Учебник Экология 9 класс Алексеев

Жизнь не является ... внешним случайным явлением Земной поверхности. Она теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых она не могла бы существовать. В. И. Вернадский с. в. Алексеев ЭКОЛОГИЯ с. в. Алексеев ЭКОЛОГИЯ УЧЕБНИК ДЛЯ 9 КЛАССА СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ Рекомендован Комитетом по образованию Администрации Санкт-Петербурга САНКТ-ПЕТЕРБУРГ СМИО ПРЕСС 1997 УДК 574 А 32 ББК 57.026 Рецензенты: Алексашина И. Ю., к.п.н., доцент СПбГУПМ Лавров С. Б., д. г. н., профессор СПбГУ Пономарева И. Н., д. п. н., профессор РШУ им. А. И. Герцена Кавтарадзе Д. Н., д. б. н., профессор МГУ Державина Т. Б., заслуженный учитель школы России Рекомендован Комитетом по образованию Администрации Санкт-Петербурга Алексеев С. В. А 32 Экология: Учебное пособие для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений разных видов. СПб.: СМИО Пресс, 1997. - 320 с.; ил. Учебное пособие посвящено изучению основных направлений современной экологии. В 9 классе учащиеся изучают основы классической, глобальной и социальной экологии. Пособие соответствует содержанию проектов образовательных стандартов (федерального и регионального) щкольного экологического образования. Учебное пособие предназначено для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений разных видов (школ, лицеев, гимназий, колледжей и др.). ISBN 5-7704-0005-6 © Алексеев С. В., 1997 г. © Гульковский Н. Н.,оформление обложки 1997 г. © «Симпозиум», 1997 г. © «СМИО Пресс», 1997 г. 2)ofioiue {ffUfabsi! C этого учебного года вы начинаете изучать одну из самых интересных, сложных и удивительных наук - экологию, которую иногда называют наукой о «собственном доме». Экология - наука комплексная, при ее изучении нам с вами потребуются знания из курсов географии, биологии, физики, химии, математики, права и др. Экология, первоначально возникшая как область биологии, сегодня превратилась в интегративную науку, и в этом новом статусе она является наукой молодой. Многие экологические проблемы в настоящее время не имеют однозначного ответа или решения, как это уже сложилось в традиционных, классических науках, таких, как физика, химия, математика и др. В связи с этим иногда на одну и ту же экологическую проблему имеются Интеграция (лат. integralio - восстанонление, восполнение, от integer - целый) - поня-IIIC, означающее состояние связанности отдельных частей в единое целое; процесс сближения и связи наук. 5 диаметрально противоположные взгляды разных ведущих ученых-экологов. Это, дорогие друзья, не должно вызывать у вас чувства растерянности - в науке такое случается часто. Будет чрезвычайно полезно, если на основе разных мнений вы сможете сформулировать свою точку зрения по поводу той или иной экологической проблемы. Каждый раздел пособия заканчивается перечнем основных вопросов для повторения, обобщения и систематизации знаний, а также тестовым контролем. С тестовой формой контроля знаний вы, несомненно, уже встречались раньще. В чем его смысл? Вам задается вопрос по определенной теме и предлагается несколько ответов, среди которых есть правильный. Ваща задача - определить правильный ответ. Будьте внимательны; может случиться, что правильного ответа вообще нет. Если вы в этом твердо убеждены, вам необходимо ответить, что «среди предложенных нет правильного ответа». Некоторые экологические эксперименты, описанные в учебном пособии, очевидно, будут продемонстрированы вам на уроке, а некоторые вы сможете провести самостоятельно на практических занятиях, дойа или за городом, во время полевого экологического практикума. Методики практических работ по курсу экологии вы найдете в учебном пособии «Практикум по экологии» под редакцией С. В. Алексеева (М.: АО МДС, 1996). Особое внимание обратите на законы, правила, принципы, вьщеленные автором графически или цветом. Автор будет очень признателен, если вы напищете ему, понравилось ли вам учебное пособие, изложите замечания, а может быть, и рекомендации по его улучщению. Нащ адрес; 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 11, Санкт-Петербургский государственный университет педагогического мастерства, факультет экологического и валеологического образования, кафедра экологического образования. 6 !PaccHiu(ibi6aetub нл icq — сажай ftuc. ТассчмЛы£аешь на qecsunb uetfl — сажай q^teSbA. !Рассчшйы£аешь на сЛс ле/Л — п/юс^ещай Moqm. Гуан Цзы, китайский мыслитель ВВЕДЕНИЕ Что изучает современная экология? Еще в глубокой древности для того, чтобы выжить, человеку необходимо было иметь определенные знания об окружающей среде, о силах природы, растениях и животных. Можно сказать, что цивилизация возникла тогда, коща человек научился использовать огонь и другие средства, позволивщие ему изменять среду своего обитания. |1лагодаря достижениям техники мы теперь, казалось бы, меньше зависим от природы в своих насущных потребностях и поэтому склонны забывать, что зависимость эта сохранилась. Подобно другим наукам, экология развивалась непрерывно, но неравномерно на протяжении всей истории человечества. Труды Гиппократа, Аристотеля и других древнегреческих философов содержат сведения экологического характера. Так, Аристотель (384-322 гг. до н. э.) описал свыще 500 видов известных ему животных и рассказал о них то, что знал: например, о периодической миграции и зимней спячке рыб, о перелетах птиц, о строительной деятельности животных, о паразитизме кукущки и т. д. Однако тогда греки не знали слова «экология». Этот термин был впервые использован немецким биологом Эрнстом Геккелем в работе «Всеобщая морфология организмов» (1866 г.). Слово «экология» происходит от двух греческих слов: oicos, что означает дом, родина, и logos - понятие, учение. В буквальном смысле экология - это «наука о местообитании». «Под экологией, - 7 писал Геккель, - мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего - его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология - это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин называет условиями, порождающими борьбу за существование». Быстрая экологизация естествознания и значительной части человекознания произошла в основном в 70-е годы XX в.; возникло не менее 50 различных отраслей экологии: глобальная, медицинская, радиационная, экология атмосферы, гидросферы, литосферы, экология человека, социальная экология и др. Экологический подход стал всеобщим, экология становится комплексной наукой. Поэтому сегодня дать точное, общепринятое определение термина «экология» достаточно трудно. Одни считают экологию частью биологии, изучающей взаимоотношения организма и среды; другие - комплексной наукой, исследующей среду обитания живых существ, включая человека; третьи - дисциплиной, изучающей общие закономерности функционирования экосистем различного уровня организации и т. д. Попробуем вместе проанализировать подходы ведущих отечественных и зарубежных экологов к определению экологии как науки. Попытайтесь самостоятельно вьщелить ключевые, самые важные слова, которые выражают сущность экологии. Р. Дажо: «Экология - это наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают». Э. Макфедьен: «Экология - это наука, изучающая популяции и характеризую- Эрнст Геккель (18341919) немецкий естествоиспытатель. Основные научные работы посвящены филогенезу растений и животных, зоологии беспозвоночных. 8 щаяся количественным подходом к исследованию природных явлений». Е. Одум: «Экология - это наука о структуре природы, характеризующаяся энергетическим подходом к исследованию природных явлений». Т. Льюис и Л. Тейлор: «Экология - это наука о том, как реагируют индивиды, популяции и сообщества популяций на изменение среды». П. Агесс: «Экология - наука не только естественная, она должна включать в себя и другие дисциплины, такие, например, как право, экономика, социология и т. д.». Н. П. Наумов: «Экология имеет дело с той стороной, которая обусловливает развитие, размножение и выживание особей, структуру и динамику образуемых ими популяций отдельных видов и, наконец, структуру и динамику сообществ разных видов». С. С. Шварц: «Современная экология - это наука о путях приспособления видовых популяций к изменяющимся условиям внещней среды, наука о становлении, преобразовании и развитии видовых популяций, о законах их интеграции в биологические системы более высокого порядка, специфически приспособленные к наиболее эффективному использованию энергии в конкретных условиях среды». Н. Ф. Реймерс: «В нынешней ситуации экология в современном расщиренном понимании далеко выщла за рамки биологической праматери - биоэкологии. Она превратилась в цикл знаний, по общественному значению и внутреннему содержанию равный циклам физико-математических, химико-биологических наук, наук о Земле и общественных наук». В Полном словаре Н. Уэбстера (1961 г., изд. 3) приведено следующее определение экологии: «Предмет экологии - это совокупность или структура связей между организмами и их средой». В Советском энциклопедическом словаре (1990 г.) экология определяется как «...наука об отнощениях растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и 9 с окружающей средой... Объектами экологии могут быть популяции организмов, виды, сообщества, экосистемы и биосфера в целом». Проанализировав все предложенные определения, можно заметить, что все они базируются на трех ключевых понятиях; «живые системы» (организмы, популяции, биоценозы), «взаимодействия» (взаимосвязи, взаимоотношения, взаимозависимости) и «окружающая среда» (среда обитания, внешняя среда). Экология - это комплексная наука, изучающая законы существования (функционирования) живых систем в их взаимодействии с окружающей средой. Краткая история развития экологии приведена в приложении №1. В истории развития концепции* современной экологии можно ■ / Основные этапы развития современной экологии (по Курьеру ЮНЕСКО, 1981 г.) ■ Концепция (от лат. conceptio - понимание) - система взглядов, принципов, основных положений. 10 вьщелить несколько основных этапов. Сначала под экологией понимали чисто биологические исследов^ия связей отдельных организмов между собой и окружающей средой (1-й этап). К середине 20-х годов термин «экология» стаЛ применяться к исследованию сообществ организмов (изучение трофических связей, экологических пирамид и др.) (2-й этап). К 50-м годам в науку введены понятия «биогеоценоз» (В. Н. Сукачев) и «экосистема» (А. Тенсли), которые стали рассматриваться как основные единицы научных исследований (3-й этап). Следующим щагом было признание в 70-х годах того факта, что наиболее уязвимой областью являются зоны, находящиеся на стыке различных экосистем, а глобальной экосистемой является биосфера (4-й этап). И, наконец, последним направлением явилось признание особой роли человека (общества) в трансформации биосферы (5-й этап), его ответственности за ее судьбу. В настоящее время в экологической науке наибольщее развитие получили следующие направления: ♦ классическая экология - изучает взаимодействие биологических систем с окружающей средой; ♦ глобальная экология - раскрывает единство и целостность биосферы как глобальной экосистемы; ♦ социальная экология - рассматривает взаимосвязи и взаимозависимости в системе «общество - окружающая среда»; ♦ геоэкология - изучает геосистемы разного уровня организации и их антропогенные изменения; ♦ экология человека - изучает природную сущность человека, среду его обитания, экологические факторы здоровья; ♦ прикладная экология - изучает взаимосвязи агроэкосистем, экосистем города, техносферы с окружающей средой; ♦ экологический мониторинг - это система наблюдения, оценки, анализа и прогноза состояния окружающей среды. Данное учебное пособие построено по этим основным направлениям развития науки. 11 : т ? ?, Г /Sonfiocbt и saqafiusL f. Что такое экология? 2. Почему до сих пор еще не существует единого общепринятого определения термина «экология»? 3. Перечислите основные научные направления современной экологии. У. Дайте характеристику основным этапам развития современной концепции экологии. 5. Сделайте графический рисунок (образ) вашего понимания экологии как науки. 12 f^e/a Jbt HU n^HUK SsiASUj ucturttUcufieMi HltuftaqtH — £aoqif мсизнь или 3ofu>qbtut жизни. A. Гумбольдт РАЗДЕЛ I КЛАССИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ Классическая экология изучает биологические системы, т. е. занимается исследованием органического мира на уровне отдельных особей (организмов), популяций, видов, биоценозов, биогеоценозов (экосистем) и биосферы. В связи с этим выделяют: ♦ аутэкологию (экологию особей); ♦ демэкологию (экологию популяций); ♦ эйдэкологию (экологию видов); ♦ синэкологию (экологию сообществ). Организм и окружающая среда 13 Популяция каланов Аутэкология (от греч. autos — сам) устанавливает пределы существования особи (организма) в окружающей среде, изучает реакции организмов на воздействия факторов среды, их приспособляемости к условиям среды обитания. Термин «аутэкология» был введен швейцарским ботаником К. Шретером в 1896 г. именно для обозначения экологии особей. Демэкология (от греч. demos — народ) изучает естественные группы особей одного вида - популяции, элементарные надорга-низменные системы. Ее важнейщей задачей является изучение условий формирования популяций, внутрипопуляционных взаи-моотнощений, динамики численности популяции. Эйдэкология (от греч. eidos - образ, вид) изучает вид как определенный уровень организации живой природы, как иадорга-низменную биологическую макросистему. Однако в связи с тем, что в этом направлении проведено еще недостаточно наз^ных исследований, эйдэкология в данном учебном пособии не рассматривается. 14 Экологическая система леса Синэкология (от греч. syn - вместе), или экология сообществ, изучает ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы, и взаимодействие их с окружающей средой. Термин «синэкология» предложил К. Шретер в 1902 г. 3oh,fioajft и satjafiUSL /. Назовите основные научные направления классической экологии. 2. Сформулируйте темы возможных аутэкологических, де-мэкологических и синэкологических исследований. 15 все. 4JH0 кос oкfUfжael^^, и ^се, ч/Яо смсобнм SocnftuHMtib каши 4if6criH£a. nfteqc^aeffi n^ieq нами б бис/е беасонечиого мнажеаЯва [шзнао6[1азных явлений, на KO/dofibie о6ы£а{нель cMOKi/uafi, несомненно, с гнем ^омгшим без^юзмччием. чем ^олее o^M.4HbtMu он их HoxotfuiA. но Kotfiafurte насЛояи^ий философ не молсе>н fiaccMotfi-fiuBoitib Jes UH‘iiefieca. У^и1вшнельна.я qeu-/Нельноань цафшн €о Sceit вселенной.. xotfLo-ftqfo не б соаноянии осла^шнь никакая нфичина. и See cqu^eaiii£qiou^ee. каже/нея. SeUHO Hoq4UHeHO HeoSxoquxtoutq излеенению. Ж. Б. Ламарк JJJ8J / ЭКОЛОГИЯ ОРГАНИЗМОВ (аутэкология) § 1. Предмет аутэкологии Как вы уже знаете, экология - это наука, изучающая взаимодействие живых систем между собой и с окружающей средой. Аутэкология в качестве живой системы рассматривает отдельный живой организм (животное, растение или микроорганизм), а среда - это все, что его окружает. Среда каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы и элементов, привносимых человеком в результате его хозяйственной деятельности. Одни элементы необходимы организму, другие ему практически безразличны, а третьи оказьшают на него вредное воздействие. Например, заяц-беляк в лесу вступает в определенные взаимоотнощения с воздухом, водой, пищей - без них он обойтись не может. Валун, ствол дерева, пень, кочка не оказьшают существенного влияния на его жизнь; заяц вступает с ними во временные, но не обязательные связи (укрьшается от непогоды, врага). А вот встреча с хищником или стихийное бедствие (пожар, наводнение) может закончиться для него трагически. 16 щф \^fY\ '' '^'/k%’‘'^9^ ^ 'o.-/' • >, 5^ .; / ^ Л ^ Влияние окружающей среды на живой организм К окружающей среде относится вся природная среда (возникшая на Земле вне зависимости от человека и унаследованная им от предшествующих поколений) и техногенная среда (т. е. среда, созданная человеком). Понятие «окружающая среда» было введено в экологию биологом Я. Юкскюлем (1864-1944), который считал, что живые существа и среда их обитания, субъект (кто изучает) и объект (кого или что изучают) взаимосвязаны между собой и образуют вместе единую систему - окружающую нас действительность. В процессе приспособления к окружающей среде организм, взаимодействуя с ней, отдает и принимает различные вещества, энергию, информацию. Концепция «окружающей среды» Я. Юкскюля положила начало экспериментальным исследованиям взаимоотношений животных того или иного вида со средой их обитания. Понятие «окружающая среда» в немецком языке (Umwelt) получило щи-рокое распространение лишь в последние годы. Однако понятие «окружающая среда» в английском языке (environment) появилось значительно раньше: его употребляли в близком к современному 2 Заказ 451 17 Карл Францевич Рулье -русский естествоиспытатель, биолог-эволюционист. Основоположник отечественной экологии и эволюционной палеонтологии значении уже в 60-х годах прошлого века. О «внешних элементах» по отношению к живому говорил и русский эволюционист к. Ф. Рулье (1814-1858). Понятия «окружающая среда», «среда жизни», «среда обитания» и «местообитание» очень близки по смыслу, но имеют определенные различия. Окружающая среда - это все, что окружает организм и прямо или косвенно влияет на его состояние и функционирование (развитие, рост, выживаемость, размножение и т. д.). Среда, обеспечиваюшая возможность жизни организмов на Земле, очень разнообразна. На нашей планете можно вьще-лить четыре качественно отличные среды жизни: водную, наземно-воздушную, почву и живой организм. Многие организмы проводят свое существование только в одной среде жизни. Например, человек, большинство птиц, млекопитающих, голосеменные и покрытосеменные растения являются обитателями только наземно-воздущной среды, больщинство рыб - одной водной среды жизни, тогда как ряд насекомых (комары, стрекозы, поденки), земноводные и другие проходят одну фазу своего развития в воде, другую - в наземно-воздушной среде. Такие представители насекомых, как майский жук, бронзовка, щелкун и др., нуждаются для своей жизни в наземно-воздушной и почвенной средах. Сами среды жизни также очень разнообразны. Например, вода как среда жизни может быть морской или пресной, текучей или стоячей. В этом случае говорят о среде обитания. Например, пруд (или река) является средой обитания в водной среде жизни. В свою очередь, в средах обитания различают местообитания. Так, в водной среде жизни, в среде обитания - озере, можно вьщелить местообитания: в толще воды, на дне, у поверхности и т. д. 18 Г( ;РЕДА жизни -ВОДНАЯ Среда обитания ПРУД (ОЗЕРО, ^ БОЛОТО) ^Местообитание Придонные слои (БЕНТОС) Среда жизни, среда обитания, местообитание Элементы среды, воздействующие на живой организм, называются экологическими факторами. Экологический фактор - это любой элемент среды, способный оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития. Важным свойством экологического фактора является его не-расчленяемость на более простые элементы среды. В качестве экологического фактора нельзя рассматривать глубину водоема или высоту местообитания над уровнем моря, т. к. глубина (высота) влияет на живые организмы через увеличение (понижение) давления, температуры и другие более простые элементы среды. Таким образом, именно температура, освещенность, давление, соленость и др. выступают в качестве экологических факторов среды, оказывающих непосредственное влияние на живые организмы. 19 ? Птичий базар -пример опосредованного действия экологического фактора Действие эколог'ическо-го фактора может быть не прямым, а опосредованным, т. е. в этом случае он воздействуег через mhoix)-численные причинно-следственные связи. Опосредованное воздействие эколо-гаческого фактора можно показать на примере птичьих базаров. Чем объясняется столь высокая плотность птичьего населения? Основную роль здесь играют биогенные вещества: помет птиц падает в воду; органика в воде минерализуется бактериями, в свя:щ с чем в данном месте концентрируются водоросли. Это, в свою очередь, ведет к повышению концентрации гшанк гонных организмов, в основном ракообразных. Последними питаются рыбы, а ими - птицы, населяющие базар. Таким образом, птичий помет в данном случае выступает в роли экологического фактора. iTttJ » Sonfioart и saqa/tuA /. Что изучает аутэкология? 2. Что такое окружающая среда, природная среда, техногенная среда? 3. Приведите примеры сред обитания и местообитаний для наземно-воздушной среды жизни. У. Что называется экологическим фактором? Приведите несколько примеров экологических факторов. 20 § 2. Уровни организации живых систем В экологаи вьщеляют следующие основные уровни организации живых (биологических) систем: молекулярный (генный), клеточный, тканевый, органный, организ-менный, популяционно-видовой, биоценотический, био-геоценотический (экосистемный), биосферный. На каждом уровне в результате взаимодействия с окружающей средой за счет обмена веществом, энергией и информацией возникают характерные функциональные системы. Под системой, согласно словарю Уэбстера, подразумевается «упорядоченно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое». Таким образом, основ- [компоненты иыми элемента-ми системы являются компоненты, связи, границы. Все живые системы являются открытыми системами, так как имеют обмен с внешней средой веществом, энергией, информацией. Рассмотрим основные уровни живых систем. Уровни OQflUnilBBI Ш—|ГГ сжим 21 ♦ Молекулярный (генный) - уровень, на котором биологаче-ская система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул - белков, нуклеиновых кислот, углеводов. С этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ, протекающий с превращением лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ, передача наследственности с помощью кодирующих структур (ДНК, РНК). Этому уровню свойственна устойчивость структур в поколениях. ♦ Клеточный - уровень, на котором биологически активные молекулы соединяются в единую систему. В отношении клеточной организации все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные. ♦ Тканевый - уровень, на котором сочетание клеток, сходных по строению и выполняемым функциям, образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций. ♦ Органный - уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган. ♦ Организменный - уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. ♦ Популяционно-видовой - уровень, где существует совокупность однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом. ♦ Бионенотический - уровень, на котором комплекс совместно живущих и связанных между собой видов образует целостность, называемую биоценозом. ♦ Биогеоненотический (экосистемный) - более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы в их взаимосвязи с условиями жизни (в биотопе). ♦ Биосферный - уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне про- 22 исходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов. Важное следствие иерархической организации живых систем состоит в том, что по мере объединения компонентов в более сложные функциональные системы у этих новых систем возникают качественно новые свойства, отсутствовавшие на предьщущем уровне. Такие качественно новые, эмерджентные (от англ, emergent - внезапно возникающие) свойства экологического уровня нельзя прогнозировать, исходя из свойств компонентов, составляющих этот уровень. Вернее, не все свойства более высокого уровня организации можно предсказать из свойств более низкого уровня. Точно так же, как нельзя предсказать свойства воды только исходя из свойств водорода и кислорода, нельзя предсказать и свойства экосистемы на основании сведений об отдельных популяциях; изучать необходимо и лес в целом, и отдельные деревья, находящиеся в лесу. Рассматриваемое явление отражено в принципе Берталанфи (1969 г.), который заключается в том, что целое представляет нечто большее, чем сумма составляющих его элементов, поскольку его главная характеристика - взаимодействие, протекающее между его различными элементами. Принцип несводимости свойств целого к сумме свойств его частей должен служить первой заповедью экологов. :ГГт") вопросы и заманил /. Охарактеризуйте основные уровни организации живых систем. 2. Объясните экологический смысл принципа эмерджент-ности (принципа Л. Берталанфи). § 3. Классификация экологических факторов Любой организм в окружающей среде подвергается воздействию огромного числа экологических факторов. Наиболее традиционной классификацией экологических факторов является их деление на абиотические, биотические и антропогенные (схема №1). 23 Схема №1. Традиционная классификация экологических факторов Абиотические факторы - это комплекс условий окружающей среды, влияющих на живой организм (температура, давление, радиационный фон, влажность, состав атмосферы, морских и пресных вод, донных отложений, почвы и др.) Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие (конкуренция, хищничество, паразитизм и др.) Антропогенные факторы - это совокупность влияний деятельности человека на окружающую среду (выбросы вредных веществ в атмосферу, разрушение почвенного слоя, на-рущение природных ландшафтов и др.) Абиотические экологи- Биотические экологи- Антропогенные экологические факторы ческие факторы ческие факторы 24 Данная классификация (схема №1) несколько условна, и вот почему. Например, температура, если ее рассматривать как абиотический фактор, часто изменяется благодаря присутствию живых организмов. В лабораторных условиях личинки мучного хрущака образовывают скопления, в которых при слишком холодной окружающей среде температура повышается, и ее rii" " "" па становится ближе к значению, наиболее благопрг развития организмов. При температуре воздуха +17° температура в скоплениях личинок достигает +27°С. На элеваторах с большим количеством зерна наличие зерноядных насекомых иногда вызывает повышение температуры на 25°С по сравнению с температурой окружающей среды. При снижении температуры воздуха ниже + 13°С двигательная активность пчел становится более интенсивной, что повышает температуру в улье до 25-30°С, и т. д. Отсюда следует, что возможна и иная классификация (схема №2). Схем? №2. Классификация экологических факторов в зависимости от плотности популяции Увеличение плотности популяции зайца-беляка на определенной территории приводит к увеличению смертности отдельных особей в связи с недостатком корма (пример. прямой зависимости). Что же касается северных оленей, которые питаются яге- 25 лем, извлекаемым из-под корки снега, то чем стадо больше, тем легче оленям прокормиться и, соответственно, меньше животных погибнет (пример обратной зависимости). Кроме классификации традиционной и в зависимости от плотности популяции, существует еше классификация, основанная на оценке степени адаптивности реакций организмов на воздействие факторов среды (А. С. Мончадский). Эта классификация подразделяет все экологические факторы на три группы (схема № 3). Схема №3. Классификация экологических факторов в зависимости от степени адаптивности реакций организмов на воздействие факторов среды А. С. Мончадского В первую очередь, возникает адаптация к тем факторам среды, которым свойственна периодичность - дневная, лунная, сезонная или годовая как прямое следствие вращения земного щара вокруг своей оси и его движения вокруг Солнца или смены лунных фаз. Регулярные циклы этих факторов существовали задолго до появления жизни на Земле, и поэтому адаптация организмов к первичным периодическим факторам столь древняя, что прочно укрепилась в наследственной основе. Температура, освещенность, приливы и отливы - примеры первичных периодических ,факторов, которые играют преобладающую роль во многих местообитаниях. Исключение состав- 26 Приливы и отливы - примеры первичных экологических факторов ляет абиссаль - зона наибольших океанических глубин (более 2 км), а также подземные участки, где изменение первичных факторов очень незначительно. Важно учитьюать эти факторы при эксперимен-|'<шьных исследованиях: поведение животного, которое в лаборатории находится при постоянной температуре или освещенности, может значительно отличаться от его поведения в природных условиях. Изменения вторичных периодических факторов есть следствия изменений первичных. Так, влажность воздуха - это вторичный фактор, являющийся функцией от температуры. Для водной среды содержание кислорода, количество растворенных солей, мутность, скорость течения и др. являются вторичными периодическими факторами, однако зависимость их от первичных периодических факторов очень слабая. Организмы приспособились ко игоричным периодическим факторам не так давно, и их адапта ция выражена не столь четко. Как правило, вторичные периодические факторы сказываются на численности видов в пределах их ареалов, но мало влияют на размер самих ареалов. 27 Лесной пожар - пример непериодического экологического фактора Непериодические факторы в местообитаниях организма в нормальных условиях не существуют. Они проявляются внезапно, поэтому организмы обычно не успевают выработать к ним приспособления. В эту группу входят некоторые климатические факторы, например, шквальные ветры, грозы, а также пожары, хозяйственная деятельность человека. Влияние хозяина на паразита следует отнести ко вторичным периодическим факторам, т. к. среда, обретаемая паразитом в лице хозяина, представляет собой его нормальное местообитание. Зато для хозяина паразит (или патогенный агент) не является необходимостью; это непериодический фактор. ■> tt I Г lOJ BcnftOCtn и SCUfOHUA t. Дайте краткую характеристику абиотических, биотических и антропогенных факторов. Приведите примеры. 2. Приведите примеры экологических факторов, зависящих от плотности популяции. 3. Приведите примеры основных экологических факторов по классификации А. С. Мончадского. 28 § 4. Влияние абиотических факторов на живые организмы Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, II характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей. Положительное или отрицательное влияние экологического (|1актора на живые организмы зависит прежде всего от силы его проявления. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Пределы выносливости . Хаыя ' Miiteiiciiwioeib I» экологического Зона I нормальной Зона , фактора угнетения 'жизнедеятельности угнетения! Гибелы Стресс I Оптимальные условия Стресс Гибель Зависимость результата действия экологического фактора от его интенсивности 29 Интенсивность экологического фактора, наиболее благоприятная для жизнедеятельности организма, называется оптимумом. Хорошо известны оптимальные температуры цветения, плодоношения, прорастания, икрометания, размножения многих видов. Свойство видов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды называется экологической пластичностью (или экологической валентностью). Представители разных видов сильно отличаются друг от друга как по положению оптимума, так и по экологической пластичности. Так, например, песцы в тундре могут переносить колебания температуры воздуха в диапазоне около 80°С (от -1-30° до -55°С), тогда как тепловодные рачки СорШа mirabilis вьщерживают изменение температуры воды в интервале не более 6°С (от -1-23° до -f-29°C). Одна и та же сила проявления фактора может быть оптимальной для одного вида, вредной для другого и выходить за пределы выносливости для третьего. Экологически непластичные, т. е. маловыносливые, виды называются стенобионтными (от греч. stenos - узкий), более выносливые - эврибионтными (от греч. eyros - широкий). Стенобионтность и эврибионтность характеризуют различные типы приспособления организмов к выживанию. Так, по отношению к температуре различают эври- и стенотермные организмы; к концентрации солей - эври- и стеногалинные; к свету - эври- и стенофотные, к видам пиши - эври- и стенофагные. Эврибионтность обычно способствует широкому распространению видов. Как известно, многие простейшие, грибы (типичные эврибионты) являются космополитами и распространены повсеместно. Стенобионтность же обычно ограничивает ареалы. Однако нередко благодаря жестким требованиям к среде обитания стенобионтам принадлежат обширные территории. Так, рыбоядная птица скопа, являясь типичным стенофагом, по отношению к другим факторам выступает как эврибионт. Она обладает способностью в поисках пиши передвигаться на большие расстояния и занимает значительный ареал. 