Контрольная на тему: Загрязнение окружающей среды и основные его типы

СОДЕРЖАНИЕ 2 1. Загрязнение окружающей среды и основные его типы Источники загрязнения биосферы принято разделять на природные и промышленные. Природные   источники  загрязнения   вызваны   естественными   процессами   (извержением вулканов, почвенной пылью и др.), такие источники, как правило, локализованы и не являются определяющими для биосферы в целом.  Промышленные источники  загрязнения биосферы могут   оказывать   длительное   разрушительное   действие.   Эти   источники   разделяют   на материальные   (вещества),   включающие   механические,   химические   и   биологические загрязнения, и энергетические (физические). Общепринятая систематизация промышленных источников загрязнения биосферы приведена на схеме (рис.1). Рисунок 1 – Общепринятая систематизация промышленных источников загрязнения биосферы Непосредственными   объектами   загрязнения   служат   основные   сферы   обитания биотического   сообщества:   атмосфера,   вода,   почва.   Жертвами   загрязнения   являются составляющие   биоценоза:   растения,   животные,   микроорганизмы.   Всякое   загрязнение,   как правило, не всегда ощущается сразу и часто имеет скрытый характер, причем это может быть и   необязательно   прямой   выброс   в   природную   среду   вредных   веществ.   Например,   такой «безобидный»   процесс,   как   отвод   воды   из   водоемов   для   различных   хозяйственных   нужд, приводит   к   изменению   естественного   режима   температуры   (тепловое   загрязнение),   что затрагивает целый ряд взаимосвязанных процессов, характеризующих данную экологическую систему,   вплоть   до   полного   ее   уничтожения   (например,   катастрофа   Аральского   моря). Опасным при изменении любой экологической системы является появление не свойственных ей веществ. 3 Вещества, воздействующие на организм человека или экосистему, называют вредными веществами.  Степень   опасности   вредных   веществ   устанавливается   в   зависимости   от различных норм и показателей, и в первую очередь от предельно допустимой концентрации (ПДК) вредного вещества, под которой понимают концентрацию, не вызывающую каких­либо болезненных изменений в  организме человека. Естественно, что  оценка ПДК в различных средах должна производиться по­разному.  В воздухе:  ПДК в воздухе, мг/м3.  Это концентрация при работе в пределах всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений. Рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над площадкой, на которой  находятся места постоянного или временного пребывания работающих;  ПДКм.р. – предельно допустимая максимальная разовая концентрация вещества в   воздухе   населенных   мест,   мг/м3.  Это   концентрация   вредного   вещества   в воздухе,   которая   при   вдыхании   в   течение   20   мин   не   должна   вызывать рефлекторных реакций в организме человека;  ПДКць  –  предельно   допустимая   среднесуточная   концентрация   химического вещества   в   воздухе   населенных   мест,   мг/м3.  Эта  концентрация   не   должна оказывать   на   человека   прямого   или   косвенного   вредного   воздействия   при неограниченно долгом (годы) вдыхании.  В водной среде:  ПДКВ  –   предельно   допустимая   концентрация   вещества   в  воде   водоема  Эта хозяйственно­питьевого   и   культурно­бытового   водопользования,   мг/л. концентрация не должна оказывать прямого или косвенного влияния на органы человека   в   течение   всей   жизни   и   на   здоровье   последующих   поколений   и   не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.  В почве:  ПДКп – предельно допустимая концентрация вещества в пахотном слое почвы,  Эта   коцнентрация   не   должна   вызывать   прямого   и   косвенного мг/кг. отрицательного   влияния   на   соприкасающиеся   с   почвой   среды   и   здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы. 4  В продуктах питания:  ПДКп (ДОК) – предельно допустимая концентрация (допустимое остаточное количество) вещества в продуктах питания, мг/кг. При отсутствии ПДК в различных средах устанавливается  временный гигиенический норматив ВДК (ОБУВ)  – временно допустимая концентрация (ориентировочно безопасный уровень воздействия) вещества. Временный норматив устанавливается на определенный срок (два­три года). Если различные вещества могут оказывать сходное неблагоприятное воздействие на организм, то действует так называемый «эффект суммации»: С 1 ПДК 1  С 2 ПДК 2  ... С n ПДК n  1 , где: С1,С2,…Сn – концентрация вредных веществ, обладающих эффектом суммации; ПДК1 ПДК2, ..., ПДКn – предельно допустимые концентрации этих веществ. Таким   образом,   в   воздухе   населенных   пунктов,   цехов   предприятий   и   т.   д.   сумма отношений   концентрации   к   ПДК   веществ,   обладающих   эффектом   суммации,   не   должна превышать единицы. Процессы   загрязнения   в   широком   смысле   можно   классифицировать   следующим образом: 1) инградиентное  загрязнение   как   совокупность   веществ,   чуждых   данной экосистеме; 2) параметрическое  загрязнение,   связанное   с   изменением   качественных параметров окружающей среды; 3) биоценотическое  загрязнение,   заключающееся   в   воздействии   на   состав   и структуру популяций живых организмов; 4) антропологическое  загрязнение,   представляющее   изменение   экологических систем в процессе природопользования, связанном с оптимизацией природы в интересах человека. Вредные   вещества   проникают   в   организм   человека   чаще   всего   через   дыхательный тракт,   реже   через   пищеварительный   тракт   или   кожу.   Ингаляционный   путь   поступления наиболее опасен, так как огромная всасывающая поверхность легких, усиленно омываемых 5 кровью, позволяет ядам быстро и почти беспрепятственно проникнуть к жизненно важным центрам. 6 Вредные вещества могут оказывать на организм как местное, так и общее действие. Первое   –   это   результат   раздражения   тканей   в   месте   попадания.   