна газового і хімічного складу у водах, що веде до розмноження анаеробних бактерій, зростання числа одних гідробіонтів і загибелі інших, виділення отруйних газів - сірководню, метану.
Під впливом забруднення прісноводних водоймах спостерігається зниження стійкості екосистем внаслідок порушення харчових зв'язків, мікробіологічного забруднення, антропогенної евтрофікації (різкого підвищення біопродуктивності масового розмноження фітопланктону, в першу чергу невибагливих синьо-зелених водоростей. «Цвітіння» води і поступове відмирання маси водоростей призводить до витрачання всіх запасів кисню і «вмирання» водойми. Причому евтрофікація викликається не отруйними ЗВ, а цілком нешкідливими домішками – частинками грунту і добривами).
ТЕМА 9. Екологічне законодавство України
Структура законодавства.
Екологічне законодавство України як самостійна галузь права почало формуватися в 1990 р. після прийняття Декларації про державний суверенітет України. У розділі цієї Декларації "Екологічна безпека" проголошено право України самостійно встановлювати порядок організації охорони природи на її території і порядок використання природних ресурсів. Через рік, у 1991 р. Верховна Рада України прийняла перший екологічний закон "Про охорону навколишнього природного середовища", який визначив правові, економічні та соціальні основи організації охорони навколишнього природного середовища в інтересах нинішнього і майбутніх поколінь.
Він виявився рамковим законом, на основі якого почалася розробка земельного, водного, лісового законодавства, законодавства про надра, про охорону атмосферного повітря, рослинного і тваринного світу та іншого спеціального законодавства.
Структура екологічного законодавства України має наступний вигляд:
- Загальні положення і принципи;
- Земельне законодавство;
- Водне законодавство;
- Лісове законодавство;
- Гірське законодавство;
- Фауністичне законодавство;
- Законодавство про охорону й використання атмосферного повітря;
- Законодавство про природні території і об'єкти особливої охорони;
- Законодавство про екологічну безпеку.
Основні норми екологічного законодавства закріплені в прийнятій в 1996 р. Конституції України.
З 159 статей Конституції України 15 статей мають пряме або опосередковане відношення до охорони природи, екологічної безпеки і природокористування. Це статті 3, 13, 14, 16, 49, 50, 66, 85, 92, 106, 116, 119, 132, 138, 142. У них закріплені основні екологічні права і обов'язки громадян, сформульовані повноваження законодавчої і виконавчої гілок державного управління. Таким чином, в Україні вперше створено надійний фундамент для зведення на ньому всієї системи екологічного законодавства. І хоча норми Конституції сформульовані в досить загальних термінах: забезпечення екологічної безпеки, підтримання екологічної рівноваги, не заподіяння шкоди природі, разом з тим ясно, що досягнення цих цілей можливо насамперед шляхом запобігання або мінімізації будь-яких негативних впливів людини на навколишнє природне середовище, що створюють екологічний ризик.
Ієрархію нормативно-правових актів можна подати в такому вигляді:
1. Міжнародні конвенції та угоди, прийняті Верховною Радою України;
2. Закони України;
3. Підзаконні акти Верховної Ради України;
4. Укази Президента України;
5. Нормативно-правові акти Кабінету Міністрів України;
6. Загальнообов'язкові акти Міністерства екології та природних ресурсів, інших міністерств і відомств;
7. Відомчі акти органів державного управління.
Регулювання екологічних правовідносин забезпечується також еколого-правовими нормами інших галузей законодавства цивільного, адміністративного, кримінального та ін. Вони, зокрема, визначають підстави та особливості залучення винних осіб до дисциплінарної, адміністративної, майнової та кримінальної відповідальності за екологічні правопорушення в залежності від провини, екологічного ризику, ступеня суспільної й екологічної небезпеки дій фізичних і юридичних осіб.