30 Юстус Либих - немецкий химик и агрохимик. Разработал теорию минерального питания растений, автор закона минимума и др. Среди рыб, например, форель является сгеиотермным видом, а окунь - эвритерм-II ым. Форель не способна переносить большие колебания температуры, в то время как окунь их легко переносит. В 1840 г. Ю. Либих (1803-1873) предположил, что выносливость организмов обусловлена самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Ученый установил, что урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах (СО2, Н2О и др.), поскольку эти вещества, как правило, присутствуют в изобилии, а геми, которые необходимы в малых количествах и которых в почве недостаточно (например, бор). В настоящее время правило Либиха называется законом ограничивающего фактора, или законом минимума Либиха: В комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок к пределу выносливости. Рассмотрим пример. В Белом море ограничивающим фактором для моллюсков является температура: от нее зависит численность Но может про- Модель, иллюстрирующая закон минимума 31 изойти смена ограничивающего фактора. Так, в 1966 г. ветер нагнал с Карского моря лед, который растаял в Белом море. В результате соленость воды в Белом море упала и стала новым ограничивающим фактором. Лимитирующим может быть не только недостаток (минимум), но и избыток (максимум) экологического фактора. Представление о лимитирующем влиянии максимума наряду с минимумом развил В. Шелфорд в 1913 г. Закон толерантности Шелфорда: Лимитирующим фактором процветания может быть как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину толерантности ( от лат. tolerantia -терпение), выносливости организма к данному фактору. Виды, длительное время развивавшиеся в относительно стабильных условиях, утрачивают экологическую пластичность и вырабатывают черты стенобионтности, в то время как виды, существовавшие при значительных колебаниях факторов среды, приобретают повышенную экологическую пластичность и становятся эврибионтными. Благодаря многочисленным исследованиям сегодня известны пределы существования многих растений и животных. Температура и другие факторы Экологическая пластичность видов (по Ю. Одуму) 32 Для иллюстрации приведем данные опытов с животными, помещенными в термоградиентор (градиент от лат. gradiens - шаг, разность) - прибор, создающий разность температур. Термоградиентор предсгавляет собой трубку, один конец которой помещают в лед, а другой - в кипящую воду (водяная баня), в результате чего возникает градиент (разность) температур. В трубку помещают насекомых (или других мелких животных), после чего изучается закономерность их распределения по трубке. Оказывается, что большинство насекомых концентрируется на каком-то одном участке. При графическом изображении данная закономерность будет иметь вид параболы, где область наибольшей концентрации соответствует зоне температурного предпочтения. В индивидуальном развитии живого организма, как правило, имеются периоды, когда он наиболее чувствителен к изменениям факторов среды. Такие периоды называются критическими, они чаще всего соответствуют стадиям размножения и раннему онтогенезу (онтогенез от греч. ontos - сущее, genesis - происхождение, - индивидуальное развитие организма с момента оплодотворения до смерз'и). В это время многие факторы среды становятся лимитирующими. Зрелый кипарис может расти и на 3 Заказ 451 33 сухом нагорье, и на участке, погруженном в воду; однако размножается он только там, где есть влажная, но не заливаемая почва. Взрослые крабы и многие морские животные могут переносить солоноватую или даже пресную воду, однако для личинок крабов необходима высокая соленость, поэтому в реках размножение происходить не может. IOJ eoHftoan и заманил /. Как интенсивность воздействия экологических факторов влияет на живые организмы? 2. Приведите примеры стено- и эврибионтных организмов. 3. Сформулируйте законы Ю. Либиха и В. Шелфорда и дайте им экологическое объяснение. § 3. Важнейшие абиотические факторы и адаптация к ним живых организмов Среди основных абиотических факторов рассмотрим свет, температуру и влажность. ♦ Свет. В свое время французский астроном Камиль Фламмарион (1842-1925) написал: «Мы об этом не думаем, но все, что ходит, двигается, живет на нашей планете, есть дитя Солнца». Действительно, только на свету осуществляется важнейший в биосфере процесс фотосинтеза, который в общем виде может быть представлен следующим образом; п nCOj + 2пН,А ^ >(СН^О), + А, + Н,А . 2 hv -пе где А - донор электронов. 34 у зеленых растений (высших растений и водорослей) донором jjieKTpoHOB является вода (кислород), поэтому в результате фотосинтеза образуется кислород: -пе СО^ + Н^О све 1 ^(CH^O) + о. hv У бактерий роль донора электронов могут выполнять, например, сероводород (сера), органические вещества. Так, у зеленых и пурпурных серобактерий идет следующий процесс: -пё растениях CO2+2H2S све т hv >(CH20) + 2S + H20. В отношении света организмы стоят перед дилеммой: с одной стороны, прямое воздействие света на протоплазму клетки смертельно для организма, с другой - свет служит первичным источником энергии, без которого невозможна жизнь. Видимый свет оказывает на организмы смешанное действие: красные лучи - тепловое воздействие; синие и фиолетовые лучи -изменяют скорость и направление биохимических реакций. В целом свет влияет на скорость роста и развития растений, на интенсивность фотосинтеза, на активность животных, вызывает изменение влажности и температуры среды, является важным фактором, обеспечивающим суточные и сезонные биологические циклы. Каждое местообитание характеризуется определенным световым режимом, определяемым интенсивностью (силой), количеством и качеством света. 3* 35 -i- Интенсивность (сила) света измеряется энергией, приходящейся на единицу площади в единицу времени: Дж/м^с; Дж/см' с. На этот фактор сильно влияют особенности рельефа. Самым интенсивным является прямой свет, однако более полно растениями используется рассеянный свет. Количество света определяется суммарной радиацией. От полюсов к экватору количество света увеличивается. Для определения светового режима необходимо учитывать и количество отраженного света, так называемое альбедо (А). Альбедо (от лат. albus - белый) - отражающая способность поверхностей различных тел - выражается в процентах от общей радиации и зависит от угла падения лучей и свойств отражающей поверхности. Например, альбедо чистого снега - 85%, загрязненного - 40-50%, черноземной почвы - 5-14%, светлого песка - 35-45%, полога леса - 10-18%, зеленых листьев клена - 10%, осенних пожел-тевщих листьев - 28%. По отнощению к свету как экологическому фактору различают следующие группы растений: гелиофиты (от греч. helios -солнце, phyton - растение), сциофиты (от греч. skia - тень) и теневыносливые растения (факультативные гелиофиты). ♦ Световые виды (гелиофиты! - обитают на открытых местах с хорощей освещенностью и в лесной зоне встречаются редко. Процесс фотосинтеза начинает преобладать над процессом дыхания только при высокой освещенности (пщеница, сосна, лиственница). Цветки таких светолюбивых растений, как подсолнечник, козлобородник, череда, поворачиваются за солнцем. ♦ Теневые растения (сииофиты) - не выносят сильного освещения и живут под пологом леса в постоянной тени (это в основном лесные травы, папоротники, мхи, кислица). На вырубках при сильном освещении они проявляют явные признаки угнетения и часто погибают. ♦ Теневыносливые растения (факультативные гелиофиты! - могут жить при хорощем освещении, но легко переносят и затемненные места (больщинство растений лесов, луговые растения, лесные травы и кустарники). 36 Теневыносливые древесные породы и теневые травянистые растения отличаются мозаичным расположением листьев. У эвкалиптов листья обращены к свету ребром. У деревьев световые и теневые листья (располагаются соответственно по поверхности и внутри кроны) - хорошо освещаемые и затененные - имеют анатомические различия. Световые листья толще и грубее, иногда они блестящие, что способствует отражению света. Теневые листья обычно матовые, неопущенные, тонкие, с очень нежной кутикулой или вовсе без нее (кутикула - наружная пленка, покрывающая эпидермис). В лесу теневыносливые деревья образуют густо сомкнутые насаждения. Под их пологом растут еще более теневыносливые деревья и кустарники, а ниже - теневые кустарнички и травы. На рисунке показаны две ели: одна из них росла на открытом пространстве при хорошем освещении (1), а другая в густом лесу (2). Наибольшее значение свет как средство ориентации имеет в жизни животных. Уже у простейших появляются светочувствительные органеллы. Так, эвглена зеленая с помощью светочувствительного «глазка» реагирует на степень освещенности среды. Начиная с кишечнополостных, практически у дсех животных развиваются светочувствительные органы - глаза, имеющие то или иное строение. Среди животных различают дневные, ночные и сумеречные виды. Имеются также виды, живущие в постоянной темноте и ие выносящие яркого солнечного света (почвенные животные, обитатели пещер и больших глубин, внутренние паразиты животных и растений). Биолюминесценцией называется способность живых организмов светиться. Происходит это в результате окисления Влияние света на состояние ели (по Г. Р. Эйтингену) 37 сложных органических соединении при участии катализаторов обычно в ответ на раздражения, поступающие из внешней среды. Световые сигналы, испускаемые рыбами, головоногими моллюсками и другими гидробионтами, а также некоторыми организмами наземно-воздушной среды (например, жуками семейства светляков), служат для привлечения особей противоположного пола, приманивания добычи или отпугивания хищников, ориентации в стае и др. ♦ Температура. Одним из наиболее важных факторов, определяющих существование, развитие и распространение организмов по земному шару, является температура. Важно не только абсолютное количество тепла, но и его временное распределение, т. е. тепловой режим. Растения не обладают собственной температурой тела: их анатомо-морфологические и физиологические механизмы терморегуляции направлены на защиту организма от вредного воздействия неблагоприятных температур. В зоне высоких температур при пониженной влажности (тропические и субтропические пустыни) исторически сформировался своеобразный морфологический тип растений с незначительн^^й листовой поверхностью или с полным отсутствием листьев. У многих пустынных растений образуется беловатое опушение, способствующее отражению солнечных лучей и предохраняющее их от перегрева (акация песчаная, лох узколистный). К физиологическим приспособлениям растений, сглаживающим вредное влияние высоких и низких температур, могут быть отнесены: интенсивность испарения - транспирации (от лат. trans - через, spiro - дышу, вьщыхаю), накопление в клетках сб^ лей, изменяющих температуру свертывания плазмы, свойство хлорофилла препятствовать проникновению солнечных лучей. В мире животных наблюдаются определенные морфологические адаптации, направленные на защиту организмов от неблагоприятного действия температур. Свидетельством этого может служить известное правило Бергмана (1847 г.), согласно которому в пределах вида или достаточно однородной группы близких 38 видов теплокровные организмы с более крупными размерами тела распространены в более холодных областях. Попытаемся объяснить это правило с позиций термодинамики: потеря тепла пропорциональна поверхности тела организма, а не его массе. Чем крупнее животное и компактнее его тело, тем легче поддерживать постоянную температуру (меньше расход энергии), и наоборот, чем мельче животное, тем больше его относительная поверхность и теплопотери, тем выше уровень его основного обмена, т. е. количества энергии, расходуемого организмом животного (или человека) при полном мышечном покое при такой температуре окружающей среды, при которой терморегуляция наиболее выражена. У животных с постоянной температурой тела в холодных климатических зонах наблюдается тенденция к уменьшению площади выступающих частей тела (правило Аллена, 1877 г.). Правило Аллена наглядно проявляется, например, при сравнении размеров ушей экологически близких видов: песца - обитателя тундры; лисицы обыкновенной - типичной для умеренных широт; фенека - обитателя пустынь Африки. Реакция животных на тепловой режим проявляется и в изменениях пропорций отдельных органов и тела (у горностая из северных районов увеличено сердце, почки, печень и надпочечники по сравнению с такими же зверьками в местностях с более высокой температурой). Иногда из правил Бергмана и Аллена бывают исключения. В зависимости от вида теплообмена различают два экологических типа животных: пойкилотермные и го-мойотермные. П*с*ц Лисица обыкновенная Фенек Иллюстрация правила Аллена 39 Пойкилотермные организмы (от греч. poikilos - разнообразный) - животные с неустойчивым уровнем обмена веществ, непостоянной температурой тела и почти полным отсутствием механизмов теплорегуляции (холоднокровные). К ним относятся беспозвоночные, рыбы, амфибии, земноводные, т. е. большинство животных, за исключением птиц и млекопитающих. Температура тела изменяется с изменением температуры окружающей среды. Гомойотермные организмы (от греч. homoios - одинаковый) -животные с более высоким и устойчивым уровнем обмена веществ, в процессе которого осуществляется терморегуляция и обеспечивается относительно постоянная температура тела (теплокровные). К ним относятся птицы и млекопитающие. Температура тела поддерживается на относительно постоянном уровне. В свою очередь, пойкилотермных животных можно разделить на эвритермных, ведущих активный образ жизни в сравнительно широком температурном диапазоне, и стенотермных, не переносящих значительных колебаний температур. Механизмы терморегуляции бывают химические и физические. Химический механизм обусловлен интенсивностью реакций в организме и осуществляется рефлекторным путем: Механизмы, регулирующие процессы терморегуляции i импульс / Физический механизм терморегуляции обеспечивают теплоизолирующие покровы (мех, перья, жировой слой), деятельность потовых желез, испарение влаги при дыхании, сосудистая регуляция кровообращения. У пойкилотермных животных интенсивность обмена веществ прямо пропорциональна внешней температуре, у гомойотермных - 40 наоборот, при ее понижении возрастают потери тепла и, следовательно, активизируются обменные процессы, повышается теплопродукция. Интенсивность метаболизма (обменных процессов) при гомойотермии обратно пропорциональна внешним температурам. Однако такая закономерность прослеживается лишь в определенных пределах. Повышение или понижение температуры относительно порогового значения вызывает перегрев или переохлаждение животного и в итоге его гибель. Промежуточное положение между пойкилотермными и го-мойотермными занимают гетеротермные животные. У них в активном состоянии поддерживается относительно высокая и постоянная температура тела, а в неактивном - температура тела мало отличается от внешней. У этих животных во время спячки или глубокого сна уровень обмена веществ падает, и температура тела лишь незначительно превышает температуру среды. Типичными представителями гетеротермных животных являются суслики, ежи, летучие мыши, медведи, стрижи, утконосы, ехидны, кен-lypy. Рассмотрим пример с насекомыми, представителями пойки-лотермных. При t°<-i-10°C у насекомых наступает оцепенение, при t°< 0°С -переохлаждение. Оно продолжается до момента кристаллизации воды, которая сопровождается скачком температуры. После резкого ее повышения начинаются процессы, ведущие к ухудшению физиологического состояния организма. Физиологическое состояние насекомого в процессе охлаждения зависит от скорости понижения температуры. При медленном охлаждении в клетках образуются кристаллы льда, которые разрывают их оболочку. При очень быстром охлаждении центры кристаллизации не успевают образоваться, и формируется стекловидная структура. В результате цитоплазма не повреждается. Таким образом, глубокое, но очень быстрое охлаждение вызывает временную, обратимую приостановку всех жизненных процессов организма. Подобное состояние, получившее название анабиоз, наблюдается у вирусов, бактерий, беспозвоночных, земноводных. 41 TeMnepaiypa,’C пресмыкающихся, лишайников, мхов. Явление анабиоза впервые было обнаружено и описано А. Левенгуком (1701 г.). Изучение анабиоза послужило толчком к развитию различных криотехнологий (от греч. kryos - холод, мороз), например, криоконсервации. Этот метод широко используется в биологии, медицине, сельском хозяйстве, в практике длительного хранения консервированной крови, спермы для искусственного осеменения сельскохозяйственных животных, различных тканей и органов для трансплантации (от лат. transplantatio - пересаживание), культур, бактерий, вирусов. Температурный фактор имеет важное значение в распределении живых организмов на Земле и тем самым обусловливает заселенность ими разных природных зон. В 1918 г. А. Хопкинс сформулировал биоклиматический закон. Он установил, что существует закономерная, тесная связь развития фенологических (сезонных) явлений с широтой, долготой и высотой местности над уровнем моря. Он подсчитал, что по мере продвижения на север, восток и в горы время наступления периодических явлений в жизнедеятельности организмов запаздывает на 4 дня на каждый градус широты, 5 градусов долготы и примерно на 100 м высоты. 42 Одной из важных закономерностей в распределении современных организмов служит их биполярность - географическое распределение наземной и морской флоры и фауны, при котором один и тот же вид обитает в холодных и умеренных широтах обоих полушарий, но отсутствует в тропическом поясе (беззубые киты, ушастые тюлени и др.). ♦ Влажность. Вода является важнейшим экологическим фактором в жизни живых организмов и их постоянной составной частью (табл. 1). Таблица №1. Содержание воды в растительных и животных организмах (% к массе) (по Б. С. Кубанцеву) Растения Содержание воды Животные Содержание воды Водоросли 96-98 Губки 84 Листья трав 83-86 Моллюски 80-92 Листья деревьев... 79-82 Насекомые 46-92 Стволы деревьев.. 40-55 Земноводные.... до 93 Мхи и лишайники 5-7 Млекопитающие 68-83 В различные периоды развития потребность растений в воде неодинакова, особенно у разных видов; меняется она и в зависимости от климата и типа почвы. Например, злакам в период прорастания семян и их созревания нужно меньше влаги, чем во время их интенсивного роста. Для каждой фазы роста и стадии развития любого вида растений можно вьщелить критический период, когда недостаток воды особенно отрицательно сказывается па его жизнедеятельности. Влажность среды часто является фак-юром, лимитирующим численность и распространение организмов по земному шару. Например, бук может жить на сравнитель-[10 сухой почве, но ему необходима достаточно высокая влажность воздуха. У животных весьма важную роль играют проницаемость покровов и механизмы, регулирующие водный обмен. 43 Различают абсолютную влажность воздуха, представляющую собой количество газообразной воды (пара) в граммах на 1 м^ воздуха, и относительную. Относительная влажность характеризует степень насыщения воздуха парами воды при определенной температуре и выражается в процентах, как отнощение абсолютной влажности к максимальной влажности (массе водяных паров в граммах, способных создать полное насыщение в 1 м^ воздуха). г = m 100%, ас . где; г - относительная влажность, %; m - масса 1 м" пара, фактически содержащегося в воздухе (абсолютная влажность), г; Шнас - масса 1 м насыщения пара при данной температуре, г. Наибольщее значение для организмов имеет дефицит насьь щения воздуха водяными парами, т. е. разность между максимальной и абсолютной влажностью при данной температуре: d “ l^Hac ” П1, При разных температурах дефицит насыщения неодинаков при одной и той же влажности. Чем она больше, тем воздух суше, и тем интенсивнее в нем происходит транспирация (испарение воды листьями и другими частями растений). Сезонное распределение влаги в течение года, а также ее суточное колебание тоже исключительно важно. По отношению к водному режиму вьщеляют следующие экологические группы растений и животных: влаголюбивые, сухолюбивые и предпочитающие умеренную влажность. Среди растений различают: ♦ Гидатофиты (от греч. hydor; hydatos - вода), - водные растения, целиком или большей своей частью погруженные в воду (ряска, элодея, кувшинка и др.). ♦ Гидрофиты (от греч. hydor - вода) - наземно-водные растения, погруженные в воду только нижними частями, например стрелолист, частуха и др. 44 ♦ Гигрофиты (от греч. hydros - влажный) - наземные растения, приспособленные к обитанию в условиях избыточной влажности, преимущественно в сырых лесах (папоротники, кислица), на болотах (гелофиты от греч. helos - болото) - болотные растения), на берегах водоемов и в других подобных местах. ♦ Мезофиты (от греч. mesos - средний, промежуточный) -растения умеренно увлажненных местообитаний. К ним относятся луговые травы, многие лесные травы, лиственные деревья, большинство сельскохозяйственных культур и сорняков. ♦ Ксерофиты (от греч. xeros - сухой) - растения сухих местообитаний делятся на суккулентов и склерофитов. ♦ Суккуленты (от лат. succulentus - сочный) - растения, способные накапливать в тканях большое количество воды (кактусы, алоэ, агава). ♦ Склерофиты (от греч. skleros - сухой, твердый) - засухоустойчивые растения с жесткими, кожистыми листьями и стеблями, эффективно задержи-ваюшие испарение воды (саксаул, верблюжья колючка, полынь, ковыль). Они низкорослы, но обладают мощной корневой системой. Корни либо поверхностные, широко разветвленные и хорошо улавли-ваюшие атмосферные осадки, либо стержневые, проникающие на больщую глубину до грунтовой воды. Листья у многих склерофитов мелкие, сухие, часто в виде игл, колючек, че-шуй. Среди наземных животных различают: Верблюжья колючка - типичный склерофит 45 ♦ Гидрофилы - влаголюбивые животные (мокрицы, ногохвост-ки, комары, наземные планарии, наземные моллюски и амфибии). ♦ Мезофилы - обитают в районах с умеренной влажностью (озимая совка, многие насекомые, птицы, млекопитающие). ♦ Ксерофиты - это сухолюбивые животные, не переносящие высокой влажности (верблюды, пустынные грызуны и пресмыкающиеся). Например, слоновая черепаха запасает воду в мочевом пузыре, некоторые млекопитающие избегают дефицита влаги путем отложения жиров, при окислении которых образуется метаболическая вода. За счет метаболической воды живут многие насекомые, верблюды, курдючные овцы, жирнохвостные тущканчики и др. и Г ^onftocbt и заманил /. Дайте характеристику света как абиотического фактора. Приведите классификацию экологических классов растений по отношению к свету. 2. Охарактеризуйте температуру как абиотический фактор. Объясните экологический смысл правил Бергмана и Аллена (приведите примеры). 3'. Приведите примеры пойкилотермных и гомойотермных организмов. У. Как формулируется биоклиматический закон А. Хопкинса? Дайте ему экологическое объяснение. 5. Охарактеризуйте влажность как абиотический фактор. Приведите примеры влаго- и сухолюбивых растений и животных, а также предпочитающих умеренную влажность. i" Практическая работа №1. Изучение приспособленности живых организмов к экологическим факторам среды обитания. Практическая работа №2. Выявление полиморфизма особей в популяции растений. 46 § 6. Основные среды жизни Первой средой жизни стала вода. Именно в ней возникла жизнь. По мере исторического развития многие организмы начали заселять наземно-воздушную среду. В результате появились наземные растения и животные, которые эволюционировали, адаптируясь к новым условиям существования. В процессе жизнедеятельности организмов на суше поверхностные слои литосферы постепенно преобразовывались в почву, в своеобразное, по выражению В. И. Вернадского, «биокосное гело планеты» - вещество, возникающее в результате совместной деятельности живых организмов и среды их обитания. Биокосные тела - это переработанные благодаря жизнедеятельности растительных и животных организмов природные минеральные соединения. Почву стали заселять как водные, так и наземные организмы, создавая специфический комплекс ее обитателей. По всей вероятности, параллельно шло формирование паразитов и симбионтов, средой жизни которых в воде, на суше и в почве стали другие организмы - хозяева и сожители. На современной Земле выделяются 4 среды жизни: водная, наземно-воздушная, почва и живые организмы. ecHfiocbi и заманил /. Назовите основные среды жизни. 2. Приведите примеры живых организмов, обитающих в разных средах жизни. 47 § 7. Водная среда Гидросфера занимает до 71% площади земного шара. Организмы, обитающие в водной среде, называются гндробионтами. В водной среде обитает около 150 000 видов животных (примерно 7% от общего количества их на земном шаре) и 10 000 видов растений (8%). Подсчитано, что биологический круговорот воды морей и океанов, рек и озер происходит за 2 млн. лет, т. е. именно столько времени требуется, чтобы вся она прошла через живое вещество (совокупность всех живых организмов) планеты. Таким образом, современная гидросфера представляет собой продукт жизнедеятельности живого вещества не только современной, но и прошлых геологических эпох. Вода на Земле находится в постоянном движении. Смена воды в реках происходит в среднем 30 раз в год, т. е. каждые 12 дней. Воды проточных озер обмени- Водная среда жизни 48 и. М. Шишкин «ХвоПнып лес. Солнечный лень». 1895 А. И. Куинджи «Березовая роща», 1901 в. Д. Поленов «Река Воря», 1881 Не то, что мните вы, природа: Не слепок, не бездушный лик -В ней есть душа, в ней есть свобода, В ней есть любовь, в ней есть язьпс... Ф. И. Тютчев Конкурс детского экологического плаката Лпд|К)11ош1 Юля. г. KiiMeminiiiiK K Беспалов Дима, г. Сосновый Бор Учаищеся проводят биоиндикацию состояния атмосферного воздуха во время экологического практикума ^)тllкa Гпатгоисмия 1К‘|К'Л Ж1иМЬК) - г«то зтика Ли>6|111 рап11И|Х‘11Иой Л1> ксомирпых iilHMtMoit... Л. Шнсйигр Подземные воды многолетней мерзлоты — Полярные ледники и постоянный снежный покров Мировой океан (полное перемешивание вод) Ледники горнык районов--------- Подземные воды- 10000 лет 9700 лет . I . 2500 • 3000 лет 1S00 лет 1400 лет 17 лет 5 лет 1 год 8-10 дней1 12 • •UI диен - Вода озер Вода болот Почвенная влага несколько часов Вода в руслах рек - Вода в атмосфере ' Вода в организмах Скорость водообмена ваются за десятки лет, а непроточных за 200-300 лет. Воды Мирового океана обновляются в среднем за 3000 лет. Характерной чертой водной среды является ее подвижность. Обитатели водоемов в процессе эволюции сумели приспособиться к подвижности среды. Например, в проточных водоемах встречаются прикрепленные к находящимся под водой камням и разным другим предметам растения - зеленые и диатомовые водоросли, водяные мхи и др. Животные также адаптировались к подвижности водной среды. У рыб, обитающих в быстро текущих реках (форель, гольян), тело в поперечном разрезе почти округлое, и с точки зрения гидродинамики это наиболее выгодная форма. Беспозвоночные проточных водоемов обычно держатся на дне, тело их сплющено, многие имеют на брющной стороне различные органы, позволяющие им прикрепляться к подводным предметам. В жизни водных организмов умеренных широт большую роль играет вертикальное перемещение воды в стоячих водоемах. Вода в них четко делится на 3 слоя: в верхнем слое происходят резкие сезонные колебания температуры, в среднем, так называемом слое температурного скачка (термоклин) происходит резкий перепад температур, а в нижнем, придонном слое температура в течение года изменяется незначительно. 4 Заказ 451 49 в летнее время наиболее теплые слои воды располагаются у поверхности, а холодные - у дна. Зимой, с понижением температуры, наблюдается обратная картина, при которой поверхностные воды, температура которых ниже +4°С, располагаются над сравнительно теплыми. В результате нарушается вертикальная циркуляция воды, и наступает период временного застоя - стагнация (от лат. stagno - делаю неподвижным). Стагнация, как правило, возникает 2 раза в год - зимой и летом, когда вся водяная толща разделена термоклином на два слоя: верхний, с удовлетворительным газовым режимом, и придонный, с дефицитом кислорода и присутствием сероводорода, метана, углекислого газа, аммиака. Весной поверхностная вода вследствие нагревания до -г4°С становится более плотной и погружается вглубь, а на ее место с глубины поднимается более теплая вода. В результате такой вертикальной циркуляции в водоеме наступает состояние, при котором на какое-то время температура всей водной массы выравнивается. Рассмотрим основные абиотические факторы водной среды. ♦ Температурный режим. Колебания воды в Мировом океане сравнительно невелики: от -2°С до -1-36°С. В пресных внутренних водоемах умеренных широт температура поверхностных слоев воды колеблется от -0,9°С до -1-25°С. Исключением являются термальные источники, теплые, горячие и кипящие, температура воды в которых может достигать -|-100°С. Благоприятный температурный режим исключает как слишком высокие температуры, которые вызывают свертывание белков, так и слишком низкие, когда прекращается работа ферментов. «Чемпионами» по выживанию в отнощении температуры являются прокариоты - организмы, клетки которых не имеют ограниченных мембраной ядер (бактерии, сине-зеленые водоросли). ♦ Плотность и вязкость. Плотность воды превыщает плотность воздуха в 800 раз, поэтому у водных растений очень слабо или вообще не развита механическая ткань, обеспечивающая растению прочность, вследст- 50 вие чего их стебли эластичны и легко изгибаются. Большинству водных растений присуща плавучесть и способность находиться в толще воды во взвещенном состоянии. Они то поднимаются к поверхности, то вновь опускаются. У многих водных животных покровы обильно смазываются слизью, уменьщающей трение при передвижении, а тело имеет обтекаемую форму. На разных глубинах животные испытывают различное давление. В среднем в водной толще на каждые 10 м глубины давление возрастает на 1 атм. Глубоководные приспособились к высокому давлению (до 1000 атм), обитатели же поверхностных слоев ему не подвержены. ♦ Прозрачность и световой режим. К данным факторам наиболее чувствительны фотосинтезирующие растения. В мутных водоемах они обитают только в поверхностном слое, а там, где прозрачность воды более высока, они проникают на значительные глубины. Мутность воды создается огромным количеством взвешенных в ней частиц минеральных веществ (глина, ил) и мелких организмов, что ограничивает проникновение солнечных лучей. Световой режим обусловлен также закономерным убыванием света с глубиной. При этом лучи солнечного света-с разной длиной волны поглощаются неодинаково: быстрее всего поглощаются красные, тогда как сине-зеленые проникают на значительные глубины. Цвет среды с глубиной меняется, постепенно переходя от зеленоватого к зеленому, затем к голубому, синему, сине-фиолетовому, сменяемому постоянным мраком. Соответственно этому с глубиной зеленые водоросли уступают место бурым и красным, пигменты которых приспособлены к улавливанию солнечных лучей с более короткими длинами волн. ♦ Соленость. В водах Мирового океана содержатся почти все встречающиеся на Земле элементы. Масса минеральных веществ (в граммах), растворенных в 1 л воды, называется соленостью. Единицей солености является промилле (%о) (от лат promille - за тысячу), что соответствует содержанию 1 г минеральных веществ в 1 л воды. 51 4 в морях, где испарение превышает осадки и сток пресных вод с материков, соленость повышена (до 40-45 %о), а там, где осадки и сток больше испарений, соленость понижена (3-5 %о), и вода становится пресной. В подземных водах с концентрацией солей свыше 270 %о жизнь отсутствует. Средняя соленость воды близка к 35 %о, т. е. в 1 л воды содержится около 35 г растворенных солей, главным образом, хлоридов, сульфатов и карбонатов. С соленостью растворов связано явление осмоса. Осмос (от греч. osmos - давление) - односторонняя диффузия растворенных в воде веществ через клеточную полупроницаемую мембрану. Мембраны клеток легко проницаемы для воды и почти не прони-цаемы для веществ, растворенных в клеточном соке. Интересен механизм осморегуляции у пресноводных и морских рыб. Из-за разницы в осмотическом давлении вне и внутри тела в организм постоянно проникает вода, и гидробионты пресных вод вынуждены ее интенсивно удалять. В связи с этим у них хорощо выражены процессы осморегуляции. Концентрация солей в тканях морских организмов равна концентрации растворов солей в окружающей среде. Поэтому осморегуляторные функции у них не развиты в такой степени, как у пресноводных, и они не сумели заселить пресные водоемы. ♦ Кислород. Кислород попадает в водную среду двумя путями: во-первых, поступает из атмосферы, во-вторых, образуется в результате фотосинтеза зеленых растений Разные животные проявляют неодинаковую потребность в кислороде. Например, форель и гольян очень чувствительны к его дефициту, поэтому обитают лищь в быстро текущих, холодных и хорошо перемешиваемых водах. Плотва, ерш, карась неприхотливы в этом отношении, а личинки комаров хирономид и малощетинковые черви трубочники обитают на больших глубинах, где кислород практически отсутствует. С понижением температуры растворимость кислорода, как и других газов, увеличивается. 52 ♦ Углекислый газ. Углекислый газ растворяется в воде примерно в 35 раз лучше кислорода (при 0°С). В воде его почти в 700 раз больше, чем в атмосфере, откуда он поступает. Большая часть углекислоты присутствует в водной среде в виде карбонатов и гидрокарбонатов щелочных и щелочноземельных металлов. Углекислый газ обеспечивает фотосинтез водных растений и принимает участие в формировании известковых скелетных образований беспозвоночных животных. При pH = 8 в богатых кальцием поверхностных водах существенную роль играют следующие равновесные обменные процессы: COi (газ) <-> COiCp-p). СОг(р-р) + Н2О Н2СО3. Н2СО3 о + НСОз“. НСОз" + Н2О Н2СО3 + ОН~. НСОз" <-> + СОз^. СОз^ + Н2О о НСОз“ + ОН". СОз + Са СаСОз (кристаллический известняк). ♦ Кислотиость (ОЛ рШ. Водородный показатель pH - это величина, характеризующая киелотность воды. Он определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода Сн^ в воде при 22°С, выраженный в молях на литр: pH = -lg Сн^ Например, при концентрации ионов водорода в воде, равной 10“^ моль/л, значение pH = - Ig 10“^ = - (-5) = 5. Значение pH воды легко определяется с помощью универсальной индикаторной бумаги. Вода бывает кислая (рН<7), нейтральная (рН=7) и щелочная (рН>7). С глубиной кислотность воды увеличивается (pH уменьшается). Большинство пресноводных рыб выдерживает кислотность со значением водородного показателя от 5 до 9. При рН<5 наблюдается массовая гибель рыб, а если pH выше 10, погибают все рыбы и многие животные. 