Так   действуют   кислоты, щелочи, некоторые соли и газы (хлор, диоксид серы, хлороводород, аммиак). При общем действии яды всасываются в кровь, разносятся по организму и отравляют ткани и внутренние органы. К ним можно отнести пары ртути, сероводорода, оксид углерода и др. Степень ядовитости вещества характеризуют следующие факторы:  химическая структура;  свойства и физическое состояние вещества (летучесть, растворимость, дисперсность, агрегатное состояние);  концентрация вещества, длительность воздействия и температура;  комбинированное   действие   ядов,   причем   токсичность   каждого   из   них может   усиливаться   или   видоизменяться  (хлор   и  диоксид   серы,   метил меркаптан и диоксид серы). В   гомологическом   ряду   предельных   углеводородов   сила   наркотического   действия возрастает с увеличением числа атомов углерода в молекуле. Чем выше растворимость ядов в воде и других жидкостях, тем выше их токсичность. Хорошо растворимый хлорид бария высокотоксичен, а нерастворимый в воде сульфат бария не только не ядовит, но и используется в медицине как рентгеноконтрастное вещество. С повышением   дисперсности   увеличивается   токсичность   вещества.   Наиболее   опасны   яды, находящиеся в паро­ и газообразном состояниях. Если говорить о веществах, оказывающих наиболее вредное прямое воздействие на человека,   то   здесь   особую   опасность   представляют  канцерогенные   вещества,  то   есть   те, которые катализируют процесс развития опухолей, в том числе и злокачественных. Специфические проявления возникают в основном в городах при загрязнении среды фтором,   бериллием,   асбестом   (с   последующим   возможным   исходом   в   канцерогенез), марганцем   (хронические   пневмонии),   золой   ТЭС   и   котельных   (заболевания   легких), мышьяком и свинцом (нарушения со стороны желудочно­кишечного тракта). В частности, по имеющимся сведениям, в крови современных людей содержится свинца в сотни раз больше, чем по предельно допустимой норме. Между   тем   если   раньше   полагали,   что   существует   безопасный   уровень   свинца   в организме, то согласно  современной точке зрения воздействие  даже  малых его количеств непредсказуемо.   У   беременных   женщин   возможны   по   этой   причине   ранние   роды   или выкидыши, у женщин пожилого возраста свинец нарушает усвоение кальция. В особой же 7 опасности находятся дети в первые четыре года жизни, когда у них развивается головной мозг. Свинец,   по   оценке   медиков,   не   только   нарушает   нормальный   обмен   веществ   в организме   человека   в   силу   своей   высокой   токсичности,   но   и   вызывает   его   повышенную агрессивность, что чрезвычайно опасно в нашем социально неустойчивом мире (есть, кстати, версия, согласно которой особая агрессивность знаменитого римского императора Калигулы была вызвана и тем, что он хранил свое любимое вино в свинцовых сосудах). Постоянную   и   основную   экологическую   опасность   для   крупных   городов   России представляет современный автотранспорт. В составе отработанных газов любого бензинового двигателя содержится около 200 различных веществ, в том числе 3 % оксида углерода, 0,06 % оксида   азота,   углеводородов   и   бензопирена.   За   год   при   15   тыс.   км   пробега   автомобиль потребляет 4 т кислорода и выбрасывает в атмосферу 3 т диоксида углерода, 500 кг оксида углерода,   90   кг   углеводородов,   30   кг   оксида   азота.   Ежегодно   с   выхлопными   газами автомобилей   поступает   0,4   млн   т   свинца,   то   есть   практически   весь   выброс   свинца   в атмосферу.  В крупных  городах  на  долю  автотранспорта  приходится   от  50   до  80   %  всех загрязнений. В России  вклад в загрязнение воздуха по отраслям промышленности  распределяется следующим   образом   (действующее   производство   по   степени   совершенства   очистных сооружений):  черная металлургия – 35 %;  цветная металлургия – 20 %;  нефтехимия – 25 %;  промышленность стройматериалов – 15 %;  химическая промышленность – 5 %. С   переменами   в   Восточной   Европе   стала   публиковаться   ранее   засекреченная информация   о   воздействии   загрязнения   окружаю   щей   среды   на   здоровье   людей.   Так, исследования,   проведенные   Минздравом   Болгарии,   показывают,   что   среди   проживающих вблизи центров тяжелой промышленности уровень заболеваемости астмой и язвой желудка в девять раз выше, кожными болезнями – в четыре раза, гипертонией и неврозами – в три раза выше, чем среди тех, кто живет в относительно экологически чистых районах. 8 2. Биоценоз и характерные для него взаимосвязи Биогеоценоз (биоценоз). Это сообщество разных видов микроорганизмов, растений и животных,   заселяющее   определенные   места   обитания   и   устойчиво   поддерживающее биогенный   круговорот   веществ.   Поддержание   круговорота   в   конкретных   географических условиях – основная функция биогеоценоза. Она основана на пищевых взаимоотношениях видов,   формирующих   упорядоченную   трофическую   структуру   биогеоценоза.   В   состав биогеоценоза   с   необходимостью   входят   представители   трех   принципиальных   эколого­ функциональных групп живых организмов – продуцентов, консументов и редуцентов. В   конкретных   биоценозах   эти   три   группы   организмов   представлены   популяциями многих   видов,   состав   которых   специфичен   для   каждого   конкретного   сообщества. Функционально   же   все   виды   образуют   несколько   трофических   уровней:   продуцентов, консументов I порядка, консументов II порядка, редуцентов. Взаимоотношения между видами разных уровней образуют систему трофических цепей, лежащую в основе общей трофической структуры биоценоза. Обмен   веществ   строго   видоспецифичен.   Поэтому   разнообразие  видов   в   составе каждого   трофического   уровня,  а  следовательно,   и   в   составе   экосистемы  в  целом   имеет большое   биологическое   значение.  