Характеристика екологічного законодавства
Кількість діючих нормативно-правових актів у країні безперервно збільшується, хоча в останні роки темпи зростання поступово знижуються. Всього в даний час діє понад 400 актів екологічного законодавства, у тому числі близько 80 законів і постанов Верховної Ради України, близько 40 Указів Президента, близько 250 постанов Кабінету Міністрів України. Для забезпечення їх виконання видано кілька сотень наказів міністерств і відомств.
Першим з часу створення і найбільш загальними і важливим за значенням рамковим законом, згідно з яким будується все екологічне законодавство України, є Закон України "Про охорону навколишнього природного середовища", прийнятий 25 червня 1991 р.
У преамбулі та статті 1 закону сформульовані цілі і завдання екологічного законодавства, що передбачають проведення такої екологічної політики, яка була б спрямована на збереження безпечною для існування живої і неживої природи навколишнього середовища, захист життя і здоров'я населення від негативного впливу, зумовленого забрудненням навколишнього природного середовища, досягнення гармонійної взаємодії суспільства і природи, охорону, раціональне використання і відтворення природних ресурсів. Сприяти досягненню цих цілей і покликане екологічне законодавство, в завдання якого входить регулювання суспільних відносин, пов'язаних з об'єктами правової охорони, визначеними у статті 5 закону. До таких об’єктів належать всі компоненти навколишнього природного середовища і вся сукупність природних ресурсів.
Важливо, що в законі наведені 14 основних принципів охорони навколишнього природного середовища (стаття 3). Однак, на жаль, багато з них практично в значній мірі до цього часу не реалізовані.
Це стосується, наприклад, пріоритетності вимог екологічної безпеки, обов'язковість дотримання екологічних стандартів, нормативів і лімітів використання природних ресурсів, гарантування екологічно безпечного середовища для життя і здоров'я людей. В даний час в Україні екологічні пріоритети відсунуто на другий план, про що свідчить хоча б те, що далеко не весь обсяг коштів, що надходять у державний і місцеві бюджети від зборів за використання природних ресурсів, викиди й скиди забруднюючих речовин і розміщення відходів, фактично використовується для зменшення впливу на навколишнє середовище основних джерел забруднення. При такому положенні справ ні про яке гарантування екологічно безпечного середовища не може бути й мови.
Принцип екологізації матеріального виробництва на основі комплексності екологічних і технічних рішень також реалізується далеко не повністю. Це пов'язано не тільки з тим, що процес впровадження новітніх технологій в Україні ще не набув скільки-або помітного розмаху, але і з тим, що в національному законодавстві навіть не згадується таке прийняте в розвинених країнах поняття, як "краща наявна технологія" (Best Аvailable Technology – BAT), яка є основою екологізації виробництва на Заході.
Задекларований у статті 3 закону принцип науково обґрунтованого узгодження екологічних, економічних і соціальних інтересів суспільства на основі об'єднання міждисциплінарних знань екологічних, соціальних, природничих і технічних наук і прогнозування стану навколишнього природного середовища носить чисто академічний характер і не знаходить серйозного втілення в дійсності. Проведення таких системних досліджень вимагає великих фінансових витрат, джерела яких в Україні в даний момент відсутні.
Дотримання низки інших принципів також важко визнати цілком задовільним. Це стосується демократизму при прийнятті управлінських рішень, формування у населення екологічного світогляду, науково обґрунтованого нормування впливу господарської та іншої діяльності на навколишнє природне середовище, поєднання заходів стимулювання та екологічної відповідальності. Проведення цих принципів в життя вимагає серйозних зрушень у менталітеті політичної та господарської еліти держави, у фінансовому, науковий і освітній забезпечення необхідних заходів. Одних формально правильних констатацій щодо державних екологічних програм (стаття 6), освіти й виховання (стаття 7) і наукових досліджень (стаття 8) явно недостатньо. Потрібна всіма відчутна політична воля представників всіх ланок державного та місцевого управління, починаючи з вищих ланок, не тільки чітко сформульована і оприлюднена, але і підкріплена конкретними ефективними діями, результати яких широко б висвітлювалися. Цього поки ще немає.