53 Щелочь Рекордно кислый дождь в Уилинге, шт. Виргиния, США, 1979 Кислота Шкала кислотности (pH) ♦ Экологаческая классификация гидробионтов. Гидробионты - организмы, обитающие в водной среде. Толщу воды населяет множество организмов. Они подразделяются на нектон, планктон и бентос. Нектон (от греч. nektos - плавающий) - это совокупность плавающих, свободно перемещающихся организмов, не имеющих непосредственной связи с дном. Эти животные способны преодолевать больщие расстояния и сильные водные течения. Для них характерна обтекаемая форма тела и хорощо развитые органы движения. Типичными нектонными организмами явля- 54 ются рыбы, кальмары, ластоногие, киты. В пресных водах, кроме рыб, к нектону относятся земноводные и активно перемещающиеся насекомые. Планктон (от греч. planktos - парящий) - это совокупность плавающих организмов, которые перемещаются главным образом с помощью течений. Они не обладают способностью к быстрым активным перемещениям. В основном это мелкие животные -зоопланктон и растения - фитопланктон. Планктонные организмы располагаются либо на поверхности воды, либо на глубине или даже в придонном слое. Плейстон (от греч. plein - плавать на корабле) - организмы, у которых часть тела в воде, часть над водой (ряска малая, фезалии, сифонофоры и др.). Нейстон (от греч. neusteon - способный плавать) - плавающие по поверхности организмы (бактерии, простейщие, клопы-водомерки, жуки-вертячки, водоросли). Фитопланктон - совокупность микроскопических растений, главным образом водорослей, обитающих в толще воды и передвигающихся под действием водных течений (диатомовые и зеленые водоросли, растительные жгутиконосцы и др.). Зоопланктон и бактерии встречаются на всех глубинах. В морском зоопланктоне доминируют мелкие ракообразные, простейщие, крылоногие моллюски, медузы, плавающие гребневики, сальпы, некоторые черви. В пресных водах распространены плохо плавающие сравнительно крупные ракообразные, много коловраток и простейщих. Бентос (от греч. benthos - глубина) - совокупность организмов, обитающих на дне (на грунте и в грунте) водоемов. Он подразделяется на фитобентос, зообентос и бактериобентос. Фитобентос морей в основном включает бактерии и водоросли (диатомовые, зеленые, бурые, красные). Наиболее богаты фитобентосом скалистые и каменистт>ге участки дна. Фитобентос пресных вод представлен бактериями, диатомовыми и зелеными водорослями. Зообентос представлен главным образом прикрепленными или медленно передвигающимися, а также роющимися в грунте животными. 55 Водные организмы обладают меньшей экологической пластичностью, чем наземные, т. к. вода - более стабильная среда, и абиотические факторы ее претерпевают сравнительно незначительные колебания. Наименее пластичны морские растения и животные. Одной из особенностей водной среды является наличие в ней большого количества мелких частиц органического вешества -детрита (от лат. detritus - истертый), образовавшегося за счет отмирающих растений и животных. Детрит для многих водных организмов представляет собой высококачественную пищу, поэтому некоторые из них, так называемые биофильтраторы, приспособлены добывать его с помощью специальных микропористых структур, процеживая воду и задерживая взвешенные в ней частицы. Такой способ питания называется фильтрацией. К био-фильтраторам относятся двустворчатые моллюски, сидячие иглокожие, асцидии, планктонные ракообразные и др. Другая группа животных (простейшие, губки, личинки некоторых насекомых, коловратки и др.) осаждает детрит либо на поверхность собственного тела, либо на специальные ловчие устройства. Такой способ питания называется седиментацией. Животные-биофильтраторы играют большую роль в биологической очистке водоемов. Например, колония мидий, занимающая площадь 1 м^, пропускает через мантийную полость до 250 м'^ воды в сутки, профильтровывая ее и осаждая взвешенные частицы. В цресных водоемах активными биофильтраторами являются перловицы, беззубки, дрейссены, дафнии и др. Т77. 3onftocbi. и заманил /. Опишите водную среду жизни. 2. Охарактеризуйте основные абиотические факторы водной среды. 3. Приведите примеры основных групп гидробионтов. Практическая работа №3 (по практикуму №12). Оценка экологического состояния водных объектов. 56 § 8. Наземно-воздушная среда Организмы, обитающие на поверхности Земли, окружены газообразной средой, характеризующейся низкой влажностью, плотностью и давлением, а также высоким содержанием кислорода. Действующие в наземно-воздушной среде экологические факторы отличаются рядом специфических особенностей: по сравнению с другими средами свет здесь действует интенсивнее, температура претерпевает более сильные колебания, влажность значительно изменяется в зависимости от географического положения, сезона и времени суток. Воздействие почти всех этих факторов тесно связано с движением воздушных масс - ветрами. У обитателей наземно-воздушной среды в процессе эволюции выработались специфические анатомо-морфологические, физиологические, поведенческие и другие адаптации. У них появились органы, обеспечивающие непосредственное усвоение атмосферного воздуха в процессе дыхания (устьица растений, легкие и трахеи животных); сильное развитие получили скелетные образования, поддерживающие тело в условиях незначите:1ьной плотности среды Наземно-воздушная среда жизни 57 (механические и опорные ткани растений, скелет животных); выработались сложные приспособления для защиты от неблагоприятных факторов (периодичность и ритмика жизненных циклов, сложное строение покровов, механизмы терморегуляции и др.); установилась более тесная связь с почвой (корни растений); выработалась большая подвижность животных в поисках пищи; появились летающие животные и переносимые воздушными течениями плоды, семена, пыльца растений. Рассмотрим основные абиотические факторы в наземновоздушной среде жизни. ♦ Воздух. Сухой воздух на высоте уровня моря состоит (по объему) из 78% азота, 21% кислорода, 0,03% углекислого газа; не менее 1% приходится на инертные газы. Кислород необходим для дыхания абсолютного большинства организмов, углекислый газ используется растениями при фотосинтезе. Перемещение воздушных масс (ветер) изменяет температуру и влажность воздуха, оказывает механическое воздействие на организмы. Ветер вызывает изменение транспирации у растений. Это особенно сильно проявляется при суховеях, иссушающих воздух и часто вызывающих гибель растений. Значительную роль ветер играет в опылении анемофилов (от греч. anemos - ветер) - ветроопыляемых растений. Ветры определяют направление миграций таких насекомых, как луговой мотылек, пустынная саранча, малярийные комары. ♦ Атмосферные осадки. Осадки в виде дождя, снега или града изменяют влажность воздуха и почвы, обеспечивают доступной влагой растения, дают питьевую воду животным. Сильные дожди могут вызывать паводки, временно затопить ту или иную территорию. Ливни, и особенно град, нередко приводят к механическому повреждению вегетативных органов растений. Большое значение для водного режима имеют сроки выпадения дождей, их частота и продолжительность. Также важен характер дождей. При ливневых дождях почва не успевает впитать воду. Эта вода быстро стекает, и ее сильные потоки нередко сносят в реки и озера часть плодородного слоя почвы, а 58 вместе с ней и слабо укоренившиеся растения, а иногда и мелких животных. Моросящие дожди, наоборот, хорошо увлажняют почву, однако, если они затягиваются, наступает переувлажнение. Осадки в виде снега оказывают благоприятное влияние на организмы в зимний период времени. Являясь хорошим изолятором, снег защищает почву и растительность от промерзания (слой снега в 20 см защищает растение при температуре воздуха -25°С), а для мелких животных служит укрытием, где они находят пищу и более подходящие температурные условия. При сильных морозах под снегом прячутся тетерева, куропатки, рябчики. Однако при многоснежных зимах наблюдается массовая гибель некоторых животных, например, косуль и диких кабанов: при мощном снежном покрове им трудно передвигаться и добывать корм. ♦ Влажность почв. Одним из основных источников влаги для растений является почвенная вода. По физическому состоянию, подвижности, доступности и значению для растений почвенная вода подразделяется на свободную, капиллярную, химически и физически связанную. Основной разновидностью свободной воды является гравитационная вода. Она заполняет широкие промежутки между частицами почвы и под действием силы тяжести постоянно уходит в более глубокие слои, пока не достигнет водонепроницаемого слоя. Растения легко усваивают ее, пока она находится в зоне корневой системы. Капиллярная (от лат. capillaris - волосной) вода заполняет тончайшие промежутки между частицами почвы, она также хорошо усваивается растениями. Она удерживается в капиллярах силой сцепления. Под влиянием испарения с поверхности почвы капиллярная вода образует восходящий ток, в отличие от гравитационной, которой свойственен нисходящий ток. Эти движения воды, ее расход зависят от температуры воздуха, особенностей рельефа, свойств почвы, растительного покрова, силы ветра и других факторов. И капиллярная, и гравитационная вода представляют собой так называемую доступную для растений воду. В почве есть также химически и физически связанная вода, содержащаяся в некоторых минералах почв (опале, гипсе, монт- 59 риллоните, гидрослюдах и пр.) Вся эта вода растениям абсолютно недоступна, хотя в некоторых почвах (тинистых, торфяных) ее содержание очень велико. ♦ Экоклимат. Каждое местообитание характеризуется определенным экологическим климатом - экоклиматом, т. е. климатом приземного слоя воздуха. Большое влияние на климатические факторы оказывает растительность. Под пологом леса, например, влажность воздуха всегда выше, а колебания температуры меньше, чем на полянах. Различен и световой режим этих мест. В разных растительных ассоциациях формируется свой режим влажности, температуры, света. Тогда говорят о фитоклимате. Условия жизни, окружающие личинок насекомых, живущих под корой дерева, иные, чем в лесу, где это дерево произрастает. При этом температура южной стороны ствола может быть на 10-15°С выще температуры его северной стороны. Такие небольщие участки местообитания имеют свой микроклимат. Особые микроклиматические условия создают не только растения, но и животные. Устойчивым микроклиматом обладают заселенные животными норы, дупла деревьев, пещеры. Для наземно-воздущной среды так же, как и для водной, характерна четко выраженная зональность. Различают щиротные и меридианальные, или долготные, природные зоны. Первые тянутся с запада на восток, вторые - с севера на юг. I т??. /Sonftocbt и заманил /. Охарактеризуйте основные абиотические факторы наземно-воздущной среды. 2. Приведите примеры обитателей наземно-воздущной среды. 3. Что называется экоклиматом? й Практическая работа №4 (по практикуму №13). Оценка экологического состояния воздущной среды. 60 § 9. Почва как среда жизни Основоположником современного почвоведения является русский естествоиспытатель В, В. Докучаев (1846-1903). В своей работе «Картография русских почв» он дал наиболее полное определение понятию «почва»: «Это суть поверхностно лежащие минерально-органические образования, которые всегда более или менее окрашены гумусом; эти тела имеют свое собственное происхождение; они всегда и всюду являются результатом совокупной » „ Кунаев - русский почво- деятельности материнской горной поро- научные исспедова- ДЫ, живых и отживших организмов (как ния относятся к геологии, „ . минералогии, почвове- растении, так и животных), климата, географии, агро возраста страны и рельефа местности; номии. почва, как и всякий другой организм, всегда имеет известное строение, нормальную толщину и нормальное положение...» Василий Васильевич До- Почва как среда жизни 61 Эдафические факторы - это свойства почвы как экологического фактора. Для почвы характерна более или менее рыхлая структура, определенная водопроницаемость и аэрируемость. В верхних горизонтах почвы концентрируются вещества, содержащие элементы, необходимые для питания растений, - фосфор, азот, кальций, калий и многие другие. В почвенной влаге содержатся газы, растворимые соли, питательные вещества, но иногда и токсичные для организмов соединения. Такие почвенные растворы могут быть кислыми, нейтральными или щелочными. Почва обладает своеобразными биологическими особенностями, поскольку тесно связана с жизнедеятельностью организмов.Верхние слои содержат массу корней растений. В процессе роста, отмирания и разложения они разрыхляют почву, создавая определенную структуру, а вместе с тем и условия для жизни других организмов. Роющие животные перемешивают почвенную массу, а после смерти становятся источником органического вещества для микроорганизмов. Большую роль в формировании почвы играет рельеф. На одинаковых и одновозрастных формах рельефа образуются близкие и даже однотипные почвы. Свойства почвы в своей совокупности создают ее определенный экологический режим, основными показателями которого служат гидротермические факторы и аэрация. Хорошо увлажненная почва легко прогревается и медленно остывает. На ее поверхности происходят более резкие колебания температуры, чем в глубине. При этом суточные колебания затрагивают слои до глубины в 1 м, и если учесть, что зимой температура почвы с глубиной повышается, а летом, наоборот, падает, то легко можно представить сезонные вертикальные миграции почвенных организмов, вызванные изменением условий обитания. Естественно, зимой почвенные животные находятся глубже, чем летом. Газообмен почвенного воздуха с атмосферным, при котором почвенный воздух обогащается кислородом, а приземный - углекислотой, называется аэрацией (от греч. аег - воздух). На аэрацию почвы, которая возможна только благодаря ее пористости. 62 влияет много факторов. Например, повышение влажности препятствует проникновению в почву кислорода. С глубиной количество углекислого газа в почве увеличивается, а кислорода -уменьшается. При повышении температуры воздух расширяется и выходит из почвы, а при понижении он более интенсивно проникает в промежутки между почвенными частицами. Различают физическую и физиологическую сухость почвы. Физическая связана с недостатком влаги и наблюдается в сухом климате; физиологическая возникает в результате физиологической недоступности физически доступной воды. На сфагновых болотах, несмотря на большое количество влаги, вода оказывается недоступной для многих растений из-за высокой кислотности почвы, ее плохой аэрации и наличия токсичных веществ, нарушающих нормальную физиологическую функцию корневой системы. Органическое вещество почвы играет важную роль в росте и развитии растений. Оно состоит из продуктов гумификации (аэробное разложение) и неполного разложения растительных остатков и трупов почвенных животных. Перегной, или гумус, для всех почвенных обитателей является основным источником необходимых для жизни минеральных соединений и энергии. Он обусловливает плодородие почв и их структуру. Гумус служит источником физиологически активных соединений (витамины, органические кислоты, полифенолы и др.), которые стимулируют рост растений. Наиболее древними почвообразователями являются микроорганизмы. Они функционировали задолго до появления на Земле высших растений и животных. Синтез физиологически активных соединений, гумусообразование и полная минерализация органических остатков - вот главная функция микроорганизмов в почвообразовательных процессах. В числе почвенных микроорганизмов имеются представители и растительного, и животного мира. Прежде всего это одноклеточные и многоклеточные водоросли. Многие из них обладают пигментами типа хлорофилла и отличаются от других микроорганизмов тем, что способствуют обогашению почвы органическим веществом и кислородом. Однако наиболее многочисленны в 63 почвенной микрофлоре грибы, актиномицеты (лучистые грибы, близкие к бактериям) и бактерии. В почвенной микрофауне особое значение имеют амебы и ресничные, а также многочисленные микроскопические круглые черви - нематоды. Есть сведения о присутствии в почве также неклеточных форм микроорганизмов -бактериофагов (бактериальных вирусов) и вирусов. В целом процесс гумусообразования начинается разрушением и измельчением растительной массы и мертвого животного вещества. Этот процесс осуществляется позвоночными и беспозвоночными животными при обязательном участии грибов и бактерий. К таким животным относятся фитофаги, питающиеся только растительной пищей; сапрофаги, потребляющие гниющие остатки организмов; некрофаги, питающиеся трупами животных; хищники, поедающие живых животных; копрофаги, уничтожающие экскременты животных. Большую роль в процессах почвообразования играют подвижные почвенные животные. Они разрыхляют почву, создают условия для ее аэрации, механически перемещают в почве органические и минеральные вещества. Например, дождевые черви на луговых почвах за год выбрасывают на поверхность до 80-90 т/га переработанной земли, а степные грызуны перемещают вверх и вниз сотни кубических метров грунта и органического вещества. Количество организмов в почве огромно, однако в связи со сглаженностью экологических условий все они отличаются «выравненностью группового состава». Кроме того, для них характерна повторяемость в различных климатических зонах. Почвенные организмы по степени связи со средой обитания разделяются на три основные группы: ♦ Геобионты - постоянные обитатели почвы, весь цикл их развития протекает в почве (дождевые черви, многие первичнобескрылые насекомые). ♦ Геофилы - животные, часть цикла развития которых проходит в почве. К ним относится большинство насекомых: саранчовые, ряд жуков, комары-долгоножки. Личинки их развиваются в почве, а во взрослом состоянии это типичные наземные обитатели. 64 ♦ Геоксены - животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища (таракановые, многие полужесткокрылые, грызуны, млекопитающие, живущие в норах). По размерам и степени подвижности почвенные обитатели делятся на группы; ♦ Микробиота - почвенные микроорганизмы, составляющие основное звено детритной пищевой цепи (зеленые и синезеленые водоросли, бактерии, грибы, простейшие). ♦ Мезобиота - сравнительно мелкие подвижные животные (почвенные нематоды, мелкие личинки насекомых, клещи, ного-хвостки). ♦ Макробиота - крупные относительно подвижные насекомые, дождевые черви и другие животные вплоть до роющих позвоночных. Особую группу представляют организмы, заселяющие сыпучие подвижные пески. Растения, приспособившиеся к таким местам обитания, называются псаммофитами (от греч. psammos -песок), примеры: полынь песчаная, волоснец песчаный, саксаул белый, солянки, джузгун, песчаная акация. Примеры животных-псаммофилов - организмов, обитающих в песчаном грунте: рыбы, откладывающие икру при нересте на песчаный грунт (пескари, бычки, гольцы и др.); ящерицы, тонкопалый суслик, гребнелапый тушканчик, верблюды. На сухих песчаных почвах при ветре часто происходит вьщу-вание и перемещение песка. Подвижные пески надвигаются на соседнюю растительность, на посевы. Это явление наблюдается и при ошибках, допущенных во время обработки почвы, при проведении мелиоративных работ. Для закрепления подвижных песков используются растения-псаммофиты; ивы-шелюги, кандымы и другие кустарники. После закрепления песка псаммофитами создаются благоприятные условия для произрастания других растений. Так, на закрепленных дюнах морского побережья разрастаются сосновые леса; на степных и пустынных песках успешно возделываются бахчевые, зерновые, кормовые и плодовые растения. 5 Заказ 451 65 в зонах недостаточного увлажнения, в основном в степях и пустынях, широко распространены засоленные почвы. Это связано с тем, что в засушливом и жарком климате наблюдается неполное промывание почв осадками. В таких почвах преобладает восходяший ток воды, который приносит в верхние горизонты большое количество легкорастворимых солей, вредных для большинства растений и животных. Почвы, насышенные солями хлорида натрия, хлорида кальция и др., испытывающие постоянное и сильное увлажнение, называются солончаками. При высыхании на их поверхности образуется корочка из кристаллических солей. Промежуточное положение между солончаками и незасоленными почвами занимают солончаковые почвы; они увлажняются сравнительно слабозасоленными водами. Растения, обитающие на засоленных почвах, называются галофитами (солерос, сарсазан, содовая и калийная солянки, поташник и др.). Все они имеют очень высокое осмотическое давление, позволяющее им использовать почвенные растворы, поскольку сосущая сила корней превосходит сосущую силу почвенного раствора. Некоторые галофиты выделяют излишки солей через листья или накапливают их в своем организме. Животные, приспособленные к жизни на засоленных почвах, называются галофилами (личинки некоторых пустынных жуков-чернотелок). /Sonfiooxi и заманил /. Что называется эдафическим фактором? 2. Приведите примеры групп почвенных организмов. 3. Дайте краткую характеристику различным типам почв. Практическая работа №5 (по практикуму - №14). Оценка экологического состояния почвы. 66 § 10. Живые организмы как среда жизни Владимир Николаевич Беклемишев - известный зоолог, основатель школы медицинских паразитологов и энтомологов. Понятие о топических'СВЯЗЯХ в науку ввел В. Н. Беклемишев (1890-1962), подразумевая под ними воздействие одних организмов на другие через изменение различных абиотических факторов (движение воды и воздуха, освещение, температура, влажность). Результатом топических связей, по выражению В. Н. Беклемишева, является «кондиционирование» среды, т. е. создание одним организмом определенных физических или химических условий для другого. Например, под пологом леса многие животные укрываются от непогоды, врагов, находят там определенные условия микроклимата, способствующие размножению и выкармливанию потомства. В лесных массивах благодаря растительности, как правило, повышается влажность воздуха, уменьшается амплитуда температурных колебаний в течение суток, гасятся движения воздуха, создается своеобразный температурный режим почвы, т. е. формируются условия абиотической среды, благоприятные для жизнедеятельности различных организмов. На растениях находят убежище самые различные животные. Они поселяются в расщелинах коры, в листве, строят гнезда на ветвях. Своеобразную среду обитания предоставляют древесные растения вьющимися, лазающими растениями и эпифитами, которые поселяются на других растениях, но не являются паразитами, так как пользуются этими растениями только как местом прикрепления (орхидеи, мхи, лишайники и пр.). С другой стороны, сами эпифиты благоприятны для жизнедеятельности различных организмов. Например, в лесах Малакки произрастает папо ротник-эпифит олений рог. В розетках листьев его накапливаются опавшие листья и влага, и со временем образуется гумус, ко- 5* 67 Живой организм как среда жизни торый заселяется специфической фауной (даже дождевыми червями). Для животных и растений, ведущих паразитический образ жизни, организм, на котором или в котором они поселяются (хозяин), является специфической средой обитания. Наиболее детально и всесторонне это явление описали В. А. Догель, Е. Н. Павловский и др. Они показали, что организм хозяина для паразита является средой жизни. Многие паразиты почти полностью утратили связь с внешним миром - все стадии их развития проходят в организме хозяев. Между паразитами и хозяевами в процессе эволюции возникли сложные взаимоотношения. Вьщеляют три пути возникновения паразитизма: ♦ «Квартирантство» - когда более мелкий организм поселяется в жилище более крупного или вблизи него и со временем переходит на тело хозяина, а затем и внутрь, переключаясь на питание за счет его пищи или соков и тем самым причиняя ему вред. Так квартирант превращается в паразита. 68 ♦ Хищничество - если хищник нападает на крупную добычу, которую не может уничтожить и съесть сразу, он прикрепляется к ней и постоянно питается тканями или соками ее тела. При определенных условиях такой хищник проникает внутрь тела хозяина и превращается в паразита. ♦ Случайное проникновение - крупные животные могут заглатывать с пищей мелкие организмы; некоторые из них не погибают, а, приспосабливаясь ж новым условиям, превращаются в паразитов. Все паразиты делятся на две группы: ♦ Эктопаразиты - наружные паразиты, обитающие на ‘ поверхности тела хозяина (клещи, пиявки, блохи). ♦ Эндопаразиты - внутренние паразиты, живущие внутри тела хозяина (большинство гельминтов, бактерий, вирусов, паразитические простейшие). Кроме того, выделяют постоянных паразитов, которые приурочены к одному хозяину: вши, пухоеды, чесоточные зудни и др., - и периодических паразитов, развитие которых протекает со сменой хозяев: многие ленточные черви, сосальщики; малярийный плазмодий определенную часть жизни проводит в малярийном комаре (промежуточным хозяином его является человек). Паразиты бывают и факультативными. Для них пара- Формы параз»ггиэма 69 зитизм не обязателен. Так, миноги могут либо паразитировать на крупных рыбах, либо вести хищнический образ жизни, поедая мелких животных. И у животных, и у растений, ведущих паразитический образ жизни, выработались многочисленные приспособления к паразитированию в виде анатомо-морфологических и физио-логических особенностей. Многие паразиты-насекомые утрачивают крылья (вщи, блохи). Наряду с упрощением организации почти у всех паразитов появляются специфические органы фиксации (крючки, зацепки, присоски и др.). Высокая плодовитость многих паразитов позволяет им выжить в борьбе за существование. Аскарида продуцирует за 5-6 месяцев 50-60 млн. яиц, общий вес которых в 1700 раз превыщает вес самки; свиной цепень вьщеляет за год примерно 600 млн. яиц и живет до 18 лет. Г? 7 ?' | ^ottfiocbt и заманил /. Что называется топическими связями? Приведите пример топической связи. 2. Как живые организмы становятся средой жизни для других организмов? 3. Приведите примеры организмов, взаимодействующих между собой по схеме «хозяин - паразит». 70 § 11. Биологические ритмы Для жизни животных и растений наиболее важное значение имеют температура, влажность, световой режим, давление, электромагнитное поле, приливы и отливы. Основной особенностью этих факторов является сезонная и суточная изменчивость, возникающая в результате вращения Земли вокруг своей оси и Солнца, а также вращения Луны относительно Земли. Закономерно изменяются эти факторы и в связи с географической зональностью. У растений и животных в результате длительного естественного отбора развились определенные анатомо-морфологические, физиологические, биохимические и другие специфические признаки и свойства, позволившие им приспособиться к той или иной среде. У каждого вида выработался характерный для него годичный цикл с определенной последовательностью и длительностью периодов интенсивного роста и развития, размножения, подготовки к зиме и зимовки. Последовательное чередование во времени каких-либо состояний организма называется биологическим ритмом. Эти ритмы поддерживаются внутренним механизмом, благодаря которому организмы способны циклически менять свое состояние (биологические часы). При помощи биологических часов у них устанавливаются суточные, сезонные, годовые и другие ритмы различных физиологических процессов. Различают внутренние, или физиологические, ритмы организма и внешние, имеющие геофизическую природу и следующие за циклическими изменениями во внещней среде. Внутренние ритмы возникли исторически. Для нормальной жизнедеятельности любой живой организм переходит из состояния высокой физиологической активности в состояние физиологического покоя. Процессы анаболизма (синтеза) сменяются процессами катаболиза (распада). Если это не достигается, физиологические функции организма нарущаются. 71 Факторы, обуславливающие биологические ритмы Живые организмы, приспосабливаясь воспринимать колебания внешней среды, соответственно им настраивали свои физиологические процессы. Это происходило в основном под влиянием трех факторов: вращения Земли по отношению к Солнцу (солнечные сутки = 24 ч); к Луне (лунные сутки = 24,8 ч); к звездам (звездные, сидерические сутки = 23,9 ч). Накладываясь друг на друга, эти факторы воспринимались живыми организмами как ритмика, близкая, хотя и не точно соответствуюшая 24-часовому периоду. Это и явилось одной из причин некоторого отклонения эндогенных биологических ритмов от точного суточного периода. Вот почему они называются циркадными (от лат. circa - около, dies - сутки) ритмами, т. е. приближающимися к суточному ритму. Если белок-летяг содержать в абсолютной темноте беспрерывно, все они просыпаются и ведут активный образ жизни вначале одновременно, но вскоре - в разное время, и при этом 72 каждая особь сохраняет свой ритм. Если затем восстановить правильное чередование дня и ночи, периоды сна и бодрствования зверьков снова становятся синхронными. Таким образом, внешний раздражитель (смена дня и ночи) регулирует врожденные циркадные ритмы, приближая их к 24-часовому периоду. У многих животных суточная периодичность не сопровождается существенными отклонениями физиологических функций, а проявляется в основном изменениями двигательной ак тивности. Это и есть внешние, экзогенные суточные ритм Суточная периодичность характерна для дневных, сумеречных и ночных животных. В водоемах наблюдается дневное и ночное перемещение планктона. При этом изменение светового дня от весны к осени влечет за собой и изменение активности животных в течение суток, т. е. суточная периодичность является ярко выраженным экзогенным ритмом. Связь климатических факторов с периодическими (сезонными) процессами, происходящими в жизни животных и растений, изучает фенология (от греч. phainomena - явление). Кроме суточных и сезонных ритмов, в природе наблюдается многолетняя периодичность биологических явлений. Она определяется изменениями погоды, закономерной сменой ее под влиянием солнечной активности и выражается чередованием урожайных и неурожайных лет, лет обилия или малочисленности популяций. О Н Z 5 100 3 а X 3 £ 50. Прирост деревьев в Германии (по А. Л. Чижевскому) Солнечная активность I Т ' I ' ' I' I I I I I IS30 1Я40 18S0 то 1870 1880 18Ю 1900 Ш 100 50 о X X § Влияние солнечной активности на природные процессы на Земле 73 Различают 5-6-, И-летние, а также вековые (80-90-летние) циклы солнечной активности. fSoHfiocbt и заманил /. Что называется биологическими ритмами? Назовите основные причины возникновения биологических ритмов. ■2. Какое значение для жизнедеятельности организмов имеют биологические часы? 3. Что изучает фенология? Приведите примеры проявления действия биологических часов. § 12. Фотопериодизм Свет является исключительно важным сигнальным фактором, поскольку именно смена освещения, световой режим обусловливает изменение активности (периоды покоя и интенсивной жизнедеятельности) и определяет периоды размножения, миграции, линьки и другие биологические явления у животных и растений, т. е. регулирует ритмику их суточной и сезонной жизни. Сигналом о приближении зимы служит уменьшение длины дня, которое всегда тесно связано с последующим похолоданием. В течение года длина дня изменяется строго закономерно и не подвержена колебаниям, подобным колебаниям других экологических факторов. Ритмические изменения морфологических (форма и строение организма), биохимических и физиологических свойств и функций организмов под влиянием чередования и длительности освещения называются фотопериодизмом. Под фотопериодическим контролем находятся практически все метаболические процессы, связанные с развитием и размножением растений и животных. По отношению к фотопериодизму растения делятся на три типа: 74 ♦ Растения короткого дня (зацветание и плодоношение наступает при 8-12-часовом освещении). Это растения южных районов (гречиха, просо, подсолнечник, конопля и др.). ♦ Растения длинного дня (требуют удлинения дня до 1620 часов). В умеренных широтах большинство растений принадлежит к растениям длинного дня. Северными длиннодневными растениями являются рожь, ячмень, овес, лук, лен, морковь. ♦ Растения, нейтральные к длине дня. Среди таких растений можно назвать виноград, бархатцы, флоксы, сирень. Животные, особенно насекомые, также чутко реагируют на продолжительность дня. Только в условиях длинного дня развиваются капустная белянка, березовая пяденица. В то же время многие совки, тутовый шелкопряд, саранчовые - типичные представители насекомых короткого дня. Для растений свойственно состояние покоя, характеризующееся прекращением роста и замедлением физиологобиохимических процессов. Если растение не впадает в состояние покоя, то зимой оно вымерзает. Различают органический, глубокий и вынуиаденный покой растений. ♦ Органический покой. Характерен для плодов, клубней, почек. Так, картофель осенью даже при высоких температурах не прорастает. Осенью и ранней зимой не распускаются почки срезанных с дерева и поставленных в воду ветвей. В течение органического покоя в растении происходят изменения в нуклеиновом и белковом обмене в эмбриональных клетках и тканях, что обеспечивает возобновление нормального роста весной. ♦ Глубокий покой. Наступает одновременно с органическим или после него и обусловливает морозоустойчивость растений. ♦ Вынужденный покой. Проявляется в том, что растения длительное время не приступают к росту из-за неблагоприятных условий. Это часто бывает весной. 