этим   обеспечивается   максимальная эффективность использования источников и форм энергии для синтеза первичной продукции  Во­первых, и   трансформации  вещества   на   разных   этапах   биогенного   круговорота,   вплоть   до   полной минерализации и повторного вовлечения в цикл. Во­вторых, многообразие однозначных по функции   в   биогеоценозе   видов   выступает   как   мощный   механизм   устойчивости   потоков вещества и энергии по пищевым цепям: в случае выпадения отдельных видов их место в преобразовании   вещества   и   энергии   может   быть   замещено   «аналогами»   из   того   же трофического уровня (рис. 2). Рисунок 2 – Функциональное замещение видов в составе биогеоценоза. А – исходная структура трофических целей; Б – структура после выпадения одного из видов 9 Таким   образом,   на   уровне   биогеоценозов   биологическое   разнообразие   реализуется через   расширение   набора   видов,   что   ведет   к   повышению   устойчивости   и   эффективности функционирования   биоценотических   систем.   Значение   биоразнообразия   настолько   велико, что   проблема   обсуждается   уже   на   международном   уровне   в   виде   обширной   программы, курируемой Международным союзом биологических наук. Обладая специфической функцией, структурой и комплексом механизмов адаптации (гомеостазирования),   биогеоценоз,   будучи   составной   частью   (субсистемой)   в   составе биосферы, в то же время представляет собой самостоятельную экологическую систему более низкого уровня. Иными словами, биогеоценоз есть система взаимодействующих популяций многих   видов   продуцентов,   консументов   и   редуцентов  (биоценоз),  функционирующая   в определенной среде (биотоп) и устойчиво осуществляющая биогенный круговорот веществ. Форма существования жизни – вид. С позиций геохимической роли вида его наиболее существенным   свойством   является   специфичность   обмена   веществ   с   внешней   средой. Устойчивое   участие   видов   в   биогенном   круговороте   веществ   в   составе   биогеоценозов осуществляется на уровне популяций. 10 3. Общие сведения о строение земли, биосфера Биосферой называют часть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Для этой особой оболочки Земли  наиболее  важными  являются три условия.  Во­первых,  в ней имеется   много   воды   в   жидком   состоянии,   что   автоматически   подразумевает   наличие достаточно плотной атмосферы и определенный диапазон температур. Во­вторых, на неё падает мощный поток лучистой энергии от Солнца. В­третьих, в ней имеются выраженные поверхности раздела между веществом в различных фазовых состояниях – газообразном, жидком и твёрдом. На высотах более 6–7 км, а также в центральных областях Антарктиды метаболизм (то есть обмен веществ) оказывается невозможен, и там жизнь существует только в виде спор бактерий и грибов. Это так называемые парабиосферные области. В современной биосфере солнечная энергия включается в биологический круговорот только через фотосинтез, осуществляемый организмами – носителями хлорофилла, а именно зелеными   и   пурпурными   бактериями,   синезелёными   водорослями,   фитопланктоном   и высшими растениями. Все эти организмы обитают в зоне, куда попадают лучи Солнца. Это атмосфера,   поверхность   суши,   верхний   слой   почвы   и   верхние   слои   воды.   В   водных экосистемах органическое вещество оседает в глубокие слои, перенося туда энергию и, тем самым, создавая возможность для жизни на больших глубинах. В почве также происходит вертикальный перенос вещества, а вместе с ним и энергии, что обеспечивает существование многочисленных редуцентов и детритофагов.  К настоящему времени накоплено множество доказательств того, что биосфера, да и наша планета в целом, обрела современный вид в результате длительной эволюции. Согласно более или менее общепринятой гипотезе Канта – Лапласа, развитой Отто Юльевичем Шмидтом (1891–1956), Земля, другие планеты и Солнце образовались   в   результате   гравитационного   сжатия   газопылевого   облака   около   4,6 миллиардов лет назад. Солнечная система – относительно молодое образование во Вселенной, возраст которой по современным представлениям составляет 15–25 миллиардов лет. Наша планета относится к группе внутренних, близких к Солнцу и сравнительно небольших планет. Главным   процессом   в   её   эволюции,   незавершённым   до   сих   пор,   является   гравитационное разделение веществ в её недрах, при котором тяжёлые вещества опускаются к центру Земли, а лёгкие – поднимаются к поверхности. Так сформировались ядро и оболочки Земли (рис. 3). 11 Рисунок 3 – Схема строения Земли по современным взглядам Согласно   современным   взглядам,   в   центре   Земли   образовалось   внутреннее   твёрдое ядро.   Его   материал   состоит   в   основном   из   железа,   которое,   несмотря   на   высокую температуру, удерживается в твёрдом состоянии благодаря гигантскому давлению. Радиус твёрдого ядра – около 1300 км. Вокруг него, на глубине от 3 до 5 тысяч км располагается жидкое ядро.  Мантия  простирается от твёрдой поверхности Земли до глубины 3000 км и состоит   главным   образом   из   силикатов,   то   есть   кислородных   соединений   кремния   и алюминия.   Наружная   её   часть   вместе   с   земной   корой   на   глубинах   до   80   км   называется литосферой.  Под   литосферой   имеется   слой   толщиной   около   300   км   с   пониженными жесткостью и вязкостью, называемый астеносферой. В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер   (1880–1930)   показал,   что   земная   кора   состоит   из   отдельных   литосферных   плит, медленно двигающихся друг относительно друга («дрейф материков») и как бы «плавающих» поверх астеносферы. Материковая кора существенно отличается  от океанической. Первая сложена   из   менее   тяжелых   минералов   и   достигает   75   км   в   глубину.   