Екологічні права громадян та їх гарантії більш детально, ніж Конституції, виписані в статтях 9, 10, 11 закону. Однак доводиться визнати, що не всі з дев'яти пунктів статті 9 про права громадян здійснюються скрізь, завжди і в повній мірі.
Це відноситься до випадків порушення екологічної безпеки, відсутності чіткої і строго дотримуваною системи участі громадян в обговоренні проектів законодавчих актів, матеріалів, що стосуються розміщення, будівництва і реконструкції екологічно небезпечних об'єктів, недосконалість чинного порядку отримання повної та достовірної інформації про стан навколишнього природного середовища та його вплив на здоров'я населення. А право отримання відомостей про дії джерел забруднення (наприклад, підприємств) на навколишнє середовище взагалі цим законом не передбачено, хоча саме така інформація є найбільш актуальною. Практично залишається невідомим для широких верств населення, скільки судових позовів подали громадяни до державним органам або підприємствам про компенсацію шкоди, заподіяної з їх вини негативним впливом на навколишнє природне середовище, і які результати їх розгляду.
Розкриваючи конституційні норми екологічних обов'язків громадян, стаття 12 вимагає від громадян не порушувати екологічні права і законні інтереси інших суб'єктів, вносити плату (збори) за спеціальне використання природних ресурсів і штрафи за екологічні правопорушення.
У розділах III і IV закріплені повноваження законодавчої і виконавчої гілок органів державної влади у галузі охорони навколишнього природного середовища.
У рамковому законі також виписані норми щодо:
- спостереження, прогнозування, обліку та інформування;
- екологічної експертизи;
- стандартизації та нормування;
- контролю і нагляду;
- регулювання використання природних ресурсів;
- економічного механізму охорони навколишнього природного середовища;
- заходів екологічної безпеки;
- охоронюваних територій;
- надзвичайних екологічних ситуацій;
- спорів і відповідальності;
- міжнародних відносин.
Загальні положення рамкового закону отримали розвиток у Законі України "Про екологічну експертизу" (1995 р.), в окремих розділах інших законів: «Про охорону здоров'я» (1992 і 1994 рр.), «Про власність» (1991 р.), «Про підприємство і підприємництво» (1991 р.), «Про інформацію» (1992 р.), «Про оподаткування» (1991 р.); у Кодексі України про адміністративні правопорушення, в Кримінальному кодексі України та інших законодавчих актах.
З цією ж метою Кабінет Міністрів прийняв низку підзаконних актів. Серед них положення про порядок видачі дозволів на спеціальне використання природних ресурсів, встановлення лімітів їх використання, положення про державний моніторинг навколишнього природного середовища. Ряд постанов Кабінету Міністрів регулює діяльність екологічної інспекції.
У 1999 р. Кабінет Міністрів України затвердив нові нормативи збору за забруднення навколишнього природного середовища, а Мінекобезпеки та Державна податкова адміністрація затвердила Інструкцію про порядок обчислення і сплати цього збору, скасувавши колишню методику (1993 р.).
Земельне законодавство
Основним правовим документом, що регулює земельні відносини, є Земельний кодекс України (1990 р., зм. 1992 р.). Його мета – створення умов для раціонального використання та охорони земель, рівноправного розвитку всіх форм власності на землю і господарювання, збереження та відтворення родючості земель, поліпшення природного середовища, охорони прав громадян, підприємств, установ і організацій на землю.
Кодекс регулює питання власності на землю, її використання і оренди, визначає компетенцію органів державного управління у сфері регулювання земельних відносин.
У ньому містяться норми щодо вилучення (викуп) земель, плати за землю, прав і обов'язків власників землі та природокористувачів.
Більш докладно питання плати за землю розглянуті в окремому законі (1992 р., додатково. 1996 р.), яке визначило її розміри і порядок оплати, а також напрями використання отриманих коштів.
З екологічним законодавством пов'язані окремі розділи законів "Про колективне сільськогосподарське підприємство" (1992 р.), "Про селянське (фермерське) господарство" (1993 р.), "Про транспорт" (1994 р.).