75 у животных приспособления к переживанию неблагоприятных сезонных явлений более многообразны, чем у растений. Во время зимовки у животных происходит перестройка метаболизма, в результате чего у одних видов повышается холодостойкость, у других - уровень теплообразования. У птиц и млекопитающих наблюдается линька, смена шерстного и перьевого покровов. Своеобразным приспособлением к неблагоприятным сезонным явлениям служит спячка. Она может наступить на любой стадии развития. Различают летнюю и зимнюю спячку. Летняя наблюдается при слишком высоких температурах и снижении влажности воздуха, зимняя - при понижении температуры. В период спячки у животных значительно (в 10-20 раз) снижается уровень обмена веществ и потребление кислорода. В результате млекопитающие и особенно пресмыкающиеся, земноводные и большинство беспозвоночных впадают в глубокое оцепенение. Однако у некоторых млекопитающих в состоянии так называемого зимнего сна сни Медведь в период зимней спячки 76 жение интенсивности обмена веществ невелико. Например, бурые медведи в этот период даже рождают детенышей. Для членистоногих, особенно насекомых, характерна диапауза, т. е. временная приостановка развития. У каждого вида она наступает на определенной стадии жизненного цикла и часто вне видимой и непосредственной связи с факторами внешней среды. К примеру, у кольчатого шелкопряда диапауза наблюдается в фазе яйца и продолжается с середины лета до весны следующего года; у соснового шелкопряда диапауза наступает в фазе гусеницы; у капустной белянки - в фазе куколки; у крапивниц, лимонниц и других бабочек, появляющихся ранней весной, диапауза наступает осенью, во взрослом состоянии. Широко распространенным приспособлением к неблагоприятным условиям у многих высших животных являются миграции, т. е. закономерные перемещения в определенном направлении, выработавшиеся в процессе исторического развития. Так, при высыхании растительности на возвышенностях многие грызуны перекочевывают в пониженные места. Постоянно кочуют в поисках корма северные олени.' Значительные миграции совершают перелетные птицы. Особым приспособлением к неблагоприятным условиям служит анабиоз - состояние организма, при котором жизненные процессы настолько замедляются, что отсутствуют все видимые признаки жизни. Это состояние наиболее характерно для спор, сухих семян растений, высохших лишайников, для простейших одноклеточных животных, коловраток, круглых червей, некоторых членистоногих. С помощью анабиоза организмы могут переносить неблагоприятные условия, например, крайне низкие температуры. ''в 3onfioOft и заманил /. Что такое фотопериодизм и какое значение он имеет в природе? 77 2. Приведите примеры растений короткого и длинного дня, а также нейтральных к длине дня. 3. Приведите примеры дневных, сумеречных и ночных животных. У. Объясните, что такое органический, глубокий, вынужденный покой, спячка, диапауза, миграции, анабиоз. лроветь сет Дайте определения или характеристику основным понятиям и терминам раздела «Аутэкология»: среда: окружающая, природная, техногенная; среда обитания, местообитание; экологический фактор; уровни организации живых систем; эмерджентность; абиотические, биотические и антропогенные экологические факторы; экологическая пластичность (валентность); стенобионтность и эвриби-онтность видов; закон минимума Либиха; закон толерантности Шелфорда; правило Аллена; биоклиматический закон Хопкинса; основные среды жизни; биологические ритмы, фенология, фотопериодизм. 78 ___иы не должны, aa^bt^ojfib, Hriio каждое единичное о^иалическое О{щесй1во. мозняо сказшкь, Hanfisuaerii ice ciou силы., чжобы ^ » tfieMi4uifib cioK) численлоань; ч/Яо каждое из ^ них Mcuieifi, Лолько iыqeftжuielл 6oftb3(f i Kcuctxu-Huitfcjb io3fiacme cioeit жизни; чжо f жеакою)е ua^iftedлeнue неизлшшо o^fufum- iaejficx на aiiafieio или лloлoqoю i Koxcqoui поколении или 4efte3 noi;^ioftsuou^uecя nftouie-Ж1/;Яки. У^алшке Но или илле п/и-л-ШнсиШие, со-Kftcufiuhie, хонйя ^ы незшгчшЯельно, ucAifi^-ление, и численноань iuqa почнш. люл1ен-AiaJbHO i03fiacAiaeHi qo лю^ых flaзлlefюi. Ч. Дарвин IJJeJ 2 ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ (демэкология) § 1. Понятие популяции Популяцией в экологаи называют группу особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяю-нщх большую территорию. Согласно определению С. С. Шварца, популяция - это элементарная группировка организмов определенного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды. Слово «популяция» происходит от латинского populus - народ, население. Популяциям свойственен рост, развитие, способность поддерживать существование в посто- Станислав Семенович Шварц - известный зоолог. Основные научные работы посвящены учению о популяциях. 79 янно меняющихся условиях, т. е. популяции обладают определенными генетическими и экологическими характеристиками. Г???) ^onfiocbt и за^аяил /. Что называется популяцией? 2. Приведите примеры популяций разных видов вашего региона. Популяция карасей 80 § 2. Основные характеристики популяции ♦ Пространственное распределение особей. Особи, составляющие популяцию, могут иметь различные типы пространственного распределения, выражающие их реакции на благоприятные и неблагоприятные физические условия или конкурентные отнощения. Знание типа распределения организмов очень важно при оценке плотности популяции методом выборки. Состояние и функционирование популяции зависит как от общей численности популяции, так и от пространственного размещения особей. Различают случайное, равномерное и группобое распределение особей и их групп. Рассмотрим пример, в котором с помощью математической обработки результатов экспериментов можно определить характер распределения особей в популяции. Под выборкой мы будем понимать серию экспериментов по оценке плотности популяции. Обозначим количество выборок п. Если через m обозначить среднее число особей в каждой выборке, то дисперсию s^, с помощью которой можно судить о характере пространственного распределения особей, определяют по формуле ^2 ^ Е(т-х)^ п-1 где - мера рассеяния или отклонения значений х от среднего m (дисперсия); х - число особей в каждом эксперименте. Предположим, мы провели 3 серии экспериментов (п = 3), данные этих экспериментов приведены в таблице. п X Xi-l-X2-f-X3 "*= 3 (x-m) (x-m)^ Z(x-m)^ 1 50 0 0 2 40 50 10 100 200 100 3 60 10 100 6 Заказ 451 81 Численность популяции бобров • • %*. “ _ ж в случае равномерного распределения равна нулю, поскольку число особей в каждом выборе постоянно и равно среднему. При случайном распределении среднее m и дисперсия равны (при достаточном количестве выборок п). При 2 групповом распределении дисперсия s выше среднего, и разница между ними тем больше, чем сильнее тенденция организмов к образованию скоплений. В нашем случае s >m, т. е. мы имеем групповое распределение особей. Равномерное распределение особей встречается в природе крайне редко. Оно чаще связано с острой конкуренцией между разными особями. Такой тип распределения характерен, например, для хищных рыб и колющек с их территориальным инстинктом. Лучщий пример равномерного распределения дает пластинчатожаберный моллюск, живущий на песчаных пляжах по берегам Ла-Манша. • • Случайное т Групповое 82 групповое распределение в популяции морских котиков Случайное распределение встречается только в однородной среде и у видов, не обнаруживающих склонности к скоплению. Распределение мучного хрущака в муке совершенно случайное. Распределение группами -гораздо более распространенное. Группы в свою очередь могут распределяться случайно или образовывать скопления. Особенно хорошо изучено пространственное размещение деревьев в лесу. Если деревья в лесу состоят из одной породы, то вначале они обычно распределяются скоплениями, и только со временем их размещение становится более равномерным, а густота в результате внутривидовой конкуренции уменьшается. Таким равномерным пространственным распределением отличаются, например, сосновые и буковые леса. В смешанных растительных сообществах подавляемые виды обычно образуют «букеты» (групповое распределение), а доминирующие виды имеют равномерное распределение. ♦ Численность популяции - это общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Оно никогда не бывает постоянно и зависит от соотношения интенсивности размножения (плодовитости) и смертности. В процессе размножения происходит рост популяции, смертность же приводит к сокращению ее численности. ♦ Плотность ПОПУЛЯЦИИ определяется количеством особей (либо биомассой) на единице площади или объема, занимаемого популяцией. Например, 150 растений сосны на 1 га или 0,5 г циклопов в 1 м^ воды характеризуют плотность популяции этих видов. 6* 83 Рождаемость как показатель популяции ♦ Рождаемость - число новых особей, появившихся в единицу времени в результате размножения. В живых организмах заложена огромная возможность к размножению. Подсчитано, что бактерии делятся каждые 20 мин. При таком темпе одна клетка за 36 часов может дать потомство, которое покроет сплошным слоем всю нашу пла-' нету. Один одуванчик менее чем за 10 лет способен заселить своими потомками земной шар, если все семена прорастут. В действительности же такая громадная плодовитость организмов никогда не реализуется. ♦ Смертность - это количество особей, погибших за определенный период. Различают три типа смертности. Первый характеризуется смертностью, одинаковой во всех возрастах; второй тип отличается повышенной гибелью особей на ранних стадиях развития; третий тип характеризуется повышенной гибелью взрослых (старых) особей. ♦ Прирост популяции - разница между рождаемостью и смертностью; прирост может быть как положительным, так и отрицательным. Естественный прирост людей в России в 1990 г. составил +2,2 (рождаемость на 1000 человек населения 13,4; смертность - 11,2); в 1991 г. - +0,7; в 1992 г. - -0,8. В Санкт-Петербурге в 1993 г. смертность (13,4) намного превышала рождаемость (7,7). Длительность жизни поколения (условная) Кривые выживаемости (смертности) (по Э. Макфедьену) 84 ♦ Темп роста - средний прирост за единицу времени. Если обозначить через Ro среднее число потомков, производимых одной особью данного вида за всю жизнь (чистая скорость размножения), то при Ro>l популяция растущая (характерна для мелких животных); Ro=l популяция стабильная; Ro'v ■^ “ * Sm’ ' w ^ ^ bJl _ . Межвидовая конкуренция между рысью и росомахой 94 Косвенная - не предполагает непосредственного взаимодействия между особями. Она происходит опосредованно - через потребление разными животными одного и того же ресурса, который является ограничивающим (лимитирующим) фактором. Поэтому .косвенную конкуренцию называют также эксплуатационной. Було обнаружено, что в процессе жизнедеятельности растения, животные и микроорганизмы вьщеляют во внешнюю Среду газообразные, жидкие и твердые вещества (фитонциды), которые, обладая определенной биологической активностью, оказывают влияние на другие организмы. Явление это известно с древних времен, но лишь в 1937 г. немецкий ботаник X. Молиш дал ему название аллелопатии (от греч. allelon - взаимный, pathos -страдание, воздействие) - взаимодействие организмов посредством специфически действуюших химических продуктов обмена веществ. Чаще всего аллелопатия проявляется в подавлении одного вида другим, например, пырей и сорняки вытесняют культурные растения, орех и дуб своими выделениями угнетают травянистую растительность под кроной и т. д. ♦ Симбиоз. Обоюдовыгодное сожительство особей разных видов. Классический пример симбиоза у животных - сожительство рака-отшельника и актинии, которая прикрепляется к спине рака, маскируя и зашищая его (у кишечнополостных имеются стрекательные клетки). В свою очередь, актиния питается кусочками пиши, оставшимися от трапезы рака, и использует его как средство передвижения. Форму симбиоза приобретают отношения многих муравьев и тлей; муравьи защишают тлей от врагов, а сами питаются их сахаристыми вьщелениями. Наиболее совершенный симбиоз наблюдается у термитов, пищеварительный тракт которых служит приютом для жгутиковых. Термиты известны своей способностью питаться древесиной, несмотря на отсутствие у них ферментов, гидролизующих целлюлозу. Это делают за них жгутиконосцы. Образующийся сахар используется термитами. Термиты не могут существовать без этой,кишечной фауны. 95 Симбиоз рака-отшельника и актинии Симбиоз среди растений представлен в широко распространенных лишайниках - симбиозе водорослей и грибов. ♦ Сотрудничество. Случай, когда две популяции образуют сообщество. Оно не является обязательным, так как каждый вид может существовать отдельно, но жизнь в сообществе приносит пользу обоим. Совместное гнездование нескольких видов птиц, таких, как крачки й цапли, представляет пример сотрудничества, позволяющего им более успешно защищаться от хищников. ♦ Комменсализм (от фр. commensal - сотрапезник). Один из вариантов сожительства организмов разных видов, при котором один организм живет за счет другого, не причиняя ему какого-либо вреда. Комменсализм ближе к симбиозу, чем к паразитизму. Например, рыба-прилипала присасывается к крупной рыбе и передвигается вместе с ней, питаясь остатками ее корма. На наземных 96 Пример комменсализма - крупная рыба и рыба-прилипала жуках (навозниках, мертвоедах и др.) встречаются подвижные личинки гамазовых клещей, которые таким способом и расселяются. Кольчатый червь, живущий в раковине своего хозяина, ра-ка-отщельника, поедает остатки его пищи, схватывая их непосредственно с ротовых частей хозяина. ♦ Аменсадизм (от лат. mensa - стол, трапеза). Взаимоотношения, при которых возникают отрицательные условия для одной из популяций: угнетение роста, размножения и др., а вторая подобным неудобствам не подвержена. Аменсализм можно рассматривать как крайнюю форму аллелопатии, т. е. невозможности существования того или иного вида в присутствии другого в результате интоксикации среды. Таковы, например, взаимоотношения плесневых грибов с бактериями (плесневые грибы вырабатывают антибиотики, в присутствии которых жизнедеятельность бактерий подавляется или существенно ограничивается). ♦ Хип1ничество. Взаимодействие между популяциями, при котором одна из них, неблагоприятно влияя на другую, получает от этого выгоду. Обычно жертва убивается хищником и съедается целиком или частично. В основе отношений «хищник - жертва» лежат пищевые связи. До недавнего времени было распространено 7 Заказ 451 97 ' ''“V . Vi^ Пример хищничества мнение, будто все хищники - вредные животные, и их следует уничтожать. Это ошибочное представление, поскольку уничтожение хищников часто приводит к нежелательным последствиям и наносит большой ушерб и природе и хозяйственной деятельности человека. Ведь жертвами хишников обычно бывают больные и ослабленные особи, уничтожением которых сдерживается распространение болезней, оздоравливается та или иная популяция. Сегодня уже нет сомнений, что волки, например, содействуют интенсивному размножению и повышению жизнеспособности популяции северных оленей в лесотундре и тундре; щуки в прудовых хозяйствах, если они количественно не превыщают определенного предела, стимулируют продуктивность карпов, и т. п. ♦ Паразитизм (от греч parasites - тунеядец, нахлебник). Межвидовые взаимоотношения, при которых один вид (паразит) живет за счет другого (хозяина), поселяясь внутри или на поверхности его тела. Примеры паразитизма 98 Например, бычьи ленточные черви попадают в организм человека при использовании в пищу сырого или плохо обработанного мяса, содержащего личинки этого паразита. Попав в пищеварительный тракт человека, они вырастают во взрослых ленточных червей, присасываясь головками к стенкам кищечника. Кишечник человека поставляет им пищу, воду, создает теплую среду. Обживщиеся здесь ленточные черви откладывают яйца, которые с испражнениями человека вновь поступают в окружающую среду, и т. д. К паразитам относятся хорощо знакомые вам грибы - опята. Они группами поселяются на пнях, поваленных древесных стволах, а иногда и на живых деревьях, питаясь накопленными ими органическими веществами. Между паразитизмом и хищничеством существуют переходные формы, которые трудно отнести к той или иной категории гетеротипических реакций. Например, среди некоторых насекомых (ос, пчел, муравьев) есть виды-паразитоиды, которые вначале (в личиночном состоянии) ведут себя как паразиты, щадя жизненно важные органы хозяина, а под конец развития съедают своего хозяина и становятся настоящими хищниками. 'у у i) Sonfiocbt и заманил /. Дайте краткую характеристику биотических факторов. Приведите примеры. 2. В чем заключается эффект группы и эффект массы? Приведите примеры. 3. В чем заключается экологический смысл принципа У. Олли? Практическая работа №7 (по практикуму №4). Изучение внутривидовой конкуренции за пищевые ресурсы. 7* 99 § 4. Принцип конкурентного исключения Правило конкуренции распространяется как на внутривидовую конкуренцию, так и на межвидовую. Его суть заключается в том, что два вида с совершенно одинаковыми потребностями не могут существовать вместе; один из них через какое-то время обязательно вытеснит другой. Приведем пример: благодаря пути из варяг в греки на север проникла черная крыса. Она загнала серую крысу (пасюка) в подполье, а сама обосновалась на чердаках. Когда, в связи с развитием судоходства, на юге появилась серая крыса, то она вытеснила черную крысу в чердачные помещения, а сама обосновалась в подполье и канализационной сети. Это положение названо принципом конкурентного исключения (вытеснения), или принципом Гаузе - в честь русского ученого Г. Ф. Гаузе, впервые продемонстрировавшего это явление в экспериментах с инфузориями. Иногда два близких вида, имеющие сходные пищевые потребности, живут на одной территории, не конкурируя друг с другом. Такие, казалось бы, исключения из принципа Гаузе можно обнаружить у птиц. В Англии большой баклан и хохлатый баклан совместно гнездятся на одних и тех же скалах и кормятся в одних и тех же водах, но они вьшавливают разную пищу. Больщой баклан ныряет глубоко и питается преимущественно животными, ведущими донный образ жизни (камбала, креветки), тогда как хохлатый баклан охотится в поверхностных водах на сельдевых рыб. Подобные факты подводят нас к понятию экологической ниши. Термин «экологическая ниша» предложил в 1910 г. Ф. Джонсон. По образному выражению американского зоолога Одума, местообитание - это адрес вида, тогда как экологическая ниша -это род его занятий. Экологическая ниша (от фр. niche - гнездо) - это совокупность всех требований организма к условиям существования, включая занимаемое им пространство, функциональную роль в 100 сообществе и его устойчивость по отношению к факторам среды (температуре, влажности, кислотности и др.). Используя понятие экологической ниши, можно конкретизировать принцип Гаузе: два вида не могут занимать одну и ту же экологическую нишу. Разделение экологических ниш в результате межвидовой конкуренции между обитающими совместно видами осушествля-ется в основном по трем параметрам: ♦ Пространственное размещение. Например, большой пестрый дятел ишет пропитания в основном на стволах деревьев, средний пестрый - на больших ветвях, а малый пестрый дятел -на ветках кроны. ♦ Пищевой рацион. Близкородственные виды животных характеризуются иногда различными пищевыми потребностями. Пищевые рационы пустынных ящериц состоят у одних видов преимущественно из муравьев, у других из термитов, у третьих из ящериц других видов или только из растений. ♦ Распределение активности во времени. Примерами могут служить разные типы суточной (у ласточек, летучих мыщей) или сезонной (у некоторых видов ящериц, насекомых) активности. В умеренных щиротах у садовой и черноголовой славок наблюдается сдвиг в периодах кладки в две недели. В тропиках эти виды могут размножаться круглый год, так как постоянное обилие необходимых для их питания насекомых ослабляет конкуренцию. , ТТ" fSonftocbt и заманил /. в чем заключается экологический смысл принципа конкурентного исключения Г. Ф. Гаузе? 2. Что называется экологической нищей? Приведите примеры. 3. Приведите примеры разделения по пространственному размещению, пищевому рациону и распределению активности во времени различных близких видов. 101 § 3. Динамика численности популяций Численность популяции определяется в основном двумя явлениями - рождаемостью и смертностью. В процессе размножения число особей популяции возрастает, теоретически она способна к неограниченному росту численности (кривая 1 на рисунке), однако факторы окружающей среды ограничивают этот рост, и реальная кривая (кривая 2) роста популяции приближается к значению предельной численности. Пространство, заключенное между теоретической кривой и реальной, характеризует сопротивление среды. I ^ Пр«||ФП чмсмммостм популвцми 0 с 1 у Ттортттчтскши кри— СОПрОТШВЛвМИ* С|>«Ак4 Х1НЦИИКМ, вО| и ироч Время Кривые роста 102 Общая численность популяции подвержена сезонным, многолетним периодическим колебаниям численности, а также непериодическим (например, вспышки массового размножения вредителей). Эти изменения численности и являются динамикой численности популяций. Существуют условные причины колебания численности популяций. ♦ При наличии доступного корма численность популяции растет, но при ее максимальной величине корм становится лимитирующим фактором, и недостаток его приводит к снижению численности. ♦ Взлеты и падения численности популяции могут происходить в процессе конкуренции нескольких популяций из-за одной экологической ниши. ♦ Сложные взаимоотношения популяций хищника и жертвы, паразита и хозяина также могут выступать одной из причин колебания численности. ♦ Абиотические факторы (температурный режим, влажность, химический состав среды и др.) оказывают сильное влияние на численность популяции и нередко вызьшают ее значительные колебания. Плотность популяции обычно имеет определенный оптимум. При любом отклонении численности от этого оптимума вступают в силу механизмы ее внутрипопуляционной регуляции. Рост плотности популяции многих насекомых сопровождается уменьшением размеров особей, снижением их плодовитости, повышением смертности личинок и куколок, изменением скорости развития и соотношения полов, что резко снижает активную часть популяции. Чрезмерное возрастание плотности популяции нередко стимулирует каннибализм (от фр. cannibale - людоед). Ярким примером может служить явление поедания своих же яиц мучными хрущаками. Каннибализм наблюдается у некоторых видов рыб, у земноводных и других животных. Каннибализм известен более чем у 1300 видов животных. Одним из важных механизмов внутрипопуляционной регуляции численности выступает эмиграция - выселение, переселение части популяции в менее предпочитаемые места обитания того 103 же ареала. У некоторых видов тлей повышение плотности популяции сопровождается появлением крылатых особей, способных расселяться. При переуплотцении эмиграции происходят у ряда млекопитающих (особенно у мышевидных грызунов) и птиц. Падение плотности популяции ниже оптимального уровня (например, при усиленном истреблении крыс) вызывает повышение плодовитости и стимулирует их более раннее половое созревание. Некоторые механизмы регуляции численности популяций одновременно могут предотвращать внутривидовую конкуренцию. Так, если птица отмечает свой гнездовой участок пением, то дру-П1я пара того же вида гнездится за его пределами. Метки, оставляемые многими млекопитающими, ограничивают их охотничий участок и предупреждают вселение других особей. Все это снимает внутривидовую конкуренцию и препятствует чрезмерному уплотнению популяции. Как отмечает И. И. Шмальгаузен (1884-1963), все биологические системы характеризуются большей или меньшей способ-_ ностью к саморегуляции, т. е. к гомеостазу (от Греч, homoios - тот же самый, похожий, stasis - неподвижность, стояние). Гомеостаз -это способность живой системы (в том числе и популяции) поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды. Динамическим равновесием называется колебание численности популяции в пределах какой-то средней величины. Первую попытку выявить механизмы гомеостаза в живой природе сделал К. Линней (1760 г.). Обобщенную концепцию гомеостаза и сам термин предложил У. Кеннон (1929 г.). Гомеостатической системой является прежде всего каждая отдельная особь, а за- Иван Иванович Шмальгаузен - известный зоолог и морфолог. Основные научные исследования посвящены эволюционной морфологии, экспериментальной зоологии, филогении жи- тем уже популяция. вотных, эволюционному учению и биокибернетике. Важным механизмом регуляции численности является стресс-реакция (от англ. 104 stress - напряжение). Для человека явление стресса впервые было описано в 1936 г. Г. Селье. В ответ на отрицательное воздействие каких-либо факторов в организме возникают реакции двух типов: специфические, зависящие от природы повреждающего агента (например, возрастание теплопродукции при действии холода), и неспецифическая реакция напряжения (стресс) как общее усилие организма приспособиться к изменивщимся условиям ' природе различают много форм стресса: ♦ антропогенный (возникает у животных под воздействием деятельности человека); ♦ нервно-психический (проявляется при несовместимости индивидуумов в группе или в результате переуплотнения популяции); ♦ тепловой, шумовой и др. ^onftoort. и заманил /. Что называется сопротивлением среды? В чем экологический смысл этого понятия? 2. Назовите основнью причины колебания численности популяций. 3. Дайте характеристику популяции как саморегулирующейся системы. Что называется гомеостазом популяции? § 6. Значение биотических взаимоотношений в регуляции численности видов Межвидовые взаимоотношения играют большую роль в динамике численности организмов в биоценозах. Хищники, уничтожая свои жертвы, влияют на их численность. Такое же действие оказывают и паразиты: ослабляя хозяев, они сдерживают их размножение, при этом наиболее угнетенные погибают. 105 Вито Вольтерра - итальянский математик. Основные научные тру- При конкурентных взаимоотношениях, хищничестве и паразитизме ярко проявляются генетические и экологические факторы. К. Уатт, анализируя полученные П. Эрринг-тоном данные наблюдений за взаимоотношениями норки и ондатры, пришел к выводу, что преследование ондатры хищником носит не случайный характер, и жертвами норки в первую очередь становятся ослабленные, медлительные, хилые, больные животные. Хищничество и сходное с ним явление паразитизма издавна вызывали интерес эко- ды посвящены проблемам математиче- ЛОГОВ. Наибольшее признание получили ра- ской физики, инте- боты А. Лотки (1923, 1925 гг.). Он одним из тральным и дифференциальным уравне- первых предложил математическую модель взаимодействия животных в системе паразит - хозяин. Через год, независимо от Лотки, Вольтерра (1860-1940 гг.) разработал математическую модель в системе хищник - жертва. Сущность выводов Лотки сводится к тому, что истребление паразитами особей хозяина зависит не только от численности паразитов, но и хозяев. На основании этого он делает заключение, что той или иной численности хозяев соответствует определенная числен ность паразита, и по мере возрастания плотности популяции хозяина ниям, функциональному анализу. Изменение численности рыси и зайца-беляка в Канаде (по К. Вилли) 106 увеличивается и плотность популяции паразита. Повышение же численности паразита приводит к снижению численности хозяина, и последнее опять снижает количество паразитов. И так, волна за волной, происходят периодические колебания численности популяций хозяина и паразита с небольшими отклонениями от оптимального уровня. Здесь действует динамическая саморегулирующаяся система, где волна подъема численности паразита следует за волной подъема численности хозяина. Модель взаимодействия популяций в системе паразит-хозяин полностью соответствует модели взаимодействия хищника и его жертвы, классический пример которой представлен на рисунке. В результате своих наблюдений В. Вольтерра сформулировал три закона: ♦ Закон периодического цикла. Колебания численности двух видов являются периодическими и зависят от коэффициента роста популяций хищника и жертвы и исходной относительной численности. ♦ Закон сохранения средних величин. Средняя численность популяций обоих видов остается постоянной, независимо от первоначальной численности, до тех пор, пока скорости увеличения и уменьшения популяций, а также интенсивность хищничества постоянны. ♦ Закон нарушения средних величин. Если уничтожить особей обоих видов пропорционально плотности их популяций, то средняя численность популяиии жертвы будет расти, а хищника - падать. Попытайтесь объяснить, почему действует закон нарушения средних величин, прежде чем прочтете ответ! Это происходит потому, что у хищника вероятность поймать жертву больще при увеличении плотности, чем при возрастании ее численности. С? ? ‘Г) Bonftocbt и saefaHUA /. Как биотические взаимоотношения регулируют численность популяиий? 2. Как действует динамическая саморегулирующаяся система? 107 3. Дайте объяснение законам периодического цикла, сохранения и нарушения средних величин. § 2.7. Опыты г. Ф. Гаузе Г. Ф. Гаузе решил проверить положения Лотки-Вольтерра и в 1930-1934 гт. провел эксперименты в системе, включающей две популяции инфузорий. Эксперименты показали, что хищник - инфузория дидиниум - может полностью уничтожить свою добычу - инфузорию туфельку, но после этого сама погибает от недостатка пищи. Если же для жертвы создаются какие-либо убежища, где могут спрятаться отдельные ее особи, то через определенное время популяция хищников погибает от голода, а сохранившиеся особи жертвы начинают интенсивно размножаться. Опыты свидетельствовали, что устойчивое взаимодействие хищника и жертвы проявляется чрезвычайно редко и только тогда, когда отдельные особи последней недоступны для хищ- Опыты Г. Ф. Гаузе 108 Принцип Гаузе (теорема Гаузе, 1934), принцип конкурентного исключения, гласит, что два вида со сходными экологическими условиями не могут длительное время занимать одну и ту же экологическую нишу (принцип Гаузе уже рассматривался ранее). Межвидовые взаимоотношения в системе хищник(паразит) -жертва (хозяин) в чистом виде в природе никогда не наблюдаются. Хищник, к примеру, питается не одним видом, а жертва преследуется также многими хищниками. Поэтому строго циклических колебаний численности хищников (паразитов) и добычи (хозяина), предполагаемых математической теорией Лотки-Вольтерры, опытами Гаузе и других исследователей, в природе не существует. Тем не менее принцип математического моделирования сложных межвидовых взаимоотнощений позволяет углубить наши представления о механизме регуляции численности организмов в биоценозах. 3onfiocbt и заманил /. Какие эксперименты проводил Г Ф. Гаузе с двумя популяциями инфузорий? 2. В чем заключается принцип Гаузе? ^лтоветь сет Дайте определения или характеристику основным понятиям и терминам раздела «Демэкология»: популяция; демэкология; пространственное распределение особей; численность популяции; плотность популяции; рождаемость; смертность; прирост популяции; темп роста; возрастная структура популяции; биотические факторы; гомотипические реакции: эффект группы, эффект массы, конкуренция; принцип Олли; гетеротипические реакции: конкуренция, симбиоз, сотрудничество, комменсализм, аменсализм, хищничество, паразитизм; принцип конкурентного исключения Гаузе; экологическая ниша; гомеостаз; динамическое равновесие; биоценоз; модель Лотки-Вольтерра «хищник-жертва». 109 15ьинь MOMceiti, самой важной задачей, сви>Я!цей nefteq экологией, лвляегйсл выяснение ан^оения и ПОТОК вещества •¥■ ПОТОК энергии продуценты I » консументы I порядка консументы II порядка I :.»N V.S редуценты I т минеральные вещества . . .... V Схема переноса вещества и энергии в экосистеме 117 органические компоненты: -оксид углерода (IV), воду, нитраты, фосфаты и др., завершая тем самым круговорот веществ. По отношению к трофическим (пищевым) связям организмы экосистемы подразделяются на продуцентов, консументов и редуцентов. Продуценты (производители первичной продукции) - орга-низмы-автотрофы - представляют комплекс зеленых растений, обеспечивающих органическим веществом все живое население нашей планеты. Консументы (от лат. consumo - потребляю) - организмы-гетеротрофы, потребляющие органические вещества, созданные продуцентами. К ним относятся животные, большинство микроорганизмов, частично насекомоядные растения. Редуценты (от лат. reduceus, reducentis - восстановители, деструкторы) - организмы, разлагающие органические вещества и превращающие их в неорганические вещества, усваиваемые другими организмами. К редуцентам относятся: бактерии, грибы, сапрофаги, копрофаги, некрофаги и др. Они являются завершающим звеном биологического круговорота веществ. Итак, экосистема представляет собой любое непрерывно меняющееся единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с окружающей средой таким образом, что поток энергии создает определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы. 3onfiocbt и заманил /. Дайте краткую характеристику организмов по способу питания: автотрофы, гетеротрофы, миксотрофы. 2. Чем фототрофы отличаются от хемотрофов? 3. Приведите примеры продуцентов, консументов и редуцентов. 