Океаническая   кора гораздо тоньше – порядка 10 км и состоит из тяжелых базальтов. Первоначально  при   образовании   Земля   была   холодной,   но   при   дальнейшем   сжатии потенциальная   энергия   тяготения,   переходя   в   тепло,   и   энергия   распада   долгоживущих радиоактивных изотопов урана, калия и тория вызвали разогрев её недр. Главный вклад (не менее 70 %) в нагревание был внесён гравитацией. За счёт теплового излучения в космос Земля потеряла за всю свою историю примерно 1/3 накопленного тепла. Благодаря нагреву вещество мантии ведёт себя как жидкость с гигантской вязкостью, в   которой   развиваются   медленные   конвективные   потоки,   образующие   замкнутые   ячейки. Скорости   движения   этих   потоков   составляют   1–10   см/год.   Внешне   эти,   чрезвычайно медленные  по сравнению  с человеческой  историей,  процессы проявляются  в движении  на 12 поверхности Земли литосферных плит и материков относительно друг друга и его следствиях – вулканизме и землетрясениях. Литосферные плиты надвигаются друг на друга, и в этих местах растут особо высокие горные цепи, такие как Гималаи или Кордильеры. Посредине океанических плит находятся срединно­океанические хребты – это как раз области восходящих потоков в мантии. Именно здесь   происходит   наращивание   океанической   коры,   которая   раздвигается   потом   в горизонтальном направлении, образуя на дне океанов  абиссальные равнины.  Атлантический океан, например, зародился примерно 200 млн лет назад и растёт со  скоростью 1–2 см/год. Глубоководное Красное море – зародыш нового океана, который образуется по мере того, как Аравийский полуостров дрейфует на север от Африки, вызывая землетрясения в Иране и Средней Азии. Океаническая кора, сталкиваясь с материковыми плитами, заглубляется под них,   наращивая   их   толщу.   На   линиях   этого   столкновения   возникают   гигантские глубоководные   океанические   желоба   шириной   в   десятки   и   длиной   в   сотни   и   тысячи километров с глубинами более 6 км. Наибольшая глубина (11 020 м) найдена в Марианском желобе на востоке Филиппинского моря. Энергия   трения   плит   друг   об   друга   выделяется   в   виде   тепла,   и   жидкая   лава, извергаемая   континентальными   вулканами,   не   есть   материал   астеносферы   или   верхней мантии, а есть результат плавления горных пород за счёт этой энергии. Новорожденная Земля не имела ни атмосферы, ни гидросферы5. В первый период её существования,   о   котором   у   нас   нет   каких­либо   прямых   данных,   вероятно,   имел   место активный   вулканизм   с   обильным   излиянием   базальтовой   лавы.   При   этих   извержениях образовались   первичные   атмосфера,   океан   и   земная   кора,   сходная   с   современной океанической   корой.   При   дегазации   изверженных   лав   выделялись   водяной   пар,   окиси углерода СО2 и СО, метан СН4, азот N2 (в небольшом объёме), аммиак NH3, сероводород H2S, сернистый газ  SО2, хлор С12  и хлористый водород НС1 (пары соляной кислоты), а также другие газы в относительно малых количествах. Первичная атмосфера была тонкой и почти не препятствовала  потере   тепла,  поэтому  средняя  температура  на  Земле  не  превышала   5°С. Благодаря этому водяной пар конденсировался, превращаясь в воду и образуя гидросферу. При   этом   аммиак,   хлористый   водород,   соединения   серы   и   углекислый   газ   обильно растворялись в формировавшемся океане. В результате реакций этих веществ с материалом дна образовывались соли, и таким образом мировой океан изначально становился солёным. Рост объёма мирового океана за счёт вулканизма продолжается и до сих пор. Лабораторные исследования показали, что в этом тёплом океане могло происходить множество химических реакций, ведущих к образованию аминокислот – «кирпичиков», из 13 которых строятся белки, и других органических соединений. Эта эпоха  (эон)  «химической эволюции» продолжалась примерно миллиард лет и получила название катархея. 14 Вероятно, важнейшим этапом химической эволюции явилось появление в начале зона архея веществ, способных к автокаталитическому синтезу, то есть молекул, способствующих появлению собственных копий. Скорее всего, это происходило путём деления материнской молекулы   на   дочерние   и   последующей   достройки   этих   дочерних   молекул.   Среди   этих органических молекул уже происходил естественный отбор на выживаемость, который привёл к   образованию   конгломератов,   состоявших   из   молекул   с   разными   функциями.   Так   или примерно так возникли первые живые организмы около 4 млрд лет назад. В   первичных   атмосфере   и   гидросфере   кислород   полностью   отсутствовал.   И   это   – очень  важное   обстоятельство.   С  одной   стороны,   в   присутствии   кислорода   –  мощнейшего окислителя органические молекулы  не могли существовать, так как они почти мгновенно превратились   бы   в   воду   и   углекислый   газ.   С   другой   стороны,   тонкая   бескислородная атмосфера   не   защищала   поверхность   Земли   от   жёсткого   ультрафиолетового   излучения Солнца, губительного для органического вещества. Поэтому жизнь возникла в океане, под защитой толщи водьг. Примерно 3,5 млрд лет тому назад появляются первые одноклеточные организмы, владеющие фотосинтезом, – синезелёные водоросли и бактерии. С этого момента живое  вещество   становится  геохимическим   фактором,  сильнейшим   образом  влияющим   на облик   Земли.   Освоившие   фотосинтез   организмы­продуценты   непосредственно   используют солнечную энергию, они захватывают мировой океан и в громадных количествах начинают выделять   кислород.   Наличие   в   гидросфере   растворённого   свободного   кислорода   создаёт возможность   для   появления   организмов,   живущих   за   счёт   окисления   органических   и неорганических   веществ.   Часть   этих   организмов   становится   редуцентами,   разлагающими аммиак с выделением молекулярного азота N2, который, будучи практически нерастворим в воде, поступает в атмосферу. Через   некоторое   время   выделяется   группа   организмов­консументов,   потребляющих готовую органику продуцентов. Здесь разделяются биологические царства. Продуценты не нуждаются в свободном движении,  и от них происходит царство растений,  а консументы должны  иметь   возможность  двигаться   в  поисках  пищи,  и  от них берёт начало царство животных. Благодаря   метаболизму   живых   организмов   океана   на   протяжении  протерозоя происходит постепенная смена первичной атмосферы на вторичную, состав которой близок к современному.   Уменьшаются   концентрации   аммиака   и   углекислого   газа,   их   сменяют свободные   азот   и   кислород.   Свободный   кислород   окисляет   СО,   СН4,  H2S  и  SО2,   и   их концентрации в атмосфере становятся ничтожными. В верхних слоях атмосферы молекулы кислорода О2 расщепляются и образуют озон Оэ согласно реакциям: 15 О 2  ( квант _ ультрафиол ета )  ;2 ООО  2 О 3 Озоновый слой начинает перехватывать жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца, и у живой материи появляется возможность выхода на сушу. Это и происходит примерно 500 миллионов лет назад. К этому времени жизнь в океане буквально кипит. Уже появились многочисленные моллюски и ракообразные, прибрежная зона заросла гигантскими водорослями, и, наконец, уже   существуют   первые   хордовые,   от   которых   произойдут   все   позвоночные.   Переход   от внешнего   скелета   (панциря)   к   внутреннему   носил   принципиальный   характер.   Ослабление пассивной защиты компенсировалось усилением подвижности и ловкости; кроме того, исчезла необходимость   в   периодической   полной   линьке   при   росте   организма,   что   дало   большую экономию дефицитных строительных веществ. Рост подвижности привёл к необходимости иметь хорошее устройство управления, то есть к появлению и развитию головного мозга. Первыми   сушу   стали   осваивать   растения   и   насекомые,   появились   двоякодышащие   рыбы, способные жить и на воздухе, и в воде, от которых, по­видимому, произошли земноводные (амфибии).  В  девоне  суша   полностью   заселяется,   и   видообразование   происходит   всё ускоряющимися   темпами.   Через   200   млн   лет   на   Земле   уже   господствуют   динозавры   – потомки первых пресмыкающихся.  Как и почему они практически полностью погибли 70 млн лет   назад,   до  сих  пор  идут   споры.  Остаётся   непонятным,   почему  катастрофа,  постигшая динозавров,   не   отразилась   столь   же   существенно   на   остальной   биоте?   Так   или   иначе, господство   в   животном   царстве   на   суше   захватили   теплокровные   млекопитающие,   а   в растительном – цветковые растения, и биосфера стала приобретать современный вид. Важнейший   вывод,   который   можно   сделать,   прослеживая   историю   биосферы   и анализируя её современный элементный состав, состоит в том, что живые организмы влияют на абиотические условия на Земле в такой же степени, как эти условия влияют на биоту. И, следовательно,   биосфера   представляет   собой   единую   динамическую   систему   из   живых организмов и абиотической среды их обитания, пронизанную глубокими обратными связями, изменения в которой происходят в ходе общей эволюции – биологической, химической и физической. 16 4. Экологическое равновесие и основные способы его поддержания Каждая   экосистема   –   это   динамическая   структура   из   сотен   и   даже   тысяч   видов продуцентов,   консументов   и   редуцентов,   которых   связывают   пищевые   и   непищевые отношения. Экосистема поддерживает свое существование за счет круговорота биогенов и постоянного   притока   солнечной   энергии.   Одна   из   причин,   позволяющих   экосистемам длительное время сохранять постоянный видовой состав, заключается в том, что отношения между всеми их компонентами находятся в динамическом равновесии. Равновесие   экосистемы   –   это   равновесие   популяций.   Стабильность   экосистемы предполагает, что численность популяции каждого входящего в нее вида остается более или менее неизменной. Устойчивое увеличение или уменьшение популяции приводит к изменению экосистемы. Стабильность популяции означает, что рождаемость и смертность находятся в равновесии, а они зависят от биотического потенциала и сопротивления среды   Сохранение или рост численности популяции зависит от  скорости размножения  и пополнения   половозрелого   состава  популяции   за   счет   потомства.   К   другим   важным факторам,   приводящим   к   увеличению   численности   популяций,   относится   способность животных мигрировать, а семян растений – рассеиваться в подходящие местообитания на новых   территориях,   наличие   защитных   механизмов   и   устойчивость   к   неблагоприятным условиям среды и болезням. Совокупность всех этих факторов, способствующих увеличению численности вида, называется его биотическим потенциалом. У большинства видов биотический потенциал достаточно высок и при благоприятных условиях среды рост численности популяции может быть очень быстрым. При этом говорят о популяционном взрыве. В природе такое наблюдается очень редко, так как вероятность того, что   все   условия   окажутся   благоприятными,   очень   мала.   Обычно   один   или   несколько абиотических   или   биотических   факторов   становятся  лимитирующими.  Сочетание   таких ограничителей   называется  сопротивлением   среды.  Сопротивление   среды   сильнее   всего действует на молодые особи. Как следствие изменение численности популяции зависит от соотношения   между   биотическим   потенциалом   (прибавлением   особей)   и   сопротивлением среды (гибелью особей): Изменение Биотический потенциал численности =      ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­. популяции Сопротивление  среды 17 Принцип   изменения   численности   популяции.  Изменение   численности   популяции какого­либо   вида   является   результатом   нарушения   динамического   равновесия   между   ее биотическим потенциалом и сопротивлением окружающей природной среды. Факторы   сопротивления  среды  зависят  от  плотности   популяции.   Если   плотность популяции растет, сопротивление среды увеличивается. Биотический потенциал многих видов зависит   от   определенной   минимальной,   т.   е.  критической   численности   популяции.  Если численность популяции становится ниже критической, вымирание данного вида становится практически неизбежно. Популяционное равновесие поддерживается системами «хищник – жертва» и «паразит – хозяин». Если эти системы разрушить, может произойти разрушение экосистемы. Особенно часто происходит разрушение экосистемы при интродуцировании в экосистему видов, ранее в   ней   не   существующих   из­за   отсутствия   хищников   и   паразитов   для   этого интродуцированного  (ввезенного) вида. Классический  пример:  кролики  в Австралию были завезены. На новом месте у них не оказалось естественных врагов – хищников и паразитов. Они размножались в таких количествах, что стали национальным бедствием. Со времени их появления в Австралии в XIX в. и до настоящего времени затрачены сотни миллионов, если не миллиарды долларов на борьбу с ними. Видовое разнообразие.  Как было ранее показано, различные виды организмов из­за неодинаковых  пределов  устойчивости по­разному реагируют на количественное изменение какого­либо фактора среды. Видовое разнообразие обеспечивает стабильность экосистемы. Высокая плотность одного вида повышает вероятность гибели значительного числа его особей при вспышке численности вредителей,  что может привести  к гибели  экосистемы.  Отсюда следует,   что   наиболее   устойчивой   будет   экосистема   со   многими   относительно малочисленными видами. Равновесие в системах «хищник – жертва» и «паразит – хозяин» не возникает автоматически, а устанавливается на протяжении многих тысяч и даже миллионов лет. За это время виды, вступающие в подобные отношения, адаптируются друг к другу и к среде своего обитания так, что естественные враги не уничтожают полностью популяцию своей жертвы, а ограничивают рост популяции при повышении ее плотности. Изменение  условий  воздействует   на некоторые  виды   неблагоприятно:  они  снижают численность, а иногда и вовсе исчезают из экосистемы. Другие виды от этого могут выиграть, и   их   численность   увеличивается.   Изменившиеся   условия   могут   позволить   включиться   в экосистему новым видам. Процесс вытеснения одних видов другими называется сукцессией. В результате сукцессии происходит постепенное превращение одних экосистем в другие. Различают первичную и вторичную сукцессии. 18 Первичная сукцессия  – процесс развития и смены экосистем на незаселенных ранее участках,   начинающийся   с   их   колонизации   (пример:   обрастание   голой   скалы   мхом   и впоследствии – развитие на ней леса). Вторичная сукцессия – восстановление экосистемы, когда­то уже существовавшей на данной  территории  (например,  восстановление   экосистемы   после  пожара).  Для  вторичной сукцессии  важно наличие с самого начала плодородного слоя почвы. Если он уничтожен, например, эрозией, сукцессия может пойти по типу первичной. Климаксовая   экосистема.  Сукцессия   завершается   стадией,   когда   все   виды экосистемы сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не   происходит.   Такое   равновесное   состояние   называется  климаксом,  а   экосистема   – климаксовой  (пример – Лосиный остров в Москве). Основные биомы Земли – климаксовые экосистемы. Экологическое нарушение – внезапное резкое увеличение численности одних видов за счет гибели других. Экологические нарушения возникают при вторжении в экосистему новых, интродуцированных  видов   (например,   при   интродукции   кролика   в   Австралию)   или непродуманном   воздействии   человека   на   природу   (например,   сброс   биогенов   в   водоем). Изменения экосистемы могут быть такими резкими,  что практически ни один ее исходный компонент не сохраняется. Тогда говорят о гибели данной экосистемы (пример – Аральское море).   Естественные   изменения   экосистем  проходят   по   типу   сукцессии;   вмешательство человека в экосистему часто приводит к ее экологическому нарушению, а то и к гибели. Приведем  примеры  человеческой   деятельности,  приводящей   к исчезновению   видов, экологическим нарушениям и гибели экосистем:  полное   уничтожение   природных   экосистем   ради   удовлетворения собственных   потребностей   (сведение   лесов   для   выращивания сельскяйственных   культур,   строительства   домов   и   т.   д.,   а   се   ради получения дров и древесины);  запруживание и прокладка каналов, что приводит к затоплению одних площадей и осушению других;  загрязнение во воздуха отходами производства;  преднамеренная случайная интродукция видов;  чрезмерный выпас домашнего скота;  сброс богатых нами сточных вод в природные водоемы;  преднамеренное уничтожение хищников;  использование пестицидов с непредсказуемыми побочными эффектами; 19  чрезмерно интенсивная охота, рыболовство и т. д. 20 5. Понятие экологической надежности системы Понятие экологии очень обширно, поэтому в зависимости от акцента на той или иной ее   задаче   меняется   и   сама   формулировка.   Для   «долгосрочного   употребления»   лучшим определением может быть, например, следующее. Экология  –  наука,  охватывающая  изучение   всесторонней   взаимосвязи   между организмами  и   окружающей  средой.  Под   всесторонней   взаимосвязью   обычно   понимают биологический,   физический,   химический,   социальный,   экономический   и   другие   факторы. Изначально   экология   –   биохимическая   наука,   поэтому   мы   довольно   часто   будем останавливаться на биологических аспектах экологии. Экосистема – основная функциональная единица в экологии, природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоемы), в которой   живые   и   неживые   компоненты   связаны   между   собой   обменом   веществ   и энергии. Любой   живой   организм   зависит   от   спектра   приземного   солнечного   излучения, температуры, влажности окружающей среды, химического состава воздуха, пищи и других факторов.   С   другой   стороны,   свободный   кислород   в   атмосфере   появляется   в   результате жизнедеятельности   растений,   плодородный   слой   почвы   –   по   сложный   продукт взаимодействия   климата,   влаги,   живых   организмов   с   верхними   слоями   горных   пород. Биогенное   происхождение   (то   есть   связанное   с   жизнедеятельностью   растений,   животных, микроорганизмов) имеют каменный уголь, торф, мел и др. В.И.   Вернадский   подчеркивал,   что  «биосфера   –   это   наружная   оболочка   Земли, область распространения жизни, включающая в себя «се живые организмы, а также всю неживую среду их обитания, при >том между косными природными телами и живыми веществами идет непрерывный материальный и энергетический обмен, выражающийся в движении   атомов,   вызванном   живым   веществом.   Этот   обмен   в   ходе   времени выражается   закономерно   меняющимся,   непрерывно   стремящимся   к   устойчивости равновесием».  Далее в основном рассматриваются общие закономерности взаимоотношений природы и человеческого общества. Сегодня   человеческое   общество   находится   на   пороге   того   этана   эволюции   нашей планеты, который называют  периодом ноосферы.  Ноосфера представляет собой связующее звено   между   космосом   и   Землей,   которое,   используя   приходящую   на   Землю   энергию, трансформирует мертвое вещество, создает новые формы материального мира, ускоряя все процессы,   протекающие   на   Земле.   Появление   жизни   –   это   естественный   этап   развития, который ознаменовал качественное изменение эволюции Земли как космического тела. 21 Переход биосферы в ноосферу предусматривает управление развитием как общества, так   и   биосферы.   Это   должно   не   только   исключить   всякие   отрицательные   последствия природопользования, но и исправить те, что уже имели место. Для этого необходимы: 1) текущий   учет  изменений  в  окружающей  среде  и  предотвращение  ухудшения качества окружающей среды; 2) прогноз  изменений   в  окружающей   среде   и  связанных   с  НИМР  экологических последствий. Для того чтобы управлять природопользованием, необходимо располагать данными о том, какая именно среда оптимальна дл; нормальных условий жизни человека. Экологические факторы среды, с которыми связан любой организм, делятся на две категории:  факторы неживой природы (абиотические);  факторы живой природы (биотические). Приспособительская   реакция   организмов   к   тем   или   иным   факторам   среды определяется степенью постоянства (периодичностью) воздействия этих факторов. А.С. Мончадский выделяет три основных фактора. 1. Относящиеся   к   явлениям   Солнечной   системы,   и   в   частности   связанные   с вращением Земли (смена времен года, суточная смена). Здесь имеется строгая периодичность, действовавшая еще до появления жизни на Земле, возникающие живые организмы должны сразу адаптироваться к этим факторам. 2. Факторы,   являющиеся   следствием   первичных:   влажность,   температура, давление, динамика растительной пищи, содержание растворенных газов в воде и др. 3. Факторы, не имеющие правильной цикличности, например стихийные явления. К   этим   факторам   относятся   и   антропогенные   (производимые   человеком)   воздействия   на окружающую   среду,   например   появление   примесей   в   воде,   почве,   воздухе,   связанное   с деятельностью промышленных предприятий. Для того чтобы адаптация живых организмов к новым   условиям   могла   наследственно   закрепиться,   требуется   длительное   эволюционное время, за которое сменятся сотни поколений. Живые организмы, как правило, не успевают выработать приспособительные реакции, то есть адаптация к непериодическим факторам у организмов невозможна. Ядовитые   и   вредные   вещества,   например   неочищенные   сточные   воды,   отбросы, выхлопные газы, радиоактивные вещества, биоциды и др., попав в экосистему, не исчезают бесследно. Даже низкие их концентрации, действуя долгое время, могут повредить человеку, 22 животным и растениям. Как показали наблюдения, некоторые яды могут передаваться  по пищевым цепочкам и сетям. Жизнедеятельность  всех   живых   организмов,  включая  человека,  представляет  собой работу,   для   осуществления   которой   требуйся   энергия.   Непрерывный   поток   солнечной энергии, воспринимаясь живыми клетоками, преобразуется в энергию химических связей. Химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим, то есть происходит последовательный упорядоченный поток вещества и энергии. Продукция фотосинтеза обеспечивает человека пищей, одеждой, энергией. Например, каменный   уголь   –   это   солнечная   энергия,   аккумулированная   в   продуктах   фотосинтеза растений прошлых геологических эпох. Экология, по сути дела, изучает связь между излучением и экологическими системами и   способы   превращения   энергии   внутри   системы.   Отношения   между   растениями   и животными, между хищниками и жертвами, не говоря уже о численности и видовом составе организмов   в   каждом   их   местообитании,   лимитируются   и   управляются   потоком   энергии, превращающейся   из   ее   концентрированных   (конкретных)   форм   в   рассеянные (невосстанавливаемые). Существует два основных механизма удержания, перераспределения и накопления энергии на Земле. 1. Механизм, характеризующий среду обитания: испарение, конденсация, градиенты плотности  в  атмосфере  и  в  океане,  геохимические  реакции,   эрозия и  др.  (геохимический круговорот веществ). Рисунок 4 – Объединенный механизм удержания, перераспределения и накопления энергии на 2. Механизм, характеризующий жизнедеятельность биообъектов: фотосинтез, дыхание Земле и др. Оба механизма можно представить единой схемой, изображенной на рис.  4. 23 Все типы экосистем регулируются теми же основными законами, которые управляют и неживыми системами, например техническими установками, машинами. Различие заключается в   том,   что   живые   системы,   используя   часть   имеющейся   внутри   них   энергии,   способны самовосстанавливаться, а машины приходится чинить, используя при этом внешнюю энергию. Когда излучение поглощается каким­либо предметом, последний нагревается, то есть энергия излучения переходит в энергию движения молекул, из которых состоит тело, причем, это касается любых физических полей и сред, взаимодействующих с ними. В частности, солнечное излучение сушей и водой поглощается по­разному, в результате возникают теплые и холодные области, что в свою очередь служит причиной образования воздушных   потоков,   которые,   например,   могут   вращать   ветряные   двигатели   и   выполнять другую работу. Таким образом, «потребленная» энергия на самом деле не расходуется, она только переводится из состояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с малой возможностью использования. Если температура какого­либо тела выше температуры окружающего воздуха, то тело будет   отдавать   тепло   до   тех   пор,   пока   его   температура   не   сравняется   с   температурой окружающей   среды,   после   чего   наступает   состояние   термодинамического   равновесия   и дальнейшее рассеяние энергии в тепловой форме прекращается. 14 Энтропия   –   фундаментальное   понятие   термодинамики.   Понятие   энтропии   как показателя   термодинамической   искаженной   энергии   имеет   большое   значение   не   только   в физике, химии, биологии, но и в экологии для решения проблем, связанных с изменением состояния   окружающей   среды.   Энтропия   показывает,   что   тот   или   иной   процесс   может происходить в системе с определенной вероятностью. При этом, если система стремится к равновесному состоянию, энтропия увеличивается и стремится к максимуму. Применяя положения термодинамики к процессу жизнедеятельности, можно отметить, что живой организм извлекает энергию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей.   Часть   энергии   идет   на   поддержание   жизненных   процессов,   часть   передается организмам последующих пищевых уровней. В начале того процесса находится фотосинтез, при   котором   повышается  упорядоченность  деградировавших   органических  и   минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления энергии от Солнца. Само   существование   биосферы   можно   рассматривать   как   стационарный   процесс, реализуемый   на   фоне   грандиозного   необратимого   процесса   охлаждения   Солнца.   Если возникновение биологической структуры можно представить двумя стадиями:  биосинтезом составляющих элементов (макромолекул, клеток) и сборкой из них организованной системы, то процесс сборки находится в значительной степени под термодинамическим контролем, 24 поскольку   на   молекулярном   уровне   система   стремится   к   состоянию   с   наименьшим химическим   потенциалом.   Самоорганизация   и   эволюция   биологических   систем   на   всех уровнях,   начиная   с   клетки   и   кончая   биосферой   в   целом,   происходят   вследствие   оттока энтропии в окружающую среду. Согласно   второму   началу   термодинамики,   энергия   любой   системы   стремится   к уменьшению,   то   есть   к   термодинамическому   равновесию,   что   равнозначно   максимальной энтропии.   В   такое   состояние   живой   организм   перейдет,   если   лишить   его   возможности извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды. Закон энтропии универсален и безграничен и гласит, что утратившая чувство гармонии любая структура немедленно поглощается живой природой. Методы термодинамики применимы только к макроскопическим системам, состоящим из большого числа частиц. Система, которая не может обмениваться со средой ни энергией, ни   веществом,   является   изолированной   (камни,   шлаки);   если   происходит   обмен   только энергией,   то   система   называется   замкнутой   (теплообменники);   а   если   и   энергией,   и веществами – открытой (биообъекты). Рисунок 5 – Кинетика жизнедеятельности биообъектов При применении термодинамики  к биологическим  системам  необходимо учитывать особенности организации живых систем: 1) биологические системы открыты для потоков вещества и энергии; 2) процессы в живых системах в конечном счете имеют необратимый характер; 3) живые системы далеки от равновесия; 4) биологические системы гетерофазны и структурированны. Для   описания   свойств   биологических   систем   целесообразно   применение термодинамики необратимых процессов, которая рассматривает ход процессов во времени 25 (основатели   –   лауреаты   Нобелевской   премии   по   химии   Л.   Онзегер   и   И.   Пригожий). Фундаментальным понятием термодинамики необратимых процессов является стационарное состояние системы.  Процесс жизнедеятельности биообъектов сопровождается непрерывно идущими   биологическими   процессами,   выделяя   в   определенный   период   времени доминирующий (или тот же, измененный по времени) процесс. 26 Список литературы 1) Белов   Г.В.   Экологический   менеджмент   предприятия:   Учеб.   пособие.   –   М.: Логос, 2010. 2) Валова В.Д. Основы экологии: Учеб. пособие. – 2­е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский Дом «Дашков и К», 2011. 3) Гальперин   М.В.   Экологические   основы   природопользования:   Учебник.   –   М.: ФОРУМ: ИНФРА­м, 2009. 4) Павлов   А.Н.   Экология:   рациональное   природопользование   и   безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие / А.Н. Павлов. – М.: Высш. шк, 2011. 5) Шилов И.А. Экология: Учебник. – 2­е изд., перераб. и доп. – М.: Высш.шк., 2010. 27