Імплементація земельного законодавства забезпечується великим масивом підзаконних актів (близько 40). Серед них в 1993 р. Кабінетом Міністрів України затверджено положення про земельний кадастр і моніторинг земель.
Водне законодавство
Водні відносини в Україні регулюються Водним кодексом (1995 р.) та іншими актами законодавства. Їх мета – забезпечити збереження, науково обґрунтоване, раціональне використання вод, відтворення водних ресурсів, охорону вод від забруднення, засмічення і виснаження, запобігання шкідливих дій вод і ліквідацію їх наслідків, поліпшення стану водних об'єктів, а також охорону прав водокористувачів.
Кодекс встановлює, що води (водні об'єкти) є виключною власністю народу України та надаються тільки в користування.
У Водному кодексі визначена компетенція законодавчих і виконавчих органів влади у галузі регулювання водних відносин і участь у цьому громадян та їх об'єднань. У ньому регулюються питання стандартизації та нормування, а також всі питання водокористування і охорони вод. Тут такі визначені основні положення контролю, моніторингу та обліку вод, а також економічного регулювання водокористування. Деталізація цих положень здійснена в підзаконних актах «Про впровадження біотестування в систему контролю якості вод» (1992 р.), «Про порядок здійснення державного моніторингу вод» (1996 р.), «Про порядок обчислення збору за спеціальне використання водних ресурсів (тобто за забір води з водних об'єктів і скидання в них зворотньої води) і за використання вод для потреб гідроенергетики і водного транспорту» (1999 р.). Кабінет Міністрів також затвердив «Порядок розроблення і затвердження нормативів гранично допустимого скидання у водні об'єкти забруднюючих речовин і перелік нормованих речовин» (1996 р.), а також «Правила охорони внутрішніх морських вод і територіального моря від забруднення і засмічення» (1996 р.) і «Правила охорони поверхневих вод від забруднення зворотними водами» (1999р.).
Лісове законодавство
Лісові відносини в Україні регулюються Лісовим Кодексом (1994 р.) та іншими актами законодавства. Їх мета – забезпечити підвищення продуктивності праці, охорони і відтворення лісів, посилення їх корисних властивостей, задоволення потреб суспільства в лісових ресурсів на основі їх науково обґрунтованого раціонального використання.
Кодекс встановлює, що всі ліси є власністю держави. Земельні ділянки лісового фонду можуть надаватися у користування. Він визначає компетенцію законодавчих і виконавчих органів влади у сфері регулювання лісових відносин та участь у цьому громадян і їх об'єднань, а також права і обов'язки лісокористувачів.
Кодекс регламентує питання організації лісового господарства, використання лісових ресурсів та користування земельними ділянками лісового фонду, відтворення лісів і підвищення їх продуктивності, охорони лісів та їх захисту від шкідників і хвороб. У ньому передбачено стягування збору за використання лісових ресурсів та користування земельними ділянками лісового фонду, а також визначені заходи економічного стимулювання охорони, раціонального використання і відтворення лісів. Спеціальний розділ кодексу присвячений лісовпорядкуванню, державному лісовому кадастру. У Кодексі регламентовано порядок розгляду спорів і питання відповідальності за порушення лісового законодавства.
До числа основних підзаконних актів, які забезпечують імплементацію Лісового кодексу, можна віднести: «Санітарні правила в лісах України», «Правила рубок у лісах, їх відновлення і лісорозведення», «Порядок ведення державного обліку лісів і лісового кадастру», «Порядок регулювання використання лісів» (такс на деревину, такси для обчислення розміру шкоди, порядок видачі дозволів на спеціальне використання лісових ресурсів).
Гірниче законодавство
Гірничі відносини в Україні регулюються Кодексом України про надра (1994 р.), Гірничим законом України (1999 р.) та іншими актами законодавства. Їх мета – забезпечення раціонального, комплексного використання надр для задоволення потреб в мінеральній сировині та інших потреб суспільного виробництва, охорони надр, гарантування безпеки людей, майна та навколишнього природного середовища за користування надрами, а також охорони прав і законних інтересів підприємств, установ, організацій і громадян.
Кодекс встановлює, що надра є винятково власністю народу України та надаються тільки в користування. Він визначає компетенцію законодавчих і виконавчих органів влади у сфері регулювання гірничих відносин і передбачає участь громадян та їх об'єднань у здійсненні заходів щодо раціонального використання та охорони надр. Кодекс регулює питання надання надр у користування (у т. ч. ліцензування), визначає права та обов'язки користувачів надрами, встановлює порядок плати за користування надрами. У ньому є розділи, присвячені геологічного вивчення надр, їх державному обліку, проектування, будівництва і експлуатації гірничодобувних і інших об'єктів, а також питань охорони надр, державного контролю і нагляду за веденням робіт з геологічного вивчення надр, їх використанням і охороною. У Кодексі регламентовано порядок розгляду спорів і визначені види порушень законодавства про надра.
До числа основних підзаконних актів, які забезпечують імплементацію гірничого законодавства, можна віднести такі документи, затверджені Кабінетом Міністрів України:
- «Перелік корисних копалин» (1994 р.);
- «Про платежі за користування надрами» (1996 р.);
- «Про затвердження базових нормативів плати та порядку їх внесення» (1997 р.);
- «Положення про порядок надання гірничих відводів» (1995 р.);
- Порядок державного обліку запасів родовищ, і проявів корисних копалин (1995 р.);
- «Положення про порядок здійснення державного гірничого нагляду» (1995 р.);
- «Порядок надання спеціальних дозволів (ліцензій) на користування надрами» (1995 р., змін. і доп. 1999 р.);
- «Положення про державний геологічний контроль» (1994 р.);
- «Про платежі за користування надрами» (1996 р.).
- «Про затвердження Класифікації запасів і ресурсів корисних копалин державного фонду надр» (1997 р.).
Фауністичне законодавство
Відносини в галузі охорони, використання і відтворення тваринного світу на території України (крім домашніх тварин) регулюються Законом України "Про тваринний світ" (1993 р., змін. і доп. 1996 р.) та іншими актами законодавства. Їх мета – збереження і поліпшення середовища перебування диких тварин, забезпечення умов постійного існування всього видового і популяційного різноманітності тварин у стані природної волі, неволі або в напіввільних умовах.
Закон дає визначення об'єктів тваринного світу, що відносяться до природних ресурсів загальнодержавного значення. Суб'єктом права загальнодержавної власності на тваринний світ є держава в особі Верховної Ради України. Закон встановлює право колективної та приватної власності на окремі об'єкти тваринного світу. У ньому сформульовані основні вимоги і принципи охорони, раціонального використання і відтворення тваринного світу, права і обов'язки громадян у цій області. У законі закріплені форми і види використання об'єктів тваринного світу, обов'язки користувачів.
Спеціальні розділи закону присвячені питанням забезпечення охорони тваринного світу, його моніторингу, державному обліку, кадастру і контролю. У законі перераховані види порушень законодавства, які тягнуть за собою дисциплінарну, адміністративну, цивільно-правову і кримінальну відповідальність.
З метою забезпечення імплементації фауністичного законодавства прийнятий ряд законодавства прийнятий ряд підзаконних актів:
Кабінет Міністрів України затвердив:
- «Положення про порядок ведення державного кадастру тваринного світу» (1994 р.);
- «Положення про мисливське господарство та порядок ведення полювання» (1996 р., змін. і доп. 1997р.);
- «Тимчасовий порядок ведення рибного господарства і рибної ловлі» (1996 р.)
- «Порядок внесення плати і нормативи плати за спеціальне використання диких тварин, рибних та інших водних живих ресурсів» (1996 р.)
- Інші нормативні документи, у тому числі що стосуються економічного регулювання (такси, розміри компенсації за заподіяний збиток).
Розроблені відповідні інструкції для органів управління і природокористувачів.
Атмосферне повітря
Правові та організаційні основи та екологічні вимоги в галузі охорони атмосферного повітря визначає Закон України "Про охорону атмосферного повітря" (1992р., змін. 2001 р.).
Закон спрямований на збереження та відновлення природного стану атмосферного повітря, створення сприятливих умов для життєдіяльності, забезпечення екологічної безпеки та запобігання шкідливому впливу атмосферного повітря на здоров'я людей та навколишнє природне середовище.
Закон регламентує питання стандартизації і нормування в галузі охорони атмосферного повітря, заходи по його охороні (регулювання викидів, організаційно-економічні заходи, вимоги до проектування, будівництва та реконструкції підприємств та ін.). У ньому розглянуто питання контролю, обліку та моніторингу, а також перераховані види правопорушень, що тягнуть за собою відповідальність згідно з законом.
З метою імплементації цього закону прийнятий ряд підзаконних актів.
Кабінет Міністрів України затвердив:
- «Положення про порядок встановлення рівнів шкідливого впливу фізичних та біологічних факторів на атмосферне повітря» (1993 р.);
- «Положення про порядок видачі дозволів на викиди забруднюючих речовин в атмосферне повітря стаціонарними джерелами» (1995 р.);
- «Положення про порядок здійснення державного обліку в галузі охорони атмосферного повітря» (1993 р.);
- «Порядок організації та проведення моніторингу в галузі охорони атмосферного повітря» (1999 р.).
Відразу ж були розроблені відповідні інструкції для органів управління і природокористувачів, у тому числі про ліміти викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря, про нормативи гранично допустимих викидів, про інвентаризації викидів забруднюючих речовин на підприємстві. Проте вже в 2001 р. було визнано за необхідне внести зміни і доповнення в Закон України "Про охорону атмосферного повітря", так і в підзаконні акти.
Згідно із Законом України від 21.06.2001 р. про внесення змін до Закону України "Про охорону атмосферного повітря" в даний час Мінприроди розробляє пакет нових підзаконних нормативних документів, в тому числі порядок і методику нормування викидів від стаціонарних джерел забруднення. В основу методики буде покладено встановлення норм викидів речовин на одиницю продукції, аналогічно тому, як це роблять в США. Дія старих нормативно-технічних документів у зв'язку з цим припиняється.
Території та об'єкти особливої охорони
Законодавство України про природні території і об'єкти особливої охорони (природоохоронне законодавство) включає Закони України "Про природно-заповідний фонд України" (1992 р.) і "Про виключну (морську) економічну зону України" (1995 р.), «Положення про Червону книгу України» (1992 р.), інші акти законодавства.
Ці акти визначають правові основи природоохоронної діяльності на територіях (акваторіях), що підлягають особливій охороні. У них регламентовані питання класифікації, форм власності, видів використання, управління, природоохоронних вимог, відповідальності за порушення законодавства.
Екологічна безпека
У розділі «Екологічна безпека» умовно об'єднані такі акти законодавства, які не увійшли до наведених вище розділів і перш за все, відносяться до хімічної та ядерної безпеки, а також до відходів. Основними нормативно-правовими актами є Закони України "Про статус і соціальний захист громадян, потерпілих внаслідок Чорнобильської катастрофи" (1991 р.), "Про пестициди і агрохімікати" (1995 р.), "Про використання ядерної енергії та радіаційну безпеку" (1995 р.), "Про поводження з радіоактивними відходами" (1995 р.), "Про цивільну оборону" (1993 р.), "Про надзвичайний стан" (1992 р.), "Про захист людини від впливу іонізуючих випромінювань" (1998р.), "Про відходи" (1998 р.).
З метою імплементації цих законів прийнятий великий пакет підзаконних актів, у тому числі постанови Кабінету Міністрів України: № 733 (15.09.93), № 117 (22.02.94), № 420 (13.06.95), № 440 (20.06.95), № 501 (07.07.95), № 554 (27.07.95), № 237 (21.02.96).
PAGE \* MERGEFORMAT77