118 § 3. Естественные и искусственные экосистемы Термин «экосистема» применим к биоценозам и биотопам самого различного размера. Можно вьщелить: ♦ микроэкосистемы (например, ствол погибшего дерева); ♦ мезоэкосистемы (например, лес или пруд); ♦ макроэкосистемы (например, океан). Все это естественные, экосистемы. В качестве примера естественной, сравнительно простой экосистемы рассмотрим экосистему небольшого пруда. Экосистему пруда можно представить в виде нескольких основных компонентов. ♦ Абиотический компонент. Это основные органические и неорганические соединения -вода, углекислый газ, кислород, соли кальция, соли азотной и Экосистема (биогеоценоз) пруда 119 фосфорной кислот, аминокислоты, гуминовые кислоты, а также температура воздуха и воды и ее перепады в разное время года, плотность воды, давление и др. ♦ Биотический компонент. ♦ Продуценты. В пруду они представлены в виде крупных растений, обычно обитающих только на мелководье, мелких плавающих растений (водорослей), называемых фитопланктоном, и наконец, донной флоры - фитобентоса, также представленной в основном водорослями. При изобилии фитопланктона вода приобретает зеленоватый цвет. ♦ Консументы. К этой группе относятся животные (личинки насекомых, ракообразные, рыбы). Первичные консументы (растительноядные) питаются непосредственно -живыми растениями или растительными остатками. Они подразделяются на два типа: зоопланктон и зообентос. Вторичные консументы (плотоядные), такие, как хищные насекомые и хищные рыбы, питаются первичными кон-сументами или друг другом. ♦ Сапротрофы. Водные бактерии, жгутиковые и грибы распространены в пруду повсеместно, но особенно они обильны на дне, на границе между водой и илом, где накапливаются мертвые растения и животные. Естественные экосистемы достаточно сложны, и изучать их с помощью традиционного научного приема «опыта и контроля» очень трудно. Поэтому ученые-экологи используют лабораторные искусственные микроэкосистемы, моделирующие процессы, протекающие в естественных условиях. На следующей странице показаны два примера лабораторных микроэкосистем. Попытайтесь объяснить механизм их функционирования. Существует заблуждение, касающееся «равновесия» в аквариуме. Достигнуть в аквариуме приблизительного равновесия в отнощении газового и пищевого режима возможно лищь при условии, что рыб в нем будет мало, а воды и растений много. Еще в 120 Флуоресцентная лампа \ V / / / ; I 1 / » ) /JJ355I Кеяба ТруФка яля гаэФОтаода Уропянь жндкяй . культурялкной среды t ffC V л Эрленыейера (256 мл) Бактерии, водореслн, рачки "Защита" от выедания Ведоросли,бактерии, грибы, остракоды, простейшие Лабораторные микроэкосистемы 1857 году Дж. Уоррингтон установил «это удивительное и восхитительное равновесие между животными и растительным царством» в аквариуме объемом 12 галлонов (54,6 л), поселив в нем несколько золотых рыбок и улиток. Кроме того, он посадил большое количество многолетних водных растений валлиснерий, служащих кормом для рыб. Дж. Уоррингтон правильно оценил не только взаимодействие рыб и растений, но и значение детритояд-ных улиток «для разложения остатков растений и слизи», в результате чего «то, что могло бы действовать как ядовитое начало, превращалось в плодородную среду для роста растений». Большинство попыток любителей добиться равновесия в аквариуме оканчивается неудачей из-за того, что в аквариум помещают слишком много рыб (элементарный случай перенаселения). Поэтому любителям-аквариумистам приходится г1ериодически искусственно поддерживать равновесие в аквариуме (дополнительное питание, аэрация, периодическая чистка аквариума). Возможно, лучший способ представить себе искусственную экосистему - это задуматься о космическом путешествии, так как 121 Аквариум как искусственная экосистема человек, покидая биосферу, должен взять с собой четко ограниченную систему, которая обеспечивала бы все его жизненные потребности, используя солнечный свет в качестве энергии, поступающей из окружающей космической среды. Различают открытый и закрытый типы космического корабля. В открытой системе (без регенерации) поток веществ и энергии идет в одном направлении, и жизнь системы будет зависеть от запасов воды, пищи и кислорода. Использованные материалы и отходы хранятся на космическом корабле до возвращения на землю или выбрасываются в космос (!). В замкнутой по всем параметрам (кроме энергии) системе происходит круговорот веществ, который так же, как и поток энергии, можно регулировать при помощи внещних механизмов. Сегодня практически во всех космических кораблях используется система открытого типа с разными степенями регенерации. 122 а) открытая б) замкнутая Космический корабль как искусственная экосистема и за<^аимя /. Расскажите об экосистеме пруда. 2. Как в экологаческих исследованиях используются лабораторные искусственные экосистемы? 3. Какие бывают типы космических кораблей? 123 § 4 Гомеостаз экосистемы Экосистемы характеризуются потоками энергии и круговоротом веществ, а также развитыми информационными сетями, связывающими все части системы и управляющими ею как единым целым. Поэтому можно сказать, что экосистемы имеют кибернетическую (от греч. kibernetike - искусство управления) природу. Степень достигаемой стабильности экосистемы зависит как от степени воздействия окружающей среды, так и от эффективности внутренних управляющих механизмов. Способность системы быстро восстанавливать свое состояние после прекращения внешних воздействий определяется влиянием отрицательной обратной связи. Если положительная обратная связь усиливает отклонение системы от состояния равновесия, то отрицательная обратная связь - его уменьщает. Данная зависимость проявляется в принципе Ле Шателье -Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внещнего воздействия ослабляется. (Вспомните принцип смещения химического равновесия Ле Шателье из курса химии.) Способность экосистемы к самоподдержанию и саморегулированию называется гомеостазом. В основе гомеостаза лежит принцип отрицательной обратной связи. Благодаря именно этой связи регулируются процессы запасания и высвобождения питательных веществ, продуцирования и разложения органических соединений. Поддержание гомеостаза экосистемы возможно лишь в определенных пределах. Вне сферы действия отрицательной обратной связи вступает в силу положительная обратная связь. Рассмотрим пример. В практике сельского хозяйства повышение урожайности часто связывают с количеством i^hochmbix удобрений. Однако 124 иногда удобрений вносится столько, что система гомеостаза выходит за верхний предел действия отрицательной обратной связи, вследствие чего в агроценозе начинаются необратимые изменения, приводящие к деградации возделываемых площадей. Примеры увлечения удобрениями, приводящего к эрозии и засолению полей, можно найти в практике сельского хозяйства разных государств. 3onfiocbt и заманил /. Как вы понимаете кибернетическую природу экосистемы? В чем смысл положительной и отрицательной обратных связей? 2. В чем заключается принцип Ле Шателье-Брауна? 3. Что называется гомеостазом экосистемы? § 5. Динамика экосистемы Любая экосистема динамична, в ней постоянно происходят изменения в состоянии и жизнедеятельности ее основных компонентов и соотношении популяций. Одной из характерных особенностей экосистем (биогеоценозов) является их суточная, сезонная и многолетняя динамика. ♦ Суточная динамика. В каждом биогеоценозе имеются группы организмов, активность жизни которых выпадает на разное время суток. Одни активны в ночное время, а днем скрываются в каких-либо убежищах. Другие ночью пассивны. Таким образом, наблюдаются периодические изменения в составе и соотношении отдельных популяций экосистемы. Суточную динамику обеспечивают не только животные, но и растения (фотосинтез невозможен в темноте; некоторые цветы раскрываются только 125 ночью и опыляются ночными животными). Суточные ритмы прослеживаются в сообществах всех зон, от тропиков до тундр. Суточные преобразования в экосистемах обычно выражены тем сильнее, чем значительнее разница температур, влажности и других факторов среды днем и ночью. Так, в песчаных пустынях Средней Азии жизнь летом в полуденные часы замирает. Даже виды с дневной активностью прячутся от жары в норах, в тени саксаула либо на его ветвях (ящерицы агамы, ящурки). Ночью, наоборот, пустыня оживает. Ночных и сумеречных животных здесь больще, чем дневных. Многие дневные виды летом переходят к ночному образу жизни (больщинство змей, пауки, жуки чернотелки). Особенно типичны суточные миграции морского планктона. Представители зоо- и фитопланктона в Каспийском море, например, днем держатся на глубине от 100 до 350 м, а ночью поднимаются в поверхностные слои. ♦ Сезонная динамика. Она выражается в изменении не только состояния и активности, но и количественного соотношения отдельных видов в зависимости от циклов их размножения, сезонных миграций и др. Смена времен года оказывает влияние на жизнедеятельность растений и животных (периоды цветения, плодоношения, активного роста, листопада, зимнего покоя у растений; спячка, зимний сон, миграции животных). Сезонной динамике подвержена и ярусная структура экосистемы: отдельные ярусы растений могут полностью исчезнуть в соответствуюшие сезоны года, например, травянистый ярус, состоящий из однолетних растений. 126 Таблица №3. Естественные сезоны природы лесной и лесостепной зон территории России* Сезон Подсезон Фенологические индикаторы начала Снеготаяние Появление первых проталин на ровных местах, прилет грачей Весна Оживление Начало пыления ольхи серой и орешника-лещины, начало цветения мать-и-мачехи Разгар весны Начало зеленения березы, конского каштана, клена остролистного, рябины; начало пыления березы Предлетье Начало цветения рябины обыкновенной, сосны, сирени обыкновенной Начало лета Начало цветения шиповника, малины; Начало опадения созревших плодов вяза Лето Полное лето Начало созревания черники, морошки, ранних сортов красной и черной смородины Спад лета Полное созревание озимой ржи, созревание брусники, начало созревания вишни Начало осени Начало пожелтения листьев липы мелколистной, березы, вяза, береста Осень Золотая осень Начало пожелтения хвои лиственницы сибирской, запестрение (примерно 50% листьев пожелтело) березы, липы Глубокая Конец валового листопада березы, вяза. осень осины Предзимье Конец листопада сирени, тополя; первый снежный покров Зима Установление устойчивого снежного покрова ' По Г. Э. Шульцу. 127 ♦ Многолетняя динамика. Нормальное явлений в жизни любой экосистемы. Она зависит от изменений по годам метеорологических (климатических) условий и других внешних факторов, действующих на сообщество. Кроме того, многолетняя периодичность может быть связана с особенностями жизненного цикла растений-эдификаторов*, с повторением массовых размножений животных или патогенных для растений микроорганизмов и т. д. eonfiocbt и заманил /. Что понимают под динамикой экосистем? 2. В чем выражается суточная, сезонная и многолетняя динамика? 3. Приведите фенологические индикаторы начала естественных сезонов природы. § 6. Экологические сукцессии Структура сообщества создается постепенно в течение определенного времени. Примером, который можно использовать как модель развития сообщества, служит заселение организмами обнаженной горной породы на недавно образовавшемся вулканическом острове. Деревья и кустарники не могут расти на голой скальной породе, так как здесь нет необходимой для них почвы. Однако водоросли, попадая на такие территории, заселяют их, образуя пионерные сообщества. Постепенное накопление отмерших и разлагающихся организмов и эрозия горной породы в результате выветривания приводят к формированию слоя почвы, достаточного для того, чтобы здесь смогли поселиться более крупные растения, такие, как мхи и папоротники. В конце концов за этими растениями следуют еще более крупные и требова- ' Эдификатор (от лат. edificator - строитель) - основные растения, определяющие характер растительного сообщества (например, ель в еловом лесу). 128 семенные растения, тельные к питательным веществам формы включая травы, кустарники и деревья. Такая смена одних биоценозов другими на определенном участке земной поверхности за некоторый период времени называется сукцессией (от лат. succesio - преемственность, наследование, последовательность, смена). Термин «сукцессия» предложен Г. Каул-соном в 1898 г. Завершающее сообщество - устойчивое, самовозобновляющееся и находящееся в равновесии со средой - называется климаксным. Климакс (от греч. кИтах - лестница) - стабильное, конечное состояние развития экосистемы в условиях данной среды. Термин «климакс» введен Ф. Клементсом в 1916 году. Тип сукцессии, начинающейся с заселения обнаженной горной породы или другой поверхности, лишенной почвы (например, песчаных дюн или бывшего ложа ледника), называется первичной сукцессией. В отличие от нее вторичной называют сукцессию, начинающуюся там, где поверхность полностью или в значительной степени лишена растительности, но прежде находилась под влиянием живых организмов и содержит органические вещества. Таковы, например, лесные вырубки, выгоревшие участки или заброшенные сельскохозяйственные угодья. Здесь в почве могут сохраняться семена, споры и органы вегетативного размножения, например, корневища, которые будут оказывать влияние на сукцессию. Как при первичной, так и при вторичной сукцессиях флора и фауна окружающих территорий являются главным фактором, определяющим типы растений и животных, включающихся в сукцессию в результате случайного расселения и миграций. -Сообщества серии' Т?рупнов нарушение В окружающей среде Голая л Лишайники А мхи+ |Л Травы V Кустарники земля ^*®°Л^'^"‘^^папоротники^ ♦ ^ * Деревья ^лес пионерное сообщество луговая кустарниковая ’ климаксное растительность заросль им; эби сооьщество Первичная экологическая сукцессия (по Б. Небелу) 9 Заказ 451 129 Впервые теория сукцессии была детально разработана в 1916 г. Ф. Клементсом. Он изучал сообщества в Северной Америке и пришел к выводу, что основным фактором, определяющим состав- 30-35 лет 75-80 лет 80-120 лет Пример экологической сукцессии (по И. Н. Пономаревой) 130 flpeiecHbiB ярус (5-20 u ■ Осяее) Кустарнякя1ый ярус (2-5 м) Трааянястыя ярус (0-2 и) Пряясмиый ярус (ма ] си от аочвы) Подстилка Пахотный слой Падночаа Коренная оарода Мертвые и разлагающиеся организмы. Редуценты (бактерии и грибы). Черви дождевые. Гусеницы, личинки мух, жуки навозники, могильщики, мокрицы. Кроты. Норы кроликов, лисиц, барсуков Доминантный вид растения, например, дуб.Птицы, например, зяблик, воробей,певчий ’^озд, синица, ' азоревка, сойка, тятел, поползень, мщуха. 'Личинки (гусеницы) иденицы зимней. Серая белка цНасекомые. Боярышник, терновник, кизил, бузина, калина, шиповник. Птицы: зарянка, черный дрозд, горихвостка, дятел Серая белка. Насекомые • Травы,невысокие лесные растения, подрост деревьев, папоротники. Птицы славки, крапивницы, синица-московка, лесная завирушка. Лань, косуля. Пчелы, бабочки, осы, кровососущие насекомые, жуки... Мелкие прыгающие травяные беспозв., мухи, жуки, пауки, муравьи, землеройки. Лесные мыши Мхи, лишайники, низкие травы 9* Структура сообщества типичного широколиственного леса 131 климаксного сообщества, является климат. По представлениям Клементса, в данных климатических условиях может существовать только одно климаксное сообщество, которое называется климаксом (концепция моноклимакса). Более современной является концепция поликлимаксов, согласно которой климакс формируется под влиянием всех физических факторов, причем один или несколько из них могут преобладать (например, дренаж, почва, пожары и др.) К типичным наземным климаксным сообществам относятся листопадные леса. На рисунке приведена структура типичного лиственного леса. Большая часть первичной продукции производится в древесном пологе, наиболее интенсивное разложение идет на уровне земли. Важной особенностью лесного сообщества является разделение его на ярусы. Наблюдаемая в лесу ярусность -пример разделения экологических нищ разными организмами, хотя некоторые из них могут использовать разные ярусы (например, белки живут в основном на деревьях, но спускаются и в кустарники, а иногда и на землю). В пределах одного яруса разные животные находят разную пищу. (?Т?) /SonfiocH и заманил /. Что называется сукцессией? Приведите примеры первичной и вторичной сукцессий. 2. Какие сообщества называются пионерными и климакс-ными? Приведите примеры. 3. Дайте объяснение явлению ярусности на примере типичного лиственного леса. Практическая работа №8 (по практикуму №5). Изучение сукцессии простейших в водных культурах. 132 § 7. Пограничный (краевой) эффект Переход от одного биогеоценоза к другому может быть более или менее резким. Однако во всех случаях существует переходная зона, называемая экотоном (например, болотистое пространство между прудом и наземной экосистемой, заросли кустарника, отделяющие лес от поля, и др.). Эта пограничная зона может иметь значительную протяженность, но она всегда уже прилегающих к ней экосистем. Обычно в экотонное сообщество входит значительная доля видов из перекрывающихся сообществ, а иногда даже виды, характерные только для экотона. Число видов и плотность популяций некоторых из них в экотоне часто выше, чем в лежащих от него по обе стороны экосистемах. Тенденция к увеличению разнообразия и плотности живых организмов на гра- Пример экотона 133 ницах сообществ известна под названием пограничного (краевого) эффекта, или эффекта опушки. Одним из самых распространенных и наиболее важных для человека экотонов является опушка леса. Опушку можно определить как переходное сообщество между лесным и травянистым сообществами. Где бы ни жил человек, он стремится сохранить поблизости от своего жилища сообщество опушек. Так, если человек селится в лесу, он сокращает его до отдельных участков, перемежающихся с лугами.-А поселившись на открытом месте, сажает деревья, также создавая мозаичную структуру ландшафта. Некоторые виды хорошо приспособились к жизни на опушках и представлены большим числом особей. Известно, что плотность певчих птиц выше на территориях усадеб, в окрестностях поселков и других местах, которые состоят из смешанных местообитаний и, следовательно, характеризуются большей протяженностью границ по сравнению с большими однородными участками лесов и полей. Bohftocbt и заманил /. Что называется экотоном? Приведите примеры экотонов. 2. В чем выражается пограничный эффект (эффект опушки)? § 8. Энергетика экосистемы Вспомним из курса физики некоторые энергетические характеристики. Энергия - общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, благодаря чему все явления природы связаны воедино. Изменение энергии в системе происходит при совершении работы. Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии -гласит, что энергия в природе не возникает из ничего и не исче- 134 зает, она только переходит из одной формы в другую. Количество энергии при этом остается постоянным. Этому закону подчиняются все известные процессы в природе. Второй закон термодинамики может быть сформулирован так: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной в рассеянную (например, тепло горячего предмета самопроизвольно рассеивается в более холодной среде). Поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования энергии, эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньще 100%. Важнейщей термодинамической характеристикой живых систем (организма, экосистемы и биосферы в целом) является их способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, которая характеризуется энтропией (от греч. entropia - поворот, превращение) и обозначается буквой S. Системы, обладающие высокой внутренней упорядоченностью и организацией, имеют низкую энтропию, и наоборот, равновесные системы характеризуются высоким значением энтропии. Таким образом, энтропия как мера изменения упорядоченности системы, происходящего при рассеивании энергии, связана с организацией (структурой) самой системы. Ранее мы уже говорили, что информация системы определяется ее уровнем организации. Следовательно, энтропия и информация - характеристики системы, внутренне связанные между собой. Итак, с термодинамической точки зрения, экосистемы представляют собой открытые неравновесные системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией, веществом и информацией, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне. Еще в 1935 г. младший современник Вернадского, известный биолог Эрвин Бауэр писал: «Живые системы никогда не бывают в равновесии и за счет своей свободной энергии постоянно исполняют работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внещних условиях... Мы обо- 135 значим этот принцип как принцип устойчивого неравновесия 'ЖИВЫХ систем». Этот принцип показывает, что живые организмы представляют собой открытые неравновесные системы, которые отличаются от неживых тем, что эволюционирую: (развиваются) в сторону понижения энтропии (Si). ^onfiocbt и заманил /. Сформулируйте первый и второй законы термодинамики. Как вы их понимаете? 2. Каков термодинамический смысл понятия «энтропия»? Попытайтесь найти внутреннюю взаимосвязь энтропии и организации (информации) экосистемы. 3. Дайте объяснение принципу устойчивого неравновесия живых систем. § 9. Пищевые цепи, пищевые сети и трофические уровни Пищевой цепью называется перенос энергии, заключенной в растительной пище - поскольку лишь растения создают органическое вещество из неорганического - через ряд организмов в процессе их поедания друг другом. Организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню (от греч. trophe - питание, пища), т. е. это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. Зеленые растения (автотрофы) занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные - второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных, - третий (уровень вторичных консумен- 136 IV трофический уровень (уровень третичных консументов) / / III трофический уровень (уровень вторичных консументов f II трофический,'' Хищники I порядка ’^.1 трофический уровень (уро- • \ уровень (уровень \ вень проду- ' ' Растительноядные животные \ W Растения Трофические уровни и экологическая пирамида тов), вторичные хищники - четвертый (уровень третичных консументов). Различают два типа пищевых цепей: паетбищная и детритная. ♦ Пастбищная цепь зеленое растение -> растительноядное животное -> хищник Пастбищная пищевая цепь 137 ♦ Детритная цепь мертвое -> микроорганизмы органическое (бактерии, грибы) вещество (детрит) -> детритофаги -* хищники детрито (двустворчатые мол- фагов люски, коловратки, дождевые черви, ли чинки насекомых и др.) (птицы,землеройки и др.) •Ч-Лйй'. Мертвое органическое вещество \: Микроорганизмы (бактерии, грибы) Мелкие животные (детритофаги) Хищники детритофагов Детритная пищевая цепь Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены. Они составляют так называемые пищевые сети. Принцип образования пищевых сетей состоит в следующем. Каждый продуцент имеет не одного, а несколько консументов. В свою очередь, консументы, среди которых преобладают полифаги (от греч. poly - много), пользуются не одним, а несколькими источниками питания. ^onftocbt и задания /. Что называется пищевой цепью? Приведите 2-3 примера пищевых цепей в наземно-воздущной и водной средах жизни. 138 2. Приведите пример пищевой сети в наземно-воздушной среде жизни. 3. К какому трофическому уровню относятся следующие организмы: заяц-беляк, лисица обыкновенная, лось, лесные травы? У. Приведите 2-3 примера организмов, относящихся к первому, второму и третьему трофическому уровню водной экосистемьГ. § 10. Продуктивность экосистемы Важным свойством сообществ является их способность к созданию (продуцированию) новой биомассы. Это свойство лежит в основе понятия продуктивности системы. Скорость создания органического вещества в экосистемах называется биологической продукцией. Масса тел живых организмов называется биомассой. Таким образом, биологическая продукция экосистем - это скорость создания в них биомассы. Энергия поступает в биотический компонент экосистемы через продуцентов. Первичной продукцией называют скорость образования биомассы первичными продуцентами (растениями). Это важный параметр, так как им определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы, а значит, и количество (биомасса) живых организмов, которые могут существовать в экосистеме. Как вам известно, из 100% солнечной энергии лишь приблизительно 1% поглощается хлорофиллом и используется для синтеза органических молекул (остальные 99% солнечной энергии отражаются, поглощаются с переходом в тепло или расходуются на испарение воды). Скорость, с которой растения накапливают энергию (в виде энергии химических связей), называется валовой первичной продукцией (ВПП). Примерно 20% этой энергии расходуется расте- 139 0.49 10' R - энергия, теряемая при дыхании Е - энергия, заключенная в выделениях и экскрементах С - потребление энергии организмами более высокого трофического уровня Поток энергии через пастбищную пищевую цепь (по Б. Небелу) ниями на дыхание и другие процессы жизнедеятельности (она обозначена на рисунке буквой R). Скорость накопления органического вещества за вычетом расхода энергии на дыхание и другие процессы жизнедеятельности (R) называется чистой первичной продукцией (ЧПП): ЧПП = ВПП - R. В приведенном примере ЧПП составляет 8000 кДж/м^хгод, т. е. 0,8% от полученной солнечной энергии. Для поедания одних организмов другими пища (вещество и энергия) переходит с одного трофического уровня на следующий. Непереваренная часть пищи выводится животными с экскрементами (в них также содержится определенное количество энергии, заключенное в органических веществах). Животные, как и растения, теряют часть энергии при дыхании и других процессах жизнедеятельности. Энергия, оставщаяся после потерь, связанных с процессами дыхания, пищеварения и экскреции, идет на рост, поддержание жизнедеятельности и размножение. * 140 Скорость накопления органического вещества гетеротрофными организмами называется вторичной продукцией (ВП). Вторичная продукция существует на всех трофических уровнях. Энергетический баланс консументов складывается следующим образом: Потребленная пища где Р - П- R- Н- = Рост + Дыхание и другие + Экскременты процессы жизнедеятельности или Р = П + R + Н, рацион консумента, т. е. количество пищи, съедаемой им за определенный промежуток времени, выраженное в единицах энергии; энергия, затрачиваемая на рост организма; энергия, затрачиваемая на дыхание и другие процессы жизнедеятельности; энергия неусвоенной пищи, вьщеленной в виде экскрементов. Из рисунка видно, что в каждом звене пищевой цепи чаеть энергии переходит в другие формы. По ориентировочным подсчетам, эти потери составляют около 90% при каждом акте передачи энергии через трофическую цепь. Следовательно, если первичная продукция растительного организма составляет 1000 Дж, при полном поедании его травоядным животным в теле последнего останется из этой порции всего 100 Дж, в теле хищника - лишь 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю придется только 1 Дж (правило 10%). Таким образом, запас энергии, накопленной зелеными растениями, в цепях питания стремительно иссякает. Поэтому пищевая цепь включает обычно всего 4-5 звеньев. Энергия, теряемая при дыхании и других процессах жизнедеятельности, не передается другим организмам. Энергия же, заключенная в экскрементах, передается детритофагам и редуцен- 141 там и таким образом не теряется для экосистемы. Детритные цепи начинаются с мертвых организмов и отмерших частей растений (опавших листьев, ветв'ей). Доля чистой первичной продукции, переходящей прямо в детрит и в пищевые цепи редуцентов, в разных экосистемах неодинакова. В лесной экосистеме большая часть первичной продукции поступает в детритные цепи, а не в пастбищные. В морских экосистемах и на интенсивно используемых пастбищах больше половины первичной продукции может поступать в пастбищную пищевую цепь. Детритные цепи сложнее и менее изучены, чем пастбищные. Но роль их с точки зрения потока энергии столь же велика, а часто и более значительна, чем роль пастбищных цепей. Отношение величин энергетического потока (передаваемой энергии) в разных точках пищевой цепи называют экологической эффективностью (в большинстве случаев эта величина не превышает 0,1). 3onftocbt и заманил /. Что такое продуктивность системы, первичная продукция, валовая вторичная продукция, вторичная продук- ция 9 ■2. Из чего складывается энергетический баланс консумен-тов? 3. Определите энергию последующих ступеней трофической цепи на основе правила 10%: Растения -> Травоядные -> Первичные животные хищники 5000 Дж ^ ? -> Вторичные хищники 9 142 § 11. Концентрирование вредных веществ в пищевых цепях После Второй мировой войны количество синтетических веществ, выбрасываемых в окружающую среду, стало быстро расти. Это прежде всего гербициды и пестициды, предназначенные для уничтожения организмов (особенно сорняков и насекомых), наносящих вред урожаю, домащнему скоту и самому человеку. Среди первых применявщихся с успехом пестицидов была группа хлорированных углеводородов, в том числе ДДТ (дихлор-дифенилтрихлорэтан), диэлдрин и алдрин. Эти вещества ядовиты для многих животных и человека, но особенно для птиц, рыб и беспозвоночных. более 1000 от 100 до 1000 10 Рачки Мелкая рыба Биологическое накопление (концентрирование) ядохимиката (диэлдрина) в пищевой цепи 143 в середине 60-х годов неожиданным для многих ученых яви-лоеь сообщение о том, что ДЦТ обнаружен в печени пингвинов в Антарктиде - месте, весьма удаленном от районов его применения. От отравления пестицидами очень сильно пострадали некоторые хищники верхних трофических уровней, больше всего птицы. Например, из-за отравления ДДТ на востоке США полностью исчез сокол-сапсан. Птицы наиболее уязвимы потому, что ДДТ вызывает гормональные изменения, влияющие на обмен кальция. В результате екорлупа откладываемых яиц становитея тоньше, и они значительно чаще разбиваются. Рассмотренное явление называетея концентрированием в пищевой цепи (биологическим накоплением). Нагляднее всего концентрирование в пищевой цепи демонетрируют радионуклиды, тяжелые металлы, химичеекие яды, пеетициды и др. Например, коэффициент накопления ДДТ может достигать 5x10^. Эффект концентрирования в пищевой цепи представлен на рисунке на предьщущей странице. (???) /Sonfiocbi. и за<^аш4Л /. Что называется концентрированием в пищевой цепи? 2. Объяените, каким образом вредные вещества-загрязнители (например, соединения евинца) могут попасть в организм человека. § 12. Трофическая структура экосистемы В результате взаимодействия в пищевых цепях при переносе энергии каждое сообщество приобретает определенную трофическую структуру. ^ в общем случае трофическую структуру можно определить количеством энергии, фиксируемой на единицу площади в единицу времени на последовательных трофичееких уровнях, и изобразить графичееки в виде экологических пирамид, основанием 144 которых служит первый уровень (уровень продуцентов), а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Данное явление было изучено Ч. Элтоном в 1927 г. Различают три основных типа экологических пирамид. Пирамида чисел (численность особей на единице площади ) Пирамида биомасс (сухой вес биомассы г/м^) Пирамида энергии (Дж/м^ • год^ 3000 40000 10 30 10 200 2000 100 1000 Типы экологических пирамид ♦ Пирамида чисел (число особей/м^) отражает численность организмов на разных трофических уровнях. В случае пастбищных пищевых цепей леса, когда продуцентом служит дерево, а первичными консументами - насекомые, уровень первичных кон-сументов численно богаче особями уровня продуцентов. В этом случае пирамиду чисел называют обращенной. ♦ Пирамида биомасс характеризует общую сухую массу живого вещества на разных трофических уровнях (сухая масса органических веществ г/м^). В экосистемах с очень мелкими продуцентами и крупными консументами общая масса последних может быть в любой момент выше общей массы продуцентов, т. е. пирамида биомасс тоже может быть обращенной. ♦ Пирамида энергий (Дж/м^ год) показывает величину энергетического потока или «продуктивность» на последовательных трофических уровнях. Энергетическая пирамида всегда сужается кверху при условии, что учтены все источники энергии, поступающей в систему с пищей. 10 Заказ 451 145 Из трех типов экологических пирамид пирамида энергий дает наиболее полное представление о функциональной организации сообщества. Число и масса организмов, которых может поддерживать какой-либо трофический уровень в тех или иных условиях, зависит не от количества фиксированной энергии, имеющейся в данное время на предьщущем уровне, а от скорости продуцирования пищи. В противоположность пирамидам чисел и биомасс, отражающим статику системы, пирамида энергий отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь. На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма* особей, и, если учтены все источники энергии, пирамида всегда имеет правильную форму в соответствии со вторым законом термодинамики. Построение пирамиды чисел и пирамиды биомасс без пирамиды энергий может привести к неверной оценке функциональной роли популяций, сильно различающихся интенсивностью метаболизма, т. е. размерами особей. Данные по численности приводят к переоценке значения мелких организмов, а данные по биомассе - к переоценке роли крупных организмов. Размеры и сложность системы лимитируются затратами энергии на самоподдержание. Рост систем прекращается, если расход энергии на самоподдержание становится равным ее поступлению. Количество биомассы, которое может поддерживаться в условиях такого равновесия, называется максимальной поддерживающей емкостью среды. Считается, что оптимальная поддерживающая емкость, способная противостоять изменениям окружающей среды, ниже теоретически максимальной в 2 раза. Так, например, по мнению специалистов, оптимальная поддерживающая емкость Земли находится в пределах 8,5-13,5 млрд, человек. В настоящее время численность народонаселения нащей планеты составляет ’ Метаболизм (от греч. metabole - п^>емена) - совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения Различают две стороны метаболизма: анаболизм (от греч. anabole - подъем) - образование и обновление структурных элементов и катаболизм (от греч. katabole - сбрасывание вниз) - расщепление сложных молекул. 146 примерно 5,5 млрд, человек, а по оценкам ООН, к 2000 г. она составит примерно 6,1-6,3 млрд, человек. Возвращаясь к пирамиде энергий, можно дать определение очень важному закону пирамиды энергий (уже упоминавшееся правило 10%), согласно которому с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит не более 10% энергии. Этот закон, сформулированный в 1942 г. Р. Линдема-ном, называют иногда законом Линдемана. Его следствием является ограниченная длина пищевых цепей. Из закона вытекает очень важное правило, заключающееся в том, что максимальный переход с одного трофического уровня на другой порядка 10% энергии не ведет к пагубным для экосистемы последствиям. Использование правила 10% позволяет определять возможный и безопасный объем промысла особей. Однако пока нет способов для прогнозирования динамического состояния популяций, поэтому в одних случаях нормы промысла завышены, в других -занижены. eoHftocbn и заманил /. Что определяет трофическая структура экосистемы? 2. Приведите конкретные примеры вариантов прямой и обращенной экологических пирамид чисел. 3. Объясните экологический смысл закона Линдемана (правила 10%). § 13. Проблема стабильности экосистем Важнейшей особенностью любой естественной экосистемы (биогеоценоза) является ее способность к саморегулированию, т. е. к поддержанию основных параметров во времени и пространстве на определенном уровне. Относительную стабильность экосистем обеспечивает устойчивый круговорот веществ и поток энергии. к 147 Наиболее стабильны биогеоценозы, достигшие климаксного состояния. При этом стабильность биогеоценоза находится в прямой зависимости от его сложности, т. е. чем больше видовое разнообразие биогеоценоза, тем он стабильнее. В сложных биогеоценозах формируются сложные пищевые взаимоотношения, сложные цепи и сети питания. Биоценозы с упрощенной структурой крайне неустойчивы, в них происходят резкие колебания численности отдельных популяций. В естественных условиях через любую биологическую систему, в том числе и биоценоз, постоянно проходит поток энергии. Согласно второму закону термодинамики, рассеивание энергии связано с принципом стабильности. В силу этого любой естественный биопеноз развивается в направлении устойчивого состояния. Это было ранее показано на примере сукцессий, ведущих к климаксу. Все искусственно создаваемые в сельскохозяйственной практике экосистемы полей, садов, пастбищных лугов, огородов, теплиц и т. п., все агроценозы (от греч. agros - поле) - сообщества растений, созданные человеком, представляют собой системы, специально поддерживаемые человеком на начальных стадиях сукцессии. В агроценозах используется именно их свойство производить высокую чистую продукцию, так как все конкурентные воздействия на культивируемые растения со стороны сорняков и вредителей сдерживаются агротехническими мероприятиями. Агроценозы неустойчивы, они требуют неустанной деятельности по их поддержанию со стороны человека (борьба против массового размножения вредителей или болезней и др.). С экологических позиций крайне опасно упрощать природное окружение человека, превращая весь ландшафт в агрохозяйственный. «Если дикая природа отступает, - писал Ч. Элтон, - мы должны научиться передавать часть ее стойкости и богатства ландшафтам тех земель, с которых мы снимаем наши урожаи». Наряду с поддержанием высокопродуктивных полей следует особенно заботиться о сохранении как можно более многообразных заповедных, не подвергающихся усиленному антропогенному воздействию участков разного масщтаба. 148 Пример агроэкосистемы Заканчивая обсуждение проблемы стабильности экосистем, сформулируем очень важное экологическое правило, называемое правилом 1%. Изменение энергетики природной системы в среднем на 1 % выводит систему из состояния равновесия. Человеческий организм - тоже живая система. Приведем простой пример, иллюстрирующий правило 1%. Нормальная температура тела человека 36,6°С. Изменение этого параметра даже на 1%, т. е. на 0,4°С, приводит к дискомфорту, болезненному состоянию (37,0°С). Один процент от современного содержания кислорода в свободной атмосфере планеты сделал возможным появление организмов, энергетические процессы в которых основывались на дыхании кислородом (водн'Ые организмы). Понадобилось накопление десятой части от современного содержания кислоррда в тропосфере, чтобы жизнь смогла выйти на сушу, смогли осуществляться обмен веществ и энергетические процессы у наземных организмов и их сообществ. Факты, накопленные наукой, показывают, что точки 1% и 10% имеют глобальное значение. 149 ^onlioaxt и заманил /. Что понимается под устойчивостью экосистемы? 2. Каким образом влияет уровень организации (сложность и разнообразие взаимосвязей на устойчивость экосистемы? 3. Объясните экологический смысл правила 1%. ^жровез>ь ссвА Дайте определения или характеристику основным понятиям и терминам раздела «Синэкология»; синэкология; биоценоз, биотоп, экотон; биогеоценоз; экосистема; автотрофы; гетеротрофы; миксотрофы; фототрофы; хемо-трофы; продуценты; консументы; редуценты; стабильность экосистем; гомеостаз экосистем; динамика экосистем; экологическая сукцессия: первичная|, вторичная; пионерное сообщество; климаксное сообщество; моноклимакс; поликлимакс; пограничный (краевой) эффект; принцип устойчивого неравновесия живых систем; продуктивность экосистемы; пищевая цепь; трофический уровень; пищевая сеть; валовая первичная продукция; чистая первичная продуктивность; правило 10%; биологическое накопление (концентрирование в пищевой цепи); пирамида чисел; пирамида'биомасс; пирамида энергий; правило 1%. 150 Ни oquH. живой ofiioHueM в сво-JoquoM. соайоянии на земле не нахо-qutficsi. Все oftzoHusMbt HefiasfibteHO и Henfiefiueno свлзаны — nfteotcqe всего пшнанием и qbixanueM — с o/qtqotccuo-tufiu их MajHefiuaxbHO-3Heftteifiu4£CKOU cfieqou. Вне ее в nftufioqHbtx qcxoeusix они cqu^ecffieoeariib не MoiqiH. В. И. Вернадский 7M4/SJ Ч ' КОНЦЕПЦИЯ БИОСФЕРЫ § 1. Биосфера как глобальная экосистема В начале XIX в. понятие (не термин) «биосфера» было введено в науку великим французским естествоиспытателем Ж. Б. Ламарком (1744-1829). Термин «биосфера» для определения земной оболочки, занятой жизнью, одновременно с терминами «гидросфера» и «литосфера» в конце XIX в. утвердил в научном обиходе знаменитый австрийский геолог Э. Зюсс (1831-1914). Зюсс писал: «Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле, а именно - органическая жизнь... На поверхности материалов можно выделить самостоятельную биосферу...» Создад новый термин, которому было суждено такое блестящее будущее, Э. Зюсс не дал ему научного определения. Автор современного учения о биосфере В. И. Вернадский (1863-1945) стал употреблять термин «биосфера» с 1911 г., но впервые дал его определение в 1923 г. и с тех пор не менее 15 раз его уточнял, подчеркивая, что биосфера - это «особая охваченная жизнью оболочка» Земли - область распространения живого вещества на планете. Биосферой В. И. Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию 151 живых организмов (верхняя часть литосферы, гидро- и тропосфера). Значение организмов обусловлено их большим разнообразием, повсеместным распространением, длительностью существования в истории Земли, избирательным характером биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы. Всю совокупность организмов на планете В. И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. Закон константности, сформулированный В. И. Вернадским, гласит: Количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть величина постоянная (константа). Общий вес живого вещества оценивается величиной 1,8-2,5 *10 т (в сухом весе) и составляет лишь незначительную .1 о часть массы биосферы (3*10‘“т). Если живое вещество равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то оно покроет ее слоем толщиной только в 2 см. Таблица №4. Биомасса организмов Земли (по Н. И. Базилевичу и др.) Среда Группа организмов Масса (10*\) Соотнощение (в %) Континенты Зеленые растения. 2,40 99,2 Животные и микроорганизмы 0,02 0,8 Итого 2,42 100 Океаны Зеленые растения 0,0002 6,3 Животные и микроорганизмы 0,0030 93,7 Итого 0,0032 100 Биомасса организмов Земли 2,4232 — 152 Тем не менее, ведущим фактором, преобразующим лик Земли, является жизнь. Ее особенность заключается не только в ускорении химических реакций - некоторые реакции вне организма вообще не происходят, при нормальных температурах и давлениях. Л. С. Берг говорил; «Организмы осуществляют с физической точки зрения невероятное». Так, жиры и углеводы окисляются в организме при температуре около 37°С, а вне его - при температурах 400-500°С. Синтез аммиака из молекулярного азота в промышленных условиях осуществляется при температуре 500°С и давлении 300-500 атм. А микроорганизмы с легкостью проводят эту реакцию при обычной температуре и атмосферном давлении. В 20-х годах нащего века В. И. Вернадский разработал представление о биосфере как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью, и впервые создал учение о геологической роли живых организмов. Биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своими «входом» и «выходом». Ее «вход» - это поток солнечной энергии, поступающей из космоса, «выход» - те образованные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые в силу каких-либо причин ускользнули из биотического круговорота. Образно говоря, это выход в «геологию». На языке современной науки биосферу называют саморегулируемой кибернетической системой, обладающей свойствами гомеостаза. Согласно закону необходимого разнообразия Эшби, кибернетическая система только тогда обладает устойчивостью для стабилизации внешних и внутренних факторов, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие. Земля как планета характеризуется значительным разнообразием природных условий. Это определяется ее шарообразной Владимир Иванович Вернадский - известный русский ученый, минералог, кристаллограф, геохимик, биогеохимик, радиогеолог. Основатель учения о биосфере и ноосфере, один из основоположников биогеохимии. Ряд трудов посвящен философским проблемам естествознания и истории науки. 153 формой, ее движением вокруг Солнца и вокруг собственной оси, что, в свою очередь, обусловливает широтное и сезонное изменение интенсивности поступления солнечной активности; значительное разнообразие природных условий создается и сложным рельефом Земли. Но основное разнообразие биосферы Земли создается живыми организмами. Считают, что в современной биосфере представлено около 2 млн. видов живых организмов (за все время существования биосферы их было не менее 1 млрд!). Характерной особенностью биосферы как динамической системы является ее неравномерность (неравновесность) - следствие работы живого вещества и притока солнечной энергии. Не менее важной отличительной особенностью биосферы является ее «обводненность». Вернадскому очень нравилось определение жизни как «одушевленной воды», данное французским биологом Р. Дюбуа, и он неоднократно приводил его в своих произведениях. Поэтические строки о воде принадлежат другому великому французу - Антуану де Сент-Экзюпери: «Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты - сама жизнь...» Еще одна характерная особенность биосферы - это ее неразрывная связь с космосом (в наибольшей степени - с Солнцем). Впервые ее заметили еще в-прошлом веке. Так, в 1852 г. швейцарский астроном Рудольф Вольт рассчитал зависимость магнетизма Земли от цикличности пятнообразования на Солнце. Однако датой рождения гелиобиологии обычно считают 1915 г., когда в Московском археологическом институте был прочитан доклад «Периодическое влияние Солнца на биосферу Земли» (его сделал восемнадцатилетний А. Л. Чижевский). Несколько лет назад ученые из Главной астрономической обсерватории АН УССР Л. Р. Крлоколова и А. Ф. Стеклов выдвинули гипотезу о наличии на спутниках Юпитера биосферы иного типа, чем земная, - биосферы, развивающейся под слоем льда. Такой гипотетический тип биосферы украинские ученые предложили назвать «эндобиосферой» (от греч. endon - внутри). Исследования в море Росса, где толщина льда достигала 420 м, привели 154 к обнаружению сообществ организмов, состоящих из диатомовых водорослей, фораминифер, ракообразных и бактерий. Bonftooft и заманил /. Что называется биосферой? 2. Как вы понимаете' положение: биосфера- это глобальная экосистема? 3. Что называется живым веществом? Сформулируйте закон константности В. И. Вернадского. 4. В чем заключается смысл закона необходимого разнообразия Эщби? § 2. Биосфера и ее границы В 1926 г. В. И. Вернадский впервые поставил вопрос о границах биосферы; он вернулся к нему в специальной статье в 1937 г. («О пределах биосферы»). Однако вопрос, как тогда, так и сейчас, не имеет однозначного ответа. Какие же физико-химические условия наиболее благоприятны для существования жизни? ♦ Достаточное количество углекислого газа и кислорода. ♦ Достаточное количество воды (причем обязательно - в жидком состоянии). ♦ Температурный режим, исключающий как слищком высокие температуры (вызывающие свертывание белков), так и слищком низкие (прекращающие работу ферментов). ♦ Наличие «прожиточного минимума» элементов минерального питания. ♦ Определенная соленость водной среды. Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), нижних слоях атмосферы Земли (тропосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере). 155 в литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5-15 км превышает +100°С. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2-2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве. В океане жизнь раепространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. Озоновый слой поглошает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца на высоте 22-25 км. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20-22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1-1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни проходит на высоте около 6 км над уровнем моря. Распределение жизни в биосфере отличается крайней неравномерностью. Наиболее велика концентрация живого вещества на границах раздела основных сред - в почве, т. е. пограничном слое между литосферой и атмосферой, в поверхностных слоях океана, на дне водоемов и особенно - на литорали (от лат. litoralis - прибрежный) - зоне морского дна, затопляемой во время прилива и осушаемой при отливе, в лиманах (от греч. limenas - гавань, бухта) и эстуариях (от лат. aestuarium - берег, заливаемый приливом) - затопляемых устьях рек, где все три среды-- почва, вода и воздух - тесно взаимодействуют друг с другом. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленками жизни». Вернадский указывал на «всюдность» жизни в биосфере. Жизнь появилась локально в водоемах, а затем распространилась все шире и шире, заняв все материки. Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни, - от практически абсолютного нуля до +180°С. Давление, при котором существует жизнь, - от долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 000 атм. С дру- 156 гой стороны, семена и споры растений, мелкие животные в анабиозе (от греч. anabiosis - оживление - состояние организма, при котором жизненные процессы резко замедляются, что способствует выживанию его в неблагоприятных условиях температуры, влажности и др.) сохраняют жизнеспособность в полном вакууме. 40 000 Стратосфера Границы биосферы (по Г. В. Войткевичу и В. А. Вронскому) 157 Живые организмы могут существовать в широком диапазоне химических условий среды. Первые живые существа Земли жили в бескислородной атмосфере. Анаэробный обмен свойственен и многим современным организмам, в том числе многоклеточным. Уксусные угрицы (нематоды) обитают в чанах с бродящим уксусом. Ряд микроорганизмов живет в концентрированных растворах солей, в том числе медного купороса, фторида натрия, в насыщенном растворе поваренной соли. Серные бактерии вьщержи-вают 0,1 М* растворы серной кислоты. Некоторые особо устойчивые формы могут существовать даже при действии ионизирующей радиации. Например, ряд инфузорий вьщерживает излучение, по дозе в 3 млн. раз превышающее естественный радиационный фон на поверхности Земли, а некоторые бактерии обнаружены даже в котлах ядерных реакторов. /Sonftocbt и заманил /. Назовите основные физико-химические условия, определяющие границы биосферы. 2. Каковы границы существования живых организмов (биосферы) в литосфере, атмосфере, гидросфере? У § 3. Основные свойства и функции живого вещества ' С точки зрения современной науки, живое вещество обладает некоторыми специфическими свойствами и выполняет в биосфере определенные биогеохимические функции. Специфические свойства и особенности живого вещества; ♦ Живое вещество биосферы характеризуется большим запасом энергии. М - молярная концентрация раствора (число молей ратсворенного вещества в 1 л раствора, 158 ♦ Резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций (в живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее). ♦ Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения -белки, ферменты и др. - устойчивы только в живых организмах. ♦ Произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всякого живого вещества в биосфере. ♦ Живое вещество обнаруживает значительно больщее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно свыще 2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества, в то время, как количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет около 2 тыс., т. е. на три порядка меньше. ♦ Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в огромных пределах. Величина самых мелких вирусов не превыщает 20 нм (1 нм = 10~^м), самые крупные животные - киты - достигают 33 м в длину, самое большое растение - секвойя - 100 м в высоту. Основные биогеохимические функции живого вещества: ♦ Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция (накопление) солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. ♦ Газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др. ♦ Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окру- 159 жающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты. ♦ Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.) При-этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления. ♦ Деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т. е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы. ♦ Средообразуюшая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности. В. И. Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему». ♦ Транспортная функция - это осуществление переноса вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Живое вещество - единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества - снизу вверх, из океана - на континенты, реализующий тем самым «восходящую» ветвь биогеохимических циклов. 3onfiocbt и заманил /. Назовите основные специфические свойства живого вещества. 2. Каковы главные функции живого вещества на нащей планете? 160 § 4. Энергетика биосферы Лучистая энергия Солнца - главный источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. В связи с движением Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите интенсивность солнечного изл}Д1ения, приходящаяся на поверхность Земли, изменяется в течение года в соответствии с изменением расстояния Земля - Солнце. Минимальное расстояние Земли от Солнца (147 млн. км) - в начале января, а максимальное (152 млн. км) - в начале июля. Это изменение расстояния приводит к колебаниям суточного количества падающей радиации. При этом следует заметить, что Земля получает лищь 5 10”'^-ю часть общей излучаемой Солнцем энергии. Отражается Солнечная радиация 100% в пространство?^ 26% V / ,Рассеивается облаками/ /\ ^47%, Облака у^'Отражается в п]эостранство ,воздухом и \V\ \ ' \ почвой 7% \> 22% у ПоглощаетсяЧ / в атмосфере^ 'Рассеивается Поглощается в почву почвой ~ ^ ' _ — Д ■ ■ Поглощается почвой И 21 + 24 = 45% h.v •‘г’ У,'- ----у<И.. ‘V ; ч Энергетический баланс биосферы (по Г. В. Войткевичу и В. А. Вронскому) 11 Заказ 451 161 Эта в общем ничтожная доля всей суммы радиации равна 1,72-10’^Вт*, или 5,42-10^'^ Дж в год. Вся эта энергия распределяется по Земле так, как это показано на рисунке, охватывая атмосферу, океан и поверхность суши. Из всего количества энергии, получаемого Землей от Солнца,' 33% отражается облаками и поверхностью суши, а также тонкодисперсной пьшью в верхних слоях атмосферы (эта часть составляет альбедо Земли), 67% энергии поглощается атмосферой и земной поверхностью и после ряд^ревращений уходит в космическое пространство. (???) ^onltocbt и за<^алия Что является главным источником энергии на Земле? Дайте характеристику распределения солнечной энергии на Земле. 1. 2. § 5. Биосфера и ноосфера С. П. Залыгин утверждает, что «если молодой человек (как, впрочем, и человек в пожилом возрасте) хочет осмыслить свое место в окружающем мире, вписаться в него, то сделать это... без знакомства с воззрениями Вернадского нельзя». На вопросы анкеты: «Что наиболее характерного и наиболее ценного Вы усматриваете в организации своего труда как ученого?» - Вернадский ответил: «Я думаю, что скорее всего - систематичность и стремление понять окружающее. Кроме того, я придаю огромное значение вопросам этики». Эти три основных положения составляют «феномен Вернадского». Стремление понять окружающее было смыслом всей жизни В. И. Вернадского, Солнечный шар. раскаленный термоядерными реакциями, излучает равномерно во все стороны световую энергию мощностью Ьд=3.83-10^*Вт. Учитывая тот факт, что Земля получает лишь 5-10‘'° часть общей имучаемой Солнцем энергии (отношение площади земного диска к поверхности 4лг®^ с радиусом земной орбиты ге). можно определить мощность световой энергии, приходящей к нашей планете; P = L^RV4r®"s1,72-10’"BT. 162 систематичность являлась его рабочим инструментом, а этика -компасом, который обеспечивал правильность выбранного пути. Этика В. И. Вернадского была направлена на определение целей научного исследования, сопоставление их с идеями добра, нравственности, гуманизма. Он писал: «Ученые не должны закрывать глаза на возможные" последствия их научной работы, научного прогресса». Современник В. И. Вернадского Н. И. Вавилов требовал от своих сотрудников каждое изучаемое ими явление «положить на глобус». У Вернадского требования были еще выше - явление следовало «наложить на Вселенную». Важным способом познания мира для Вернадского являлось и искусство. Вернадский любил украинские народные песни и классическую музыку, был тонким ценителем художественной литературы, живописи, скульптуры. В 1926 г. в Ленинграде, а через три года в Париже и несколько позже в Берлине вышли очерки Вернадского «Биосфера в космосе» и «Область жизни» под общим названием «Биосфера». Эти очерки до сих пор не утратили своей актуальности. Однако сам Вернадский довольно критически относился к ним, считая, что приведенные в них определения биосферы как «сферы жизни», «лика Земли» или .«тонкой пленки жизни» весьма расплывчаты и неточны. «Лик Земли, - писал Вернадский в своей последней работе, - не является результатом «случайных явлений», а отвечает некой резко ограниченной геологической земной оболочке - биосфере, - одной из многих других, имеющих определенную структуру, характерную для земных планет. Эту структуру удобно называть организованностью по характеру идущих в ней геологических процессов». Последние годы жизни В. И. Вернадский посвятил анализу организованности биосферы. Итогом этих исследований должна была стать книга «Химическое строение биосферы Земли и ее окружение». Но великий ученый не успел ее опубликовать. Книга вышла через 20 лет после его смерти - в 1965 г. Первое употребление термина «ноосфера» принадлежит двум младшим современникам Вернадского, слушавшим его лекции по 163 11* геохимии в Сорбонне: филоеофу, математику, палеонтологу и антропологу Эдуарду Леруа и его другу, палеонтологу и антропологу Пьеру Тейяру де Шардену (1927 г.). Под ноосферой французские ученые понимали ту стадию эволюции природы, когда появился человеческий разум. Развернутое обоснование эта трактовка получила в книге П. Тейяра де Шардена «Феномен человека», впервые опубликованной в 1959 г. В ней Шарден определял ноосферу как «новый покров», «мыслящий пласт», который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается над миром растений и животных - вне биосферы и над ней. Ноосфера, по Вернадскому, это такой этап развития биосферы, при котором «проявляется как мощная, все растущая геологическая сила, роль человеческого разума (сознание) и направленного им человеческого труда». Оценивая роль человеческого разума и научной мысли как планетарного явления, В. И. Вернадский пришел к следующим выводам: ♦ Ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет. ♦ Это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли. ♦ Это изменение биосферы происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный естественный процесс. ♦ А так как среда жизни - биосфера - есть организованная оболочка планеты, то вхождение в нее в ходе ее геологически длительного существования, нового фактора ее изменения - научной работы человечества - есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние - в ноосферу. Статья В. И. Вернадского «Несколько слов о ноосфере» появилась в 1944 году и оказалась последней прижизненной публикацией ученого. В. Е. Соколов справедливо отмечает: «Пока наши представления о биосфере не будут закреплены в виде незыблемых моральных норм, мы вряд ли сумеем полностью побороть в себе безответственного потребителя. Значит, экологическая мораль нужна и нужно, чтобы она была сформулирована». Одним из 164 первых предшественников ноосферной концепции был самобытный русский философ Николай Федорович Федоров (1828-1903). Тезис Н. Ф. Федорова «Природа в нас начинает не только сознавать себя, но и управлять собою» определяет важную проблему управления («регуляции») природы человеком: «Повиноваться природе для разумного существа значит управлять ею, неразумною силою, ибо природа в ^разумных существах приобрела себе главу и правителя». eonfiocM. и заманил /. в чем заключается феномен В. И. Вернадского? Как вы понимаете высказывание В. И. Вернадского о необходимости любое природное явление «наложить на Вселенную»? В чем суть перехода биосферы в ноосферу? Дайте характеристику роли человеческого разума и научной мысли как планетного явления (см. Приложения №3). 2. 3. У. § 6. Гипотеза Геи Абиотическая среда нащей планеты резко отличается от условий жизни на любой другой планете Солнечной системы. Этот факт привел американских ученых - физика Джеймса Лавлока и микробиолога Линн Маргулис - в 1973-1979 гт. к созданию «Гипотезы Геи» (Гея - имя древнегреческой богини Земли). Согласно этой гипотезе, биосфера с течением времени не только создает подходящую для себя атмосферу, но и активно поддерживает ее современное состояние, не позволяет концентрациям входящих в нее газов значительно отклоняться в ту или иную сторону от оптимального значения. Таким образом, Лавлок и Маргу лис считают, что организмы Земли не столько приспосабливаются к атмосфере, сколько приспосабливают ее к своим потребностям. 165 Какие же факты подтверждают гипотезу Геи? Представьте себе, что по каким-то причинам содержание кислорода в атмосфере начинает возрастать и достигает 22, 23, 24 и даже 25%. Из-за этого угрожающе увеличивается возможность самопроизвольных пожаров, появляется опасность возгорания от вспышки молнии даже влажных тропических лесов. Участившиеся пожары уменьшают со' •] держание кислорода до начального значения. J Возьмем другой пример, когда из-за сжигает »> Ли органического топлива или по иным Яд/1 причинам содержание кислорода в воздухе Л 1 _ч1 уменьшится, а углекислого газа - увеличится. Что произойдет? Лавлок и Маргулис говорят, что увеличение содержания углекислого газа неизбежно стимулирует фотосинтез; с разрежением кислорода угнетается дыхание, резко снижается вероятность пожаров, что рано или поздно возвратит атмосферу в ее прежнее состояние. Каким образом ученые доказывают, что современная атмосфера наиболее благоприятна для жизни на Земле? Накопление кислорода в атмосфере началось еще с докембрия, и к началу палеозоя содержание его, по некоторым данным, не превышало 10% от современного; в дальнейшем оно подвергалось довольно значительным колебаниям (в истории Земли бывали и такие периоды, когда концентрация кислорода превышала современную), но в целом неуклонно росло. Концентрация кислорода свыше 21% неблагоприятна прежде всего из-за опасности пожаров, а ниже 21% - это плохо по другой причине: брожение (расщепление без участия кислорода) гораздо менее выгодно с энергетической точки зрения, чем биологическое окисление (дыхание). Окисление же происходит тем эффективнее, чем выше концентрация кислорода в среде. Линн Маргулис - микробиолог и Джеймс Лавлок - физик - авторы гипотезы Геи. 166 На многочисленных конкретных примерах авторы подтверждают идеи В. И. Вернадского о существовании биологического «контроля» за химической и физической средой планеты. Таким образом, по гипотезе Геи, биосфера представляет собой сложный своеобразный гигантский организм, суперорганизм, который способен преобразовывать свою среду так, чтобы она была для него наиболее благоприятной. Однако в настоящее время усилилось антропогенное воздействие на биосферу, а это приводит к менее оптимистическому взгляду на возможности биосферы поддерживать необходимую для ее существования окружающую среду. eonftocitt и заманил /. в чем заключается основная идея гипотезы Геи? 2. Приведите факты, подтверждающие гипотезу Геи. Почему, с ващей точки зрения, в настоящее время некоторые положения гипотезы Геи вызывают у ученых менее оптимистические прогнозы? 167 § 7. Круговорот и биогеохимические циклы веществ Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, на Земле постоянно должен происходить круговорот биологически важных веществ, т. е. после использования они должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму. Этот переход биологически важных веществ может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце. Ученый В. Р. Вильямс считает, что солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ - геологический, или большой круговорот, и биологический, малый круговорот. Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды. На Землю от Солнца ежегодно поступает 5,24-10^"* Дж излучаемой энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше вы- Рассеивание атомов водорода в космосе 1 СЗ СЗ .Осадки J U U L о г\ W ■ Водяной пар ООО \ Пед [ШИ Испарение (О^садки"^ Испарение Мировой океан — Круговорот воды как пример геологического круговорота (по Г. В. Войткевичу и В. А. Вронскому) 168 Органическое вещество Гумус Уголь, нефть, газы Биологический круговорот падает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда - снова в океан (перенося при этом определенное количество минеральных соединений). Это и обусловливает большой круговорот в биосфере, основанный на том, что суммарное испарение воды с Земли компенсируется выпадением осадков. С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического вещества, биологический (малый) круговорот. По мере развития живой материи из геологического круговорота постоянно извлекается все больще элементов, которые вступают в новый, биологический круговорот. В отличие от простого переноса минеральных веществ в большом круговороте, как в виде растворов, так и в виде механических осадков, в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разру- 169 шение органических соединений. В противоположность геологическому, биологический круговорот обладает ничтожной энергией. На создание органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1-0,2% всей поступающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот - до 50%). Несмотря на это, энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию первичной продукции. . С появлением на Земле живой материи химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внещней среды в организмы и опять во внещнюю среду. Такая циркуляция веществ по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов. Биогенная миграция вещества - одна из форм всеобщей миграции элементов в природе. Под биогенной геохимической миграцией следует понимать миграцию органического и косного вещества, участвующего в росте и развитии живых организмов и производимого последними в результате сложных биохимических и биогеохимических процессов. В. И. Вернадский сформулировал закон биогенной миграции атомов в следующем виде. Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом (тем, которое населяет биосферу в настоящее время, и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории). Человек воздействует прежде всего на биосферу и ее живое население, поэтому он тем самым изменяет условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для глубоких химических перемен. Таким образом, процесс может стать саморазви- 170 Бающимся, не зависящим от'желания человека, и при глобальном масщтабе практически неуправляемым. С точки зрения планетарного круговорота вещества, наиболее важным являются почвенно-ландщафтный, гидросферный и глубинный (внутриземной) циклы. В первом из них осуществляется извлечение химических элементов из горных пород, воды, воздуха, разложение органического вещества, поглощение и синтез различных органических и органо-минеральных соединений.. В гидросферном цикле главную роль играют состав воды и биологическая активность живых организмов. Биопродуцирование вещества здесь осуществляется при господствующем участии фито-и зоопланктона. В глубинном цикле биогенной миграции наиболее важная роль принадлежит деятельности анаэробных микроорганизмов. Процессы, происходящие в различных оболочках Земли, находятся в состоянии дицамического равновесия, и изменение хода какого-либо из них влечет за собой бесконечные цепочки подчас необратимых явлений. В каждом природном круговороте целесообразно различать две части, или два «фонда»: ♦ резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном неорганической природы; ♦ подвижный, или обменный, фонд - меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой. Обменный фонд образуется за счет веществ, которые возвращаются в круговорот либо за счет первичной экскреции (от лат. ехсгешт - выделенное) животными, либо при разложении детрита микроорганизмами. Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа: ♦ круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере; ♦ осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. 171 3onfiocbt и заманил /. Объясните смысл геологаческого круговорота на примере круговорота воды. 2. Как происходит биологический круговорот? 3. Что называется биогеохимическим циклом и биогенной миграцией вещества? У. В чем заключается закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского? 5. Что такое резервный и обменный фонды природного круговорота? В чем различие между ними? § 8. Круговорот азота Круговорот азота - это пример саморегулирующегося цикла с больщим резервным фондом в атмосфере. Воздух, на 78% состоящий из азота, представляет собой крупнейщий «резервуар» и одновременно вследствие своей малой химической активности -«предохранительный клапан» системы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий и постоянно извлекается из атмосферы в результате деятельности азотфиксирующих бактерий и некоторых водорослей (биохимическая фиксация азота), а также действия электрических разрядов при грозе. Круговорот азота складывается из следующих процессов: фиксация, ассимиляция, нитрификация, денитрификация, разложение, выщелачивание, выное, выпадение с осадками и т. д. Круговорот азота в биосфере носит весьма своеобразный и замедленный характер. Фиксация азота в живом веществе осуществляется ограниченным количеством живых существ. Отдельные микроорганизмы, содержащиеся в почве и верхних слоях Мирового океана, способны расщеплять молекулярный азот (N2) и попользовать его атомы для построения аминогрупп белков (-NH2) 172 Круговорот азота (по П. Дювиньо и М. Тангу) И другах органических соединений. Атмосферный азот поглощается азотофиксирующими бактериями, некоторыми видами синезеленых водорослей. Они синтезируют нитраты, которые становятся доступными для использования другими растениями биосферы. Биофиксация азота осуществляется некоторыми бактериями в симбиозе с высшими растениями в почвах (например, клубеньковыми бактериями, живущими на корнях бобовых растений). После своей гибели растения и животные возвращают азот в почву, откуда он поступает в состав новых поколений растений и животных. Определенная часть азота в виде молекул возвращается в атмосферу. В почвах происходит процесс нитрификации, который состоит из цепи реакций, когда при участии микроорганизмов происходит окисление иона аммония (NH4^) до нитрита (NOa") или нитрита до нитрата (КОз“). Восстановление нитритов и нитратов до газообразного соединения молекулярного азота (N2) или оксидов азота (NxOy) составляют сущность процесса денитрификации. 173 3onftocbt и заманил /. К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот азота? Объясните, почему? 2. Как происходит круговорот азота в природе? § 9. Круговорот углерода В круговороте углерода (углекислого газа) атмосферный фонд очень невелик в сравнении с запасами углерода, входящего в состав многочисленных органических и неорганических соединений. _ Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Последние 100 лет содержание СОг постоянно растет в результате новых антропогенных наступлений. Основным источником этих поступлений считается сгорание горючих ископаемых, однако свой вклад вносят развитие сельского хозяйства и уничтожение лесов. Леса - важные накопители углерода, так как в их биомассе содержится в 1,5 раза, а в лесном гумусе - в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующем «захоронении» их в литосфере в виде торфа, угля, нефти, горючих сланцев, осадочных горных пород. По второму пути миграция углекислого газа осуществляется при растворении его в водах Мирового океана, где СОг переходит в Н2СО3, НСО3, 'у_ СОз , а затем биогенным (зоо- или фитогенным) или химогенным путем соединяется с кальцием, образуя огромные массы СаСОз (известковые скелеты некоторых беспозвоночных, известковые водоросли и известковые илы), в результате чего возникают мощные толщи карбонатных пород. Согласно расчетам ученого 174 Круговорот углерода (по Б. Болину с изменениями) А. Б. Ронова, отношение захороненного углерода в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах составляет примерно 1:4. Кроме СО2, в атмосфере присутствуют в небольших количествах еще два углеродных соединения: оксид углерода (II) - СО и метан (СН4). Как и СО2, эти соединения находятся в быстром круговороте. ( 77?) Зоп^ош и заедания /. К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот углерода? 2. Какими путями происходит миграция углерода в атмосфере Земли? ' Практическая работа №9 (по практикуму №6). Изучение роли различных видов живых организмов в круговороте веществ. 175 § 10. Круговорот фосфора Круговорот фосфора - пример осадочного цикла с резервным фондом в земной коре. Фосфор - важный и необходимый элемент протоплазмы. Он циркулирует, переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями. Водоросли и наземные растения содержат 0,01-0,1% фосфора, животные - от 0,1% до нескольких процентов. В организмах фосфор входит в состав орто- и пирофосфорных кислот, а также многочисленных органических соединений. Нуклеиновые кислоты, содержащие фосфор, участвуют в процессах передачи наследственности. Общий круговорот фосфора состоит из двух частей - морской и наземной. В горных породах фосфор сосредоточен главным образом в фосфоритах и апатитах (а всего известно 190 минералов, содержащих фосфор). В процессе выветривания (разру-щение минералов и горных пород под действием физических и химических атмосферных факторов) и перемещения продуктов выветривания горных пород водой, ветром, льдом или под воздействием силы тяжести с более высоких уровней на более низкие, фосфор переносится природными водами в Мировой океан. В соленых морских водах фосфор переходит в состав фитопланктона, который служит пищей другим организмам моря, с последующим накоплением в тканях морских животных, в частности рыб. Определенное количество фосфора переносится на сущу морскими птицами и благодаря рыболовству. Птицы вьще-ляют фосфор на отдельных островах и побережьях в виде гуано. (? ? ?'| » 1C/ /Зоп/юсы. и заслонил /. к какому типу биогеохимических циклов относится круговорот фосфора? 2. Охарактеризуйте морскую и наземную части круговорота фосфора. 176 Круговорот органического фосфора Минерализация органического фосфора Погери, связанные с отложениями на большой глубине Круговорот фосфора (по П. Дювиньо и М. Тангу) 1 2 Заказ 451 177 § 11. круговорот серы Среднее содержание серы в земной коре составляет 0,047%, в природе этот элемент образует свыше 420 минералов, например: самородная сера S, пирит РеЗг, галенит PbS, сфалерит ZnS, гипс CaS04-2H20, мирабилит NaSO4-10H2O (глауберова соль). Сера в почвах находится в виде .сульфатов, в нефти встречаются ее органические соединения. В морских водоемах в областях, лишенных кислорода (в анаэробных условиях), размножаются сульфатредуцируюшие бактерии. Они восстанавливают сульфаты морской воды до сероводорода. Некоторые виды бактерий, например, зеленые серобактерии, окисляют сероводород до освобождения элементарной серы, которая концентрируется в их телах: I2H2S + 6СО2 ^ СбН120б + 6Н2О + 12S. После гибели бактерии привносят серу на дно, создавая иногда скопления самородной серы биохимического происхождения. Таким образом, мы видим, что биогеохимический цикл серы имеет свои особенности: - ♦ Обширный резервный фонд в почве и отложениях и меньший - в атмосфере. ♦ Специфические функции микроорганизмов: одни выполняют функцию окисления, другие - восстановления, например: а) H2S —> S -> SO4 (аэробное окисление сероводорода бесцветными, зелеными и пурпурными серобактериями); б) SO4 -> H2S (анаэробное восстановление сульфата суль-фатредуцируюшими бактериями); 2_ в) H2S -> SO4 (анаэробное окисление сероводорода тиобак-териями). ♦ Взаимодействие геохимических и метеорологических процессов (эрозия, осадкообразование, вышелачивание, дождь, абсорбция - десорбция и т. д.) с биологическими процессами (продукция и разложение). Сульфат (S04^“), аналогично нитрату и ' 178 Восстанавливающая грязь болот ^Сульфобактерии Серобактерии 4 't- У \ Добыча полезных ископаемых и нефти ч SO, у Распад FeS, и подобные поступления SO^ в воздух < Круговорот серы (по Н. Ф. Реймерсу) фосфату, - основная доступная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки. eonfwcbt и 3aь сет Дайте определения или характеристику основным понятиям и терминам главы 4 «Концепция биосферы»: биосфера; живое вещество; границы биосферы; закон константности В. И. Вернадского; функции живого вещества; альбедо; ноосфера; гипотеза Геи; геологический (больщой) круго- 12* 179 ворот; биологический (малый) круговорот; биогеохимические циклы; биогенная миграция вещества. вОЖРОШ и ^ля по€1но11енил, о^о^щенмя и cuafieM.aifiu3ai>^uu знании /. Заполните таблицу: Характеристика основных экологических факторов Основные группы экологических факторов Примеры 1. Абиотические 2. Биотические 3. Антропогенные 2. Известно, что если количественное значение хотя бы одного из климатических факторов выходит за пределы выносливости, то как бы ни были благоприятны другие условия среды, существование вида становится невозможным. Подтвердите данное положение конкретными примерами. 3. Заполните таблицу: Изменения климатических условий Примеры приспособления к изменениюусловий у растений у животных Суточные Сезонные 180 Ч. Какую закономерность в природе иллюстрирует рисунок: 100 -1000 к заданию № 4 (по Л. П. Анастасовой) 5. Изобразите схему обмена веществ и потока энергии в экосистеме школьного аквариума, включающей водоросли и высшие водные растения; простейшие - инфузории, дафнии; моллюски; рыбы; бактерии; грибы. Объясните, почему исключение из этой экосистемы моллюсков и простейших приводит к резкому нарушению ее равновесия? 181 6. Достройте схему пищевых взаимоотношений в смешанном лесу, поместив в соответствующие графы схемы изображения организмов, поедающих друг друга, или соответствующие им номера. к заданию № б (по Л. П. Анастасовой) 182 7. Определите, какое явление, происходящее в природе, иллюстрирует рисунок. Укажите основные причины происходящих явлений. к заданию № 7 окружающая среда». Экологические проблемы могут быть глобальными (воздействие оказывается на всю биосферу планеты), региональными (конкретный регион) и локальными (определенная территория, местность). В данной главе мы уделим внимание экологическим проблемам, имеющим глобальный характер. Наукой установлено, что количества веществ, образующихся в результате биологического синтеза и разлагающихся в биосфере, совпадают, образуя сложную систему замкнутых биогеохимических циклов. Нарущение этой цикличности (нарущение действия закона Ле Шателье - Брауна) и проявляется в истории биосферы в виде экологических кризисов. Экологическим кризи О’ + О’. квант радикалы света кислорода Образовавшиеся радикалы либо соединяются между собой, образуя снова молекулярный кислород: О + О’ -> О2, либо взаимодействуют с молекулой кислорода, образуя молекулу озона: О + О2 О3. Образовавшийся озон под влиянием внешних условий либо разрушается (диссоциирует): 03 -ь hv -> О2 + 0‘, либо, будучи химически активными, радикал кислорода и молекула Оз взаимодействуют между собой с образованием молекулярного кислорода: О -1- Оз —> О2 + О2. Такую схему поведения азота в естественных условиях предложил в 1930 г. английский геофизик С. Чепмен. Существенное влияние на состояние озона в атмосфере оказывает наличие загрязнителей, например, оксидов азота или соединений хлора и др. Вьщеляют три цикла разрушения озона: азотный, водородный и хлорный . Азотный цикл О' -ь NO2 ^ О2 -bNO’ (1) NO' + О3 ->N02 + О2 (2) О + Оз —> О2 + О2 197 Водородный цикл о + НО2 -> он + О2 (1) ОН + Оз ^ НО2 +О2 (2) О + О3 —> О2 + О2 Хлорный цикл О + Оз -> СЮ +О2 О + СЮ' С1 + О2 О + Оз —> О2 + О2 Обратите внимание, что в первых двух реакциях каждого из циклов (1,2) озон реагирует с веществом (частицей), которое в ходе химических реакций никуда не исчезает, так как если в первой реакции (1) оно вступает в процесс, то во второй реакции (2) оно образуется в первоначальном состоянии. Подобные вещества в науке называются катализаторами: они ускоряют реакцию, при этом сами в ходе реакции не расходуются. Отсюда следует, что все реакции разруще-ния озона каталитиче- (1) (2) Источники хлорного цикла разрушения озона 198 литические. В связи с этим попадание в верхние слои атмосферы даже относительно небольших количеств NO2, НО2" и СГ может длительное время влиять на баланс озона. Источниками веществ - виновников разрушения озонового слоя в первую очередь являются все более развивающиеся гражданская авиация и химические производства. Применение азотных удобрений в сельском хозяйстве, хлорирование питьевой воды, широкое использование фреонов в холодильных установках, для тушения пожаров, в качестве растворителей и в аэрозолях привело к тому, что миллионы тонн хлорфторметанов поступают в нижние слои атмосферы в виде бесцветного нейтрального газа. Распространяясь вверх, хлорфторметаны под действием УФ-из-лучения разрушаются, выделяя фтор и хлор, которые активно вступают в процессы разрушения озона. Когда фреон впервые был синтезирован свыше 60 лет назад, химики не могли нарадоваться на свое детище; безвредный, нетоксичный, инертный, дешевый газ. Теперь молекулы этого газа называют «убийцами». По данным американских ученых, фреоны в 20 000 раз превосходят СО2 в создании «парникового» эффекта. Особенно разрушителен для озона хлор; каждый его атом способен уничтожить 100 000- молекул озона! Это при том, что некоторые фреоны-долгожители, попадая в атмосферу, могут существовать в ней 70-100 лет. Способ измерения общего содержания озона (ОСО) был предложен еще в 20-е годы английским ученым Дж. Добсоном, разработавшим и построившим для этой цели специальный прибор - спектрофотометр, получивший потом его имя. Регулярные измерения ОСО спектрофотометром Добсона были начаты в конце 20-х годов в отдельных обсерваториях, но широкое развитие сеть наземных озонометрических станций получила лишь во время Международного геофизического года в 1957-1958 гг. Исследования ОСО проводятся и в нашей стране, например, в Главной геофизической обсерватории, на ее полевой обсерватории в поселке Воейково под Санкт-Петербургом. 199 Наиболее полную картину глобального распределения ОСО дают его измерения со спутников, впервые начатые в 70-е годы прибором TOMS на американском спутнике «Нимбус-7». Благодаря этому в 80-е годы ученые узнали, как именно распределяется озон над южным полушарием, и прежде всего характер и особенности поведения антарктической «озоновой дыры». Выяснилось, в частности, что сезонное изменение концентрации озона состоит в том, что она максимальна в конце зимы -начале весны, а минимальна осенью. Существуют ли регулярные изменения содержания озона с периодом больше года? Оказывается, существуют. Ученые наблюдают изменение содержания озона с периодом 26 месяцев. Не прав- Сезонный характер изменения концентрации озона (по И. Л. Каролю) 200 да ли, странный период? Его трудно связать с каким-либо природным циклом на Земле или на Солнце. И все же 26-месячная периодичность в земной атмосфере существует. Это явление носит название квазидвухлетних (от лат. quasi - якобы, как будто) колебаний. ВЫСОТА КМ 30 I 1 I I I I Ql И I I I 1 )1Уо1200йм L'11 Mill' слой ОЗОНА о, А Л| I I I I I I I I I I iiii 520'400и1. ' I 11 Я Длинноволновая характеристика озоновой проблемы (по И, Л. Каролю) 201 Более долгопериодные изменения содержания озона, видимо, связаны с солнечной активностью, и в первую очередь с известным 11-летним циклом (часто называемым циклом солнечных пятен). Важной особенностью озона является его способность поглощать жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца в интервале длин волн 200-320 нм. Излучение с длиной волны менее 200 нм хорошо поглощается молекулами кислорода, которых, как мы знаем, в атмосфере много, поэтому такое излучение не доходит даже до нижних слоев стратосферы. Солнечное излучение с длиной волны от 200 до 320 нм, если бы не озон, проникало бы сквозь тропосферу. Начиная примерно с длины волны 320 нм, солнечное излучение уже доходит до поверхности Земли. Область спектра с длиной волны 200-400 нм не зря называется биологически активным, ультрафиолетом (БАУ). Медики установили, что один джоуль БАУ вызовет в человеческом организме более сильные изменения, чем, например, тот же джоуль жесткого излучения (рентгеновского, у-лучей и т. д.). По данным ученых США, в случае истощения озонового слоя человечеству грозит, как минимум, резкий рост заболеваемости раком кожи и глазными болезнями, приводящими к слепоте. Вместо 500 тыс. случаев заболевания раком, которые прогнозируются учеными США в ближайшие 50 лет, им могут заболеть 12 млн. человек. Широкое движение «зеленых» во всем мире, принятие Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и действия международной организации ВМО (Всемирная метеорологическая ассоциация) привели к заключению весной 1985 г. Венской конвенции об охране озонового слоя. В конвенции провозглашалась общая цель участвующих в ней 44 стран: сохранение озонового слоя и консультации по предотвращению действий, наносящих ему ущерб. Конкретные мероприятия по защите озонового слоя предусматривались в Протоколе к Конвенции, принятом в сентябре 1987 г. в Монреале (Канада). 202 в июне 1990 г. в Лондоне,на собрании представителей стран, подписавших Монреальский протокол, были приняты поправки, существенно усилившие ограничения на фреоны. В 1992 г. представители 91 страны собрались в Копенгагене на очередную конференцию по озоновому слою с целью ускорить полное прекращение производства фреонов. Были приняты решения уже к 1996 г. полностью прекратить производство наиболее опасных фреонов, а до 2030 г. - всех остальных. Бьшо также вьщелено 240 млн. долларов для помощи развивающимся странам с тем, чтобы они прекратили производство фреонов до 2010 г. В случае выполнения принятых решений уже с 2000 г. содержание хлора в стратосфере начнет сокращаться, а около 2040 г. две части на миллиард частей воздуха придут к норме. /SoHftocbt и заманил /. Какую роль играет озоновый слой в создании благоприятных условий для жизнедеятельности организмов на Земле? 2. Объясните химический механизм образования и разрушения озона. 3. По каким основным направлениям развивается международное сотрудничество по защите озонового слоя Земли? § 4. Проблема «парникового эффекта» Состав атмосферы, как и расстояние от Земли до Солнца, определяет «бюджет» энергии атмосферы, который, в свою очередь, обусловливает все - от температуры у поверхности Земли до характера атмосферной циркуляции, перераспределяющей солнечную энергию над поверхностью. Поток солнечного излучения содержит лучи инфракрасной (ИК), видимой и ультрафиолетовой (УФ) частей спектра, но мак- 203 симум приходится на видимое излучение. Атмосфера относительно прозрачна для видимых лучей. Земля и атмосфера поглощают примерно 67% солнечного излучения. Около 33% излучения атмосфера и поверхность Земли отражают обратно. Лучше всего отражают облака, атмосферная пыль, молекулы атмосферных газов, снег и земля, лишенная растительности. Доля падающего излучения, которое отражается обратно в космос (альбедо планеты), может существенно колебаться при изменении климата, росте концентрации пыли во время извержения вулканов, вырубке леса на больших территориях. Уменьшение или рост альбедо приведут к нагреванию или охлаждению Земли. В среднем поверхность Земли передает атмосфере количество энергии, равное тому, которое она поглощает. Средняя глобальная температура у поверхности Земли составляет около 15°С. Именно такая температура необходима для поддержания на Земле теплового равновесия. Средние колебания температуры не превышают 10°С за 10 лет, 1°С за 10 лет и составляют десятые доли градуса Цельсия за последние 100 лет. Земля освобождается от поглощенной энергии, испуская тепловое инфракрасное излучение. В равновесном состоянии, когда температура Земли не меняется, энергия солнечного излучения, падающего на Землю, совпадает с энергией теплового излучения Земли. С учетом разницы температур поверхности Солнца (Тс = 6000К) и Земли (Тз = ЗООК) можно заключить, что каждый фотон солнечного излучения распадается в среднем на Тс/Тз = 20 фотонов теплового излучения Земли. По закону сохранения энергии в отсутствие атмосферы тепловой поток от Земли должен был бы совпадать с потоком солнечной энергии, поглощенной поверхностью Земли. Расчеты показывают, что при этом температура поверхности Земли составляла бы 5°С. Тот факт, что реальная температура земной поверхности на 10°С выше, связан с наличием атмосферы, играющей роль фильтра с односторонним пропусканием, за счет чего создается так называемый «парниковый» (оранжерейный, тепличный) эффект. 204 Механизм «парникового эффекта» Углекислый газ является одним из главных виновников «парникового эффекта», потому что другие известные «парниковые газы» (а их около сорока) определяют лишь примерно половину глобального потепления. Подобно тому, как в парнике стеклянная крыша и стены пропускают солнечную радиацию, но не дают уходить теплу, так и углекислый газ вместе с другими «парниковыми газами» практически прозрачны для солнечных лучей, но задерживают длинноволновое тепловое излучение Земли, не дают ему уходить в космос. При этом часть его уходит в космическое пространство, а часть возвращается обратно на поверхность Земли и оттуда вновь поступает в атмосферу. В результате температура приземного слоя воздуха повышается. Ежегодно на Земле сжигается около 2 млрд, т ископаемого топлива, что означает поступление в атмосферу почти 5,5 млрд, т углекислого газа. Еще приблизительно 1,7 млрд, т СОг поступает туда же за счет сведения и выжигания тропических лесов и окисления органического вещества почвы (гумуса). 205 Имеются расчеты, проведенные Г. А. Заварзиным и У. Кларком (США), которые показали, что в основном источником парниковых газов могут быть антропогбнные нарушения работы микробных сообществ почв Сибири и части Северной Америки. Значительно усугубляют проблему «парникового эффекта» некоторые другие газы, выбрасываемые человеком в атмосферу, особенно метан, хлорфторуглеводороды (фреоны) и оксиды азота. Регулярные наблюдения за климатом ведутся уже около ста лет. Шесть самых жарких лет за это время пришлись на последнее десятилетие: 1980, 1981, 1983, 1986 и 1988 гг. Эти и другие данные позволили известному климатологу Джеймсу Хансену из Института космических исследований при НАСА (Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства США) заявить в 1988 г., что «парниковый эффект» уже ощутим. Установлено, что содержание углекислого газа в атмосфере за последние 100 лет увеличилось на 25%. За этот период глобальная температура увеличилась примерно на 0,5°С. Прогностические оценки показывают, что к 2000 г. температура повысится в целом на 1,2-1,3°С, а к 2030-2040 гг. (при удвоении содержания углекислого газа) - на 3-4°С (примерно на 0,2-0,5°С за десятилетие). Примечательно, что шведский физико-химик, лауреат Нобелевской премии Сванте Аррениус еще в 1908 г. в своей книге «Образование миров» писал: «Если бы содержание угольной кислоты в воздухе удвоилось, то температура земной поверхности повысилась бы на 4°С». Удивительная прозорливость! Предстоящее увеличение средней глобальной температуры воздуха должно неминуемо привести к еще более значительному уменьшению континентальных ледников. Расчеты и измерения показали, что за последние 100 лет объем высокогорного оледенения сократился приблизительно на 2000 км^, ежегодное сокращение составило в среднем'0,06% от всей массы высокогорного льда. Потепление климата ведет к таянию полярных льдов и повышению уровня Мирового океана. За последние 20 лет скорость 206 его повышения увеличилась вдвое и достигла 2,5 см/год. По прогнозам ученых, к 2050 г. возможное повышение уровня океана составит 150 см, и тогда обьйирные области океанских и морских побережий, где сейчас проживает множество людей, окажутся под водой. Оценки, основанные на возможном росте температуры в течение ближайших нескольких десятилетий, показывают, что некоторые регионы с неустойчивым увлажнением станут более сухими, в результате чего не исключены еще большая деградация земель и потери урожаев. Влажные области будут еще в большей степени насыщены влагой, увеличится частота и интенсивность тропических штормов. В высоких широтах зимы будут более короткими, влажными и теплыми, а лето более длительным, жарким и засушливым. Глобальное потепление может вызвать смещение основных зон земледелия до нескольких сот километров на каждый градус изменения температуры. Кроме того, возможно изменение частоты и характера экстремальных воздействий на сельское хозяйство, обусловленных большими наводнениями, устойчивыми засухами, лесными пожарами и вредителями сельскохозяйственных культур. Вслед за предстоящими изменениями климата неизбежно наступят изменения положения природных зон. Процесс глобального потепления будет сопровождаться, видимо, заметным увеличением годового стока в высоких широтах и существенным изменением режима влагосодержания деятельного слоя почвы значительной части континентов. Существует, однако, и другое мнение относительно потепления климата. Группа ученых под руководством М. И. Будыко выяснила, что скорость образования карбонатных отложений в первом приближении пропорциональна количеству СОг в атмосфере. Приняв за основу это предположение, они рассчитали изменения концентрации СОг в атмосфере в фанерозое, т. е. в последние 570 млн. лет. 207 ® С02^° Изменения концентрации углекислого газа в фанерозое Из рисунка видно, что ранее атмосферного углекислого газа было, как правило, значительно больше, чем сейчас, что являлось причиной более теплых, по сравнению с нашим временем, климатических условий. В последние 100 млн. лет произошло заметное понижение концентрации СО2. Это означает, по данным М. И. Будыко, возврат к климатическим условиям конца третичного периода, т. е. на несколько миллионов лет назад. В то время климат был более теплым и влажным, растительности было больше, как из-за благоприятного климата, так и из-за повышенного содержания СО2 в атмосфере. Таким образом, М. И. Будыко видит определенные положительные стороны глобального потепления климата. Некоторые ученые доказывают, что повышение температуры на определенном этапе приведет к усилению испарения, увеличению облачности и другим процессам, а следовательно, к уменьшению поступления солнечной радиации на поверхность Земли. При этом температура приземного слоя воздуха будет понижаться. Известный американский физик С. Шнейдер, автор фундаментальной работы по климатологии «Глобальное потепление: наступает век парникового эффекта» отмечает, что с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере может возрасти и ско- 208 рость потребления этого газа растениями и океаном, что приведет к его уменьшению, и тогда возможные последствия «парникового эффекта» будут сильно смягчены. Однако, как подчеркивает сам ученый, «нельзя допустить, чтобы из-за неопределенной ситуации... мы отказались от стратегического планирования». В настоящее время варианты такого планирования уже появились. На международной встрече в Торонто (Канада) в 1988 г. ученые и политики предложили в качестве ближайшей цели сокращение выбросов углерода на 20% к 2025 г. Вице-президент США А. Гор считает необходимым принять международную конвенцию по климатическим изменениям с тем, чтобы уже к 2000 г. выбросы СО2 не превышали уровня 1990 г. Для этого прежде всего необходимы крупные изменения в мировой энергетике: ♦ сокращение потребления угля, замена его природным газом; ♦ развитие атомной энергетики; ♦ развитие альтернативных видов энергетики (ветровой, солнечной, геотермальной); ♦ всемирная экономия энергии. На конференции в Рио-де-Жанейро в 1992 г. принята Конвенция ООН об изменении климата, основным положением которой являются международная координация и объединение усилий в борьбе с изменением климата и его неблагоприятными последствиями для планеты. ^onftocbi и заманил /. 3. в чем заключается механизм возникновения «парникового эффекта»? Назовите основные источники возникновения «парникового эффекта». Какой из прогнозов возможных последствий «парникового эффекта» для планеты кажется вам наиболее вероятным? Почему? 14 Заказ 451 209 § 5. Проблема кислотных дождей Еще одной экологической проблемой является повышение кислотности окружающей среды. Хотя кислотным дождям стали уделять внимание сравнительно недавно, специалисты скандинавских стран еще в 50-е годы отмечали эту опасность. Сам термин «кислотный дождь» существует уже более 100 лет; впервые его использовал британский исследователь Роберт Ангус Смит в 1882 г., когда он опубликовал книгу «Воздух и дождь; начало химической климатологии». Впервые проблема кислотных дождей стала предметом серьезного обсуждения на XXVIII Генеральной ассамблее Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), проходившей в Мадриде в сентябре 1975 г. При изучении кислотных дождей нужно прежде всего ответить на два основных вопроса: что является причиной кислотных дождей и как они воздействуют на окружающую среду. Источники кислотных осадков 210 Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается около 200 млн. т твердых частиц (пыль, сажа и др.), 200 млн. т сернистого газа (SO2), 700 млн. т оксида углерода (II), 150 млн. т оксидов азота (NOx), что в сумме составляет более 1 млрд, т вредных веществ. Остановимся более подробно на основных антропогенных источниках образования кислотных дождей: соединениях серы и азота. Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, железные, медные и другие руды; одни из них используют как топливо, другие направляют с целью переработки на предприятия химической и металлургической промышленности. При переработке (в частности, при обжиге руд) сера переходит в химические соединения, например, в сернистый газ (оксид серы (IV)). Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными сооружениями, но основная масса выбрасывается в атмосферу. Соединяясь с парами воды, предварительно окисленный оксид серы (IV) образует серную кислоту: hv 2SO +0 - >2SO,, 2 2 свет 3 80з+Н^0-.Н^80^ В большинстве антропогенных выбросов преобладают оксид серы (IV) и сульфаты. Сульфаты вьщеляются при сжигании топлива и в ходе таких промышленных процессов, как нефтепереработка, производство цемента и гипса, серной кислоты. Из природных источников серосодержащих соединений важную роль играют биогенные выбросы из почвы и продукты жизнедеятельности растений. При извержениях вулканов преобладает оксид серы (IV), в меньшем количестве в атмосферу поступают сероводород, а также сульфаты в виде аэрозолей и твердых частиц. Ежегодно во всем мире в результате вулканической деятельности вьщеляется 4-16 млн. т соединений серы (в пересчете на SO2). Азот содержится в топливе многих видов ископаемых, например, в угле и нефти. Из антропогенных источников выделяется около 93% оксидов азота, главным образом в виде оксида азо- 14* 211 та (II), который в результате химических реакций в атмосфере превращается в оксид азота (IV), который и образует с водой азотную кислоту: hv 2N0 + 0, ^2NO свет 2' 3NO +H.O->2HNO +NO 2 z 3 Природные источники азота - это биогенные вещества, а также грозовые разряды и молнии. Летучие органические соединения, в отличие от оксидов серы и азота, поступают в атмосферу главным образом из природных источников (65% от общего количества). Основной источник этих веществ - растения, в результате жизнедеятельности которых образуются сложные органические соединения. И все же основными компонентами кислотных дождей являются серная и азотная кислоты; вместе с тем определенную часть их могут составлять хлороводород и фтороводород. Кислотные дожди (или, более правильно, кислотные осадки, так как выпадение вредных веществ может происходить как в виде дождя, так и в виде снега, града) наносят значительный эколо-гаческий, экономический и эстетический ущерб. В результате выпадения кислотных осадков нарущается равновесие в экосистемах, ухудща- 1—V - Последствия кислотных осадков 212 Воздействие кислотных осадков на листву деревьев ется продуктивность сельскохозяйственных растений и плодородие почв, ржавеют металлические конструкции, разрушаются здания, сооружения, памятники архитектуры и т. д. Диоксид серы адсорбируется на листьях, проникает внутрь и принимает участие в окислительных процессах. Это влечет за собой генетические и видовые изменения растений. В первую очередь погибают некоторые лишайники, поэтому их считают «индикаторами» чистого воздуха. Кроме того, кислотные осадки влияют и на растения более высокого класса. Самые чувствительные растения - это ель, лиственница, пихта, бук, граб, которые в большом количестве гибнут в Средней Европе. В настоящее время доказана высокая токсичность алюминия для корневой системы. Алюминий - составной компонент глинистых почв; при средних значениях кислотности (pH) он находится в малорастворимых нетоксичных формах. При повышении кислотности почвы происходит растворение соединений алюминия, в результате чего образуются токсичные соединения, которые разрушают корневые волоски, и в конечном итоге они отмирают. Особенно высока опасность их гибели при невысоком соотношении Са:А1. При повреждении волосков возникает водный стресс, вследствие чего нарушается процесс питания. 213 pH 75 70 6,0 55 5,0 45 40 55 ‘ ' _i____J____hJ______I_____u Гибнут ракообраэные, улитки, моллюски и т. д. Гибнут лосось, форель, плотва Гибнут восприимчивые к |кислотному загрязнению (насекомые, фито- и эоо-(планктон Гибнут сиг и Увриуо Гибнут окунь и щука I Г ибиут угорь и голец ^Выживают оезистентные к кислот. ~ ному загрязнению насекомые, некоторые виды планктона_________ Негативные последствия проявляются при , значениях pH ниже 6,5 Все "нормальные формы жизни прекращаются при значениях pH ниже 5 Влияние pH на жизнеспособность водных организмов В почве содержатся различные микроорганизмы: бактерии, актиномицеты или лучистые грибки, грибы, вирусы и др. Большинство из них перерабатывает лесную подстилку (гумусовый слой), улучшает структуру почвы, переводит органические соединения в усвояемые формы. С повышением кислотности почвы и образованием растворимых форм токсичных металлов активность микроорганизмов резко снижается. В своей эволюции живые организмы выработали приспособления к среде обитания, однако они могут нормально существовать только в определенном интервале pH. Изменение pH влечет за собой глубокие биохимические перестройки водных экосистем. Когда pH снижается до 6,5-6,0, погибают многие моллюски, ракообразные, гибнет икра земноводных. 214 Ростральные колонны в Санкт-Петербурге При pH равном 6,0-5,0 габнут наиболее чувствительные планктонные организмы и насекомые, сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, плотва, окунь и щука. Рыба гибнет не только от прямого действия кислоты. Вытесненный из горных пород и донных отложений подвижный алюминий повреждает жаберный аппарат. Из-за нарушения кальциевого равновесия рыба теряет способность к воспроизводству. При pH менее 5,5 мхи и нитчатые водоросли вытесняют основную растительность водоема, иногда в воду даже переселяется сфагновый мох - обитатель суши. При pH ниже 4,5 в воде озер вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные (бескислородные)' процессы с вьщелением метана и сероводорода. 215 Кислотные осадки медленно, но верно растворяют сооружения из мрамора и известняка. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу - шедевру индийской архитектуры периода Великих Моголов, Тауэру и Вестминстерскому аббатству в Лондоне, Казанскому собору. Мраморному дворцу и Александро-Невской лавре в Санкт-Петербурге. На соборе Св. Павла в Риме слой портлендского известняка изъеден кислотными осадками на 2,5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Иоанна «тают, как леденцы». Черными отложениями, этим «раком камня», изъеден Королевский дворец в Амстердаме. В Европе более 100 тыс. ценнейших витражей - памятников средневекового готического искусства. Витражи соборов и церквей в Шартре, Кентербери, Кельне, Эрфурте, Праге, Берне, Санкт-Петербурге, Москве, Новгороде, Пскове и других городах относятся к числу самых замечательных памятников мировой культуры. Сушествует опасность полной утраты этих произведений искусства в ближайшие 15-20 лет. В мае 1988 г. в Стокгольме была открыта необычная выставка - фасад Национального археологического музея был затянут грязно-серым полотном, а перед входом в музей поставлена бесформенная копия статуи Карла XII. Мрачно воздетая рука короля выражала отчаяние, которое должно было охватить людей при ознакомлении с экспонатами. Дальний перенос загрязняющих веществ в атмосфере - это одна из проблем северного полушария. В 1983 г. вступила в силу «Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большое расстояние», в которой указано, что страны должны стремиться к ограничению и постепенному уменьшению загрязнения воздушной среды, включая загрязнения, выходящие за пределы своего государства. В июле 1985 г. в Хельсинки 20 государств Европы и Канада подписали Протокол о 30%-ном снижении выбросов оксидов серы на территории этих государств или их трансграничных потоков на территорию соседних государств. Проблема охраны атмосферного воздуха от загрязнений отражена и в Законе России об охране окружающей природной среды (1992 г.). 216 3onfiocixt и заедания /. в чем заключается механизм возникновения кислотных дождей? 2. Назовите основные источники образования кислотных дождей. 3. Каковы возможные последствия кислотных дождей для окружающей среды планеты? § 6. Взаимодействия в системе «Биосфера — Солнце» История гелиобиологии и космической антропоэкологии как самостоятельных наук началась в 1915 г. с доклада «Периодическое влияние Солнца на биосферу Земли» 18-летнего биолога, впоследствии известного ученого Александра Леонидовича Чижевского. Космические факторы, связанные с поведением Солнца, способны влиять на биосферу не только через климатические и погодные колебания, как считали до тех пор, но и непосредственно через космические и солнечные «радиации» и обусловленные ими изменения в геомагнитной обстановке. А. Л. Чижевский установил статистические связи между событиями на Солнце и всевозможными массовыми явлениями на Земле: заболеваемостью, смертностью, самочувствием населения, скоростью размножения и миграции рыб, животных, насекомых, развитием и урожайностью высших растений. Кроме того, прослеживается, например, четкая зависимость между активностью Солнца и динамикой транспортных аварий. Их число в дни активного Солнца возрастает в 2-4 раза по сравнению со «спокойными» днями. К этому выводу ученые пришли, проанализировав данные о десятках тысяч аварий, происшедших на дорогах за 20 лет. _ 217 Солнце простирает свое влияние буквально на все живое на Земле. Доказательство тому, - циклические изменения, обнаруженные в ряде перечисленных явлений и совпадающие с периодами, свойственными колебаниям солнечной и геомагнитной обстановки: 11-летние циклы, связанные с солнечной активностью; 27-дневные, зависящие от длительности существования отдельных пятен на Солнце; сезонные изменения - следствие вращения Земли вокруг Солнца. С началом освоения космического пространства ученые получили уникальную возможность исследовать физические процессы, протекающие на Солнце и в околоземном пространстве, регистрируя изменения, происходящие в земной атмосфере, а с помощью метеорологических спутников наблюдать за тем, что происходит в земной атмосфере. Каковы же основные факторы, осуществляющие связь Солнца и биосферы Земли? В первую очередь, это те физические факторы, которые наиболее подвержены отклонениям'от норм в период солнечной активности: электромагнитные колебания; атмосферный инфразвук, возникающий во время полярных сияний, ураганов и землетрясений; повышенный уровень радиоактивности в результате «вьщав-ливания» из горных пород одного из наиболее токсичных и опасных изотопов -радона-222; колебания ультрафиолетового излучения с длиной волны 290 нм, вызванные изменением толщины озонового экрана, и др. Все эти факторы настолько повсеместно распространены, что могут приводить к массовым биологическим явлениям, которые как раз и можно наблюдать в периоды подъема солнечной активности. Пока мы здоровы, наш организм способен справляться с этим посторонним воздействием, но стоит заболеть, например, гипертонией, и космическое влияние напомнит о себе. Таким образом, идеи А. Л. Чижевского и В. И. Вернадского о единстве Земли и космоса резко расширили само понятие «окружающая среда», что имеет важное значение для научных исследований в области гелиобиологии и космической антропоэкологии. 218 /Зоп^осм, и заломил /. Приведите примеры влияния солнечной активности на различные явления на Земле. 2. Назовите основные физические факторы, наиболее подверженные влиянию солнечной активности. § 7. Моделирование и прогнозирование в экологии Основоположником нового метода прогнозирования - глобального моделирования - является американский ученый, профессор школы управления Массачусетского Технологического института Джей Форрестер, специалист в области теории управления сложными системами. Научная заслуга Дж. Форрестера состоит в том,^ что он первым, используя математические методы и ЭВМ, предложил вариант модели экономического развития общества, в котором учитываются 5 факторов: население; капиталовложения (фонды); природные ресурсы; часть фондов, вкладываемая в сельское хозяйство; уровень загрязнения. В этой модели приняты в расчет темпы роста населения, определяемые рождаемостью и смертностью; темпы капиталовложений, зависящие от темпов образования фондов и их износа; темпы потребления природных ресурсов; темпы загрязнения. ' Несмотря на ограниченность модели Форрестера (сам он называл ее учебной), ее значение в экологических исследованиях огромно: она продемонстрировала возможность объединения в модели производственных, социальных и экологических процессов. Глобальная экология получила нужный ей метод исследования. «Работы Дж. Форрестера внесли существенный вклад в создание научного направления', чрезвычайно важного для всего человечества», - отмечал Н. Н. Моисеев. 219 л s Е с 0 2 § 1 . ✓ N ч / / / » оУ у у * * ' */ / г у у г. • . - • • • • • • * • ^ ' ‘ — Население Фонды £1риродные ресурсы Качество жизни Загрязнение IW И40 л« П1> мм 7100 гио Годы Вариант математического моделирования развития биосферы до 2100 г. Дж. Форрестера Рассматривая свою модель как предварительную попытку моделирования глобальных систем, автор на основе проведенных модельных экспериментов приходит к следующему выводу: при сохранении современных социальных, демографических и других закономерностей, действующих в обществе, с середины следующего века начнется его деградация: сократится промышленное производство, снизится уровень жизни, уменьшится рождаемость и увеличится смертность, в итоге резко и значительно сократится численность населения. В 1968 г. по инициативе итальянского экономиста Аурелио Печчеи был создан так называемый Римский клуб, куда вошли лица, обеспокоенные тенденциями развития мирового сообщества. По рекомендации Дж. Форрестера, в Римский клуб был принят Деннис Медоуз, один из авторов книги «Пределы роста», предостерегающей от опасностей безудержного экономического развития и призывающей экономистов и бизнесменов незамедлительно принять соответствующие меры. В этой книге было заявлено, что в начале XXI в. человечество ожидает глобальная эко- 220 логическая катастрофа-коллапс в силу неограниченного экономического и демографического роста; в качестве мер, могущих предотвратить такой исход, предлагались глобальное равновесие, стабилизация производства и «нулевой рост населения». С 1972 года Римскому клубу было представлено около двух десятков научных отчетов ученых; среди последних можно назвать работу А. Кинга и Б. Шнайдера «Первая глобальная революция» (1991 г.), в которой отмечаются четыре наиболее неотложные проблемы: демографическая, экологическая, продовольственная и энергетическая; новую работу Д. Медоуза «Новые границы роста» (1992 г.), в которой отмечается, что от демографического и экономического роста зависят возможности устойчивого экологического развития; работу С. Хантингтона «Столкновение цивилизаций» (1994 г.), где утверждается, что будущие мировые конфликты могут определяться не экономикой или идеологией, а сферой культуры, противоречиями цивилизаций. В 1977 г. президент Римского клуба А. Печчеи опубликовал книгу «Человеческие качества», в которой изложил как концеп- 221 ции, разработанные клубом, так и свои размышления о будущем человечества. Он утверждал, что научно-техническая революция является причиной того удручающего состояния, в котором оказались современное человечество и окружающая среда. Большое внимание Печчеи уделяет человеческим, гуманистическим качествам человека и общества в целом. Для человечества «не может быть спасения до тех пор, пока народ сам не изменит к лучшему свои качества, нравы и поведение». Ч Г ^onltocbt и заманил /. Какие факторы учитывались в модели экономического . развития общества Дж. Форрестера? 2. Назовите основные проблемы современного мира, рассматриваемые в работах ученых Римского клуба. 3. Проведите сравнительный анализ прогнозов моделей Дж. Форрестера и Д. Медоуза с современным состоянием окружающей ср'еды, уровнем жизни людей, демографией и др. У. Попытайтесь самостоятельно определить для себя, о каких «качествах, нравах и поведении» людей говорит ■ А. Печчеи в книге «Человеческие качества». § 8. Концепция устойчивого развития Ухудшение экологической обстановки во многих регионах земного шара и на планете в целом требует все более энергичных международных усилий, объединения всего человечества для защиты жизни на планете. В 1983 г. Всемирная Комиссия ООН по окружающей среде и развитию в своем отчете «Наше общее будущее» призвала к «новой эре экономического,развития, безопасного для окружающей среды». Комиссия отметила, что «человечество способно сделать развитие устойчивым - обеспечить удовлетворение 222 нужд настоящего, не подвергая риску способность будущих поколений удовлетворять свои потребности». Таким образом, необходим переход к устойчивым формам развития, которые требуют разумных взаимоотношений с окружающей средой. Перспективу на этом пути открывает обширная программа «Повестка дня на XXI век», принятая на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро. В документах Конференции первые два тезиса сформулированы следующим образом: ♦ «Все государства и все люди будут сотрудничать в осуществлении крайне важной задачи устранения бедности как необходимого требования для того, чтобы уменьшить неравенство в стандартах жизни и лучше удовлетворять требования большинства людей в мире». 4 «Для достижения устойчивого развития и более высокого качества жизни для всех людей государствам следует ослабить и исключить экологически неприемлемые производство и потребление и поддержать необходимую демографическую политику». Остальные тезисы Конференции прямо или косвенно связаны с первыми двумя. В таблице № 5 вы можете ознакомиться с основными проблемами, обсуждавшимися на Конференции ООН в июне 1992 г. Человек - естественный компонент биосферы, он возник в результате ее эволюции, и на него, как и на все остальные виды, распространяются законы биосферы. Человечество может существовать на планете только в довольно узком интервале ее параметров. Как и любой другой вид, человек имеет свою экологическую нишу - систему взаимоотношений с окружающей средой, законы развития, которых человеку необходимо учитывать в своей деятельности. Отступление от этих законов может привести человечество к катастрофическим последствиям. Таким образом, человечество стоит сегодня перед важной проблемой выработки стратегии своего выживания на планете. В связи с этим Н. Н. Моисеев' определяет устойчивое развитие как «реализацию СТРАТЕГИИ человека, его пути к эпохе ноосферы, 223 Таблица №5. Основные направления «Повестки дня на XXI век» (по М. Китингу) Проблема Краткая характеристика проблемы 1 2 Борьба с бедностью В мире насчитывается 157 миллиардеров, почти 2 миллиона миллионеров и более 1,1 миллиарда человек, доход которых меньше 1 доллара США в день. Пути преодоления бедности: обеспечение заработков; самообеспеченность бедных стран и сокращение зависимости от богатых стран; увеличение численности трудоспособного населения; устойчивое развитие и сохранение природных ресурсов; совершенствование образовательной системы; планирование семьи; финансовая помощь. Изменение структур потребления Расточительный образ жизни богатой части человечества - одна из причин деградации среды ч ч и истощения природных ресурсов. В то же время бедные не могут получить минимально необходимое для жизни. Альтернатива состоит в том, что необходимо установить во всем мире такую норму потребления, какую Земля может вьщержать в течение длительного времени. Необходимо уменьшить энергетические и сырьевые затраты, развивать экологически чистые технологии и др. Население и устойчивость и раслредапчм Cwap - Or « то 19М го25 К20 1920 2020 В 1993 г. население мира составило более 5, 5 млрд, человек и, как прогнозируют ученые, к 2020 г. достигнет 8 млрд, человек. Глобальнь(е демографические проблемы условно представлены на диаграмме: 1 2 Защита и улучшение здоровья людей Здоровье людей зависит от состояния окружающей среды. Стратегические задачи в области здравоохранения к 2000 году: о мобилизовать усилия на борьбу со СПИДом; о бороться с туберкулезом и другими тяжелыми заболеваниями; о сократить детскую смертность; о создать эффективные службы контроля за состоянием здоровья населения; о обеспечить право мужчин и женщин определять количество своих детей и сроки их рождения; о удовлетворить потребность населения в питьевой воде, здоровой пище; о защищать здоровье детей; о защищать окружающую среду от вредных для здоровья выбросов, отходов ч_________ Устойчивые поседения (урбанизация) К 2000 году половина населения мира будет жить в городах. Урбанизация общества является частью процесса экономического развития, в городах производится 60% валового национального продукта. Рост городского населения в развитых и развивающихся странах неодинаков (см. диаграмму) 1970 1975 I960 1905 1990 1995 2000 Защита атмосферы Главный источник выбросов в атмосферу - это производство и потребление энергии Рост гаоодсшга нвсолем i рамити pontOHBX. 1970 • 2000 1 2 Рациональное использование земельных ресурсов Плодородие почвы снижается вследствие водной и ветровой эрозии, а также химической и физической деградации. Среди причин деградации почвы отмечают чрезмерное пастбищное животноводство; оскудение и вымирание лесных массивов; сельскохозяйственную деятельность; чрезмерную эксплуатацию земель и др. Борьба с уничтожением лесов Леса играют важнейшую роль в сохранении почвы и воды, поддержании здоровой атмосферы и биологичеекого разнообразия растительного и животного мира. Правительствам следует разработать программы национальных действий для устойчивого развития лесного хозяйства \ \ Борьба с опустыниванием и засухой Опустынивание - это процесс деградации зе?или, вызванный изменением климата и деятельностью человека. Особенно этому процессу подвержены засушливые земли. Наиболее явными последствиями опустьЕнивания являются деградация пастбищных угодий и падение производства продуктов питания. Засуха и опустынивание являются также причинами бедности и голода Защита и рациональное использование океанов Около 70% загрязнения морской среды связано с наземными источниками, включая большие и малые города, промышленность, строительство, сельское хозяйство и туризм. Большой экологический стресс испытывают океаны в результате чрезмерного вылова рыбы и моллюсков (до 90 млн. т ежегодно) и ухудшения состояния берегов и коралловых риЕфюв 1 2 Охрана И' рациональное использование пресной воды Проблема пресной воды сегодня стала одной из важнейших экологических проблем. К 2000 г. должны быть выполнены следующие задачи; 0 обеспечить всех жителей городов из расчета на одного человека минимум 40 литрами питьевой воды в день; 0 установить и применять нормы по удалению и обезвреживанию муниципальных и промышленных стоков; 0 обеспечить жителям всех сельских районов доступ к экологически безопасной воде и др. Повышение безопасности использования токсичных химических веществ Химические вещества используются во всем мире.' Существует около 10000 коммерческих химических веществ, хотя на долю лишь 1500 из них приходится 95% мирового производства. В настоящее время еще не достигнуто всеобщее соглашение о торговле токсичными и опасными продуктами Удаление твердых отходов и сточных . вод Быстрое увеличение объемов бытовых отходов и сточных вод в городах создает угрозу здоровью населения и окружающей среде. Ежегодно 5,2 млн. человек, включая 4 млн. детей, умирают от заболеваний, вызванных неэкологичным удалением сточных вод и твердых отходов. К 2025 году объем отходов может возрасти в 4-5 раз ___________1 Удаление радиоактивных отходов Опасность, которую представляют собой радиоактивные отходы, требует сокращения объема их выработки, безопасной транспортировки и ликвидации. Ежегодно при работе АЭС образуется 200 тыс. отходов с низкой.и 10 тыс. отходов с высокой радиоактивностью____________________________________________________ Роль детей и молодежи в обеспечении устойчивого развития Программы развития должны гарантировать молодежи безопасное будущее, и в том числе благоприятн}то для здоровья окружающую среду, более высокий жизненный уровень, образование и работу. Молодежь составляет почти 1/3 населения планеты, а во многих развивающихся странах - половину их населения. Образовательный уровень должен повыситься настолько, чтобы к 2000 году более половины юнощей и девущек в каждой стране имели возможность получить среднее или профессиональное образование. В образовании молодежи следует проводить занятия по вопросам, связанным с проблемами окружающей среды и развития Наука и образование в целях устойчивого развития Научные исследования в настоящее время служат целям выживания человечества. В XXI веке могут произойти опасные изменения в биосфере. Ученые исследуют проблемы: изменения климата, роста потребления ресурсов, демографических тенденций, деградации среды, путей использования энергии и ресурсов, космических исследований биосферы, влияния среды на здоровье людей и др. Программа должна обеспечить образование и просвещение по вопросам развития и сохранения окружающей среды для людей всех возрастов. Экологическое образование - необходим мое условие устойчивого развития человечества т. е. к состоянию коэволюции Общества и Природы». При этом под коэволюцией (от лат. со - совместно) следует понимать совместную эволюцию социальной и природной систем, объединенных тесными экологическими связями, при которых эволюция одной системы зависит от эволюции другой и одновременно влияет на нее. Следует отметить, что в науке проблема устойчивого развития еще не нашла однозначного, принятого всеми учеными объяснения. Концепция устойчивого развития сегодня еще в начале своего теоретического и практического подтверждения. В июне 1997 г. в Нью-Йорке состоялась Очередная Сессия Генеральной Ассамблеи ООН по проблемам окружающей среды и развитию,посвященная обсуждению итогов 5-летнего периода по становлению устойчивого развития человечества (после Конференции 1992 г. в Рио-де-Жанейро). В работе форума принимали участие представители свыще 60 стран мира. Делегацию России возглавлял премьер-министр В. С. Черномырдин. В своем выступлении он отметил приоритетность проблем экологии, экономики, выживаемости человечества в разработке стратегических направлений устойчивого развития России. Никита Николаевич Моисеев (р. 1917) -известный ученый в области общей механики и прикладной математики. /Sonftocbt и заманил /. Определите в порядке наибольшей важности вьщвину-тые руководителем Римского клуба А. Печчеи социальные и экологические проблемы, стоящие перед человечеством: ♦ бесконтрольное распространение человека, заселяющего планету; ♦ неравенство в обществе; 229 ♦ голод и недоедание; ♦ безработица; ' ♦ инфляция; ♦ энергетический кризис; ♦ недостаток природных ресурсов; ♦ устаревшая система образования; ♦ неграмотность населения; ♦ преступность; ♦ наркомания; ♦ ядерное вооружение; ♦ коррупция среди политиков; ♦ бюрократизм; ♦ деградация (разрушение) природной среды; ♦ упадок моральных ценностей; ♦ утрата веры в будущее; ♦ недопонимание опасности экологических бедствий; ♦ военные конфликты. Попытайтесь обосновать предложенное вами ранжирование современных проблем. ' 2. Перечислите основные тезисы «Повестки дня XXI века» и дайте им свое объяснение. 3. На основании предложенных в таблице №6 определений сформулируйте свое трактование термина «устойчивое развитие». 230 Таблица №6. Определения понятия «устойчивое равновесие», данные разными авторами Автор Определение 1 Г. X. Брундтланд министр Норвегии - премьер- «...устойчивое развитие означает такое использование естественных ресурсов, вложение капиталов, технологический прогресс и институциональные изменения, которые будут покрывать как будущие, так и существующие нужды...» «...устойчивое развитие - это такое развитие, которое удовлетворяет потребности в настоящее время, но не ставит под угрозу способность буд}лцих поколений удовлетворять свои потребности. Оно включает два ключевых понятия: , - понятие потребностей, в частности, потребностей, необходимых для существования беднейших слоев населения, которые должны быть предметом первостепенного приоритета; - понятие ограничений, обусловленных состоянием технологии и организации общества, накладываемых на способность окружающей среды удовлетворять нынешние и будущие потребности»__________________________________________ Д. Медоуз и др. - авторы книг «Пределы роста», «Новые границы роста» Понятие «устойчивое развитие» конкретизируется авторами следующим образом: «- рождаемость в устойчивом обществе должна быть примерно равна смертности; • - темпы инвестирования примерно равны темпам амортизации капитала; - темпы потребления невозобновимых ресурсов не должны быть выше темпов разработки их устойчивой воюбновимой замены; - интенсивность выбросов не должна быть больше возможностей окружающей среды поглощать их»_____________________________________________________ Таблица №6, продолжение 1 2 А. Гор - вице-президент США В работе «Сбалансированная планета» автором выделены следующие тезисы: - ограничение прироста населения; - разработка экологических технологий; - изменение экономических принципов; - Создание системы международных соглашений по окружающей среде; - экологическое воспитание населения Земли. Н. Н. Моисеев, академик (Россия) ' «Термин "sustainable development", который мы переводим как "устойчивое развитие" следует интерпретировать как '"СТРАТЕГИЮ" перехода к такому состоянию природы и общества» § 9. Проблема сохранения биологического разнообразия __________________ Биоразнообразие может быть разделено на три категории; генетическое разнообразие, разнообразие видов и разнообразие экосистем. Генетическое разнообразие подразумевает разнообразие генов внутри одного вида. Видовое разнообразие -это разнообразие видов внутри одного региона. Разнообразие экосистем - разнообразие мест обитания, биотических сообществ и экологических процессов в биосфере. Необходимо понимать, что существуют различные уровни биоразнообразия, причем видовое разнообразие, пожалуй, наиболее легкий предмет для изучения. Все три уровня разнообразия составляют единую систему. Снижение генетического разнообразия вида, происходящее из-за «отсутствия притока свежей крови» вследствие, например, разделения некогда единого ареала на части, может привести к гибели вида, а значит, уменьщится биологическое разнообразие данного региона. Биоразнообразие напрямую связано с устойчивостью экосистем и биосферы в целом к изменениям экологических факторов, в первую очередь антропогенных. Снижение биоразнообразия приводит к разрущению сложивщихся экологических связей и деградации природных сообществ, к нарущению их гомеостаза, в конечном счете - к их уничтожению. Поддержание биоразнообразия необходимо по многим причинам, не говоря уже о том, что каждый вид и каждая экосистема имеют право на существование. Жизнедеятельность многих видов зависит от других; уничтожение одного вида может привести к исчезновению других. Человек, как биологический вид, зависит от других видов из-за потребности в еде, лекарствах, промыщ-ленных продуктах, а также в таких «экологических услугах», как, например, самоочищение водоемов. И, наконец, каждый вид и каждая экосистема вносят определенный вклад в красоту и богатство окружающего нас мира. 233 По наиболее взвешенным оценкам биологов, на Земле имеется около 10 млн. видов живых- организмов. Систематики дали название только 1,4 млн. видов. Существует невообразимое множество пока еще «неопознанных» микроорганизмов, насекомых и малых обитателей океана. Влажные тропические леса Юго-Восточной Азии, Центральной и Западной Африки, а также Латинской Америки характеризуются наибольшим видовым разнообразием. Степень уничтожения лесов, а значит, и утрата мест обитания, наиболее высока в тех же районах. Ежегодно уничтожается около 17 млн. га тропических лесов (территория, в 4 раза превышающая площадь Швейцарии). При сохранении таких темпов уничтожения тропических лесов от 4 до 8% видов, обитающих во влажных тропических лесах, обречены на вымирание к 2015 г., а от 17 до 35% - к 2040 г. Если так будет продолжаться и дальше, то в течение последующих 25 лет будут обречены на уничтожение еще 15% видов, обитающих на Земле. Леса умеренного климата характеризуются меньшим разнообразием видов, но и они уничтожаются. На сегодняшний день осталось только 44% лесов умеренного климата, в основном в Сибири и на Тихоокеанском побережье Северной Америки. Следует иметь в виду, что существует разница между «собственно вымиранием» и «обреченностью на вымирание». Некоторые виды могут продолжать свое существование на протяжении нескольких поколений, но в итоге они исчезают из-за влияния факторов, неопасных для видов с нормальной численностью, например, из-за неурожая, эпизоотии, разрушения мест обитания, уничтожения кладок яиц и т. д. Иными словами, когда численность видов или популяций высокая, шансов выжить у них значительно больше, чем у малочисленных видов или популяций. Разрушение мест обитания - не единственная причина снижения биоразнообразия. К другим причинам относится фрагментация. Так, для выживания некоторых видов, например, журавлей, одно огромное болото имеет значительно большее значение, чем несколько меньших, хотя и равных по суммарной площади. 234 V-X ijr .»;/ Биологическое разнообразие; прошлое, настоящее, будущее (по И. Т. Суравегиной, В. М. Сенкевич) 235 Некоторым хищникам, например, волкам, для охоты нужны обширные территории. Под снижением биоразнообразия понимается не только уменьшение числа видов, живущих на данной территории, но и качественные изменения экосистем, когда взамен одних видов появляются другие, не характерные для местных природных сообществ. Важную роль в этом процессе может играть интродукция -перенос видов организмов за пределы их естественных ареалов и внедрение в местные природные комплексы. При отсутствии на новом месте жительства естественных врагов вид начинает бурно размножаться, вытесняя другие виды. В таких случаях интродукция может привести к снижению биоразнообразия. Наиболее известные примеры печальных последствий интродукции - появление колорадского жука в Европе и кролика в Австралии. В Конвенции о биологическом разнообразии, принятой на Конференции в Рио-де-Жанейро, отмечается, что «утрата биологического разнообразия на планете продолжается главным образом из-за разрушения среды обитания, чрезмерной эксплуатации сельскохозяйственных ресурсов, загрязнения окружающей среды и привнесения инородных растений и животных. Уменьшение биологического разнообразия происходит в первую очередь из-за деятельности человека и представляет собой серьезную угрозу нашему развитию». ' Основные причины утраты биологического разнообразия, отмеченные в Конвенции, включают: ♦ возрастающую численность населения; ♦ возрастающее потребление ресурсов; 4 пренебрежительное отношение к биологическим видам и экосистемам; ♦ плохо продуманную государственную политику в области использования природных ресурсов; ♦ негативное влияние международной торговли; ♦ несправедливое распределение ресурсов; Ф непонимание или игнорирование значения биологического разнообразия. 236 Образ жизни пещерного охотника привел к уничтожению некоторых видов животных, например, мамонтов и шерстистых носорогов. Земледелие уже во времена древних цивилизаций стало причиной экологических катастроф - образования пустынь и сведения лесов на громадных территориях. Но в последние десятилетия влияние человека на природные сообщества многократно усилилось, значительно превышая их способность к самовосстановлению. Изменился качественный,состав жертв: если в предьщущие века с лица Земли были стерты, главным образом, виды, представляющие интерес для охотников, то теперь в Красные книги попадают и насекомые, и рептилии, и прочие, не представляющие промыслового интереса, живые существа. В них уже не стреляют ради вкусного мяса или красивых перьев: их попутно, вместе с сорняками, губят ядохимикатами, у них отнимают места обитания введением интроду-цированных видов, вырубкой лесов, распашкой лугов, осушением и орошением земель, разработкой полезных ископаемых, строительством дорог и городов, загрязнением окружающей среды. /Зоп^оал и за^аяил /. в чем заключается проблема биологического разнообразия? 2. Дайте краткую характеристику основным категориям биоразнообразия: генетическому разнообразию, разнообразию видов, разнообразию экосистем. 3. Приведите основные положения Конвенции о биологическом разнообразии (Рио-де-Жанейро, 1992). У. В чем основные причины снижения биоразнообразия? ^лтоветь сеш Дайте определения или характеристику основным понятиям и терминам главы «Глобальная экология»: глобальная экология; экологическая проблема; экологический кризис; антропогенные экологические кризисы; озоновый 237 слой; цикл Чепмена; азотцый, водородный и хлорный циклы разрушения озона; фреоны; «парниковый эффект»; кислотные дожди; биологическое разнообразие; концепция устойчивого развития; моделирование и прогнозирование в экологии. liS Практическая работа №10 (по практикуму №18), Изучение и моделирование глобальных экологических проблем вОЛТОСЫ и природа», предметом исследования -взаимодействие ее элементов, задачей - открьп-ие законов взаимодействия, а целью -разработка теории управления процессом этого взаимодействия. На рисунке показаны основные компоненты (науки), которые в единстве составляют феномен социальной экологии. Следует особо отметить, что социальная экология - это не сумма знаний из разных научных областей и даже не их взаимодействие, а органическое единство целого комплекса наук. Н. Н. Моисеев подчеркивал необходимость развития «синтетического учения, объединяющего в одно целое исследование процессов, протекающих в неживой природе, живой материи и человеческом обществе». Первая Всесоюзная конференция по проблемам социальной экологии, состоявшаяся во Львове в 1987 г., привлекла самый щи-рокий круг ученых-экологов, географов, экономистов, социологов, медиков и др. В настоящее время социальная экология - общепризнанный во всем мире комплекс наук; проводятся международные конференции по проблемам социальной экологии, возникли обще-ств^ные организации и фонды по социальной экологии. (7 ?Т) » Sonfiocbt и заманил /. Что изучает социальная экология? 2. В чем заключается феномен социальной экологии как комплекса наук, изучающих систему «общество <—> природа»? 244 § 2. История экологических связей человечества Если представить историю развития нашей планеты как временной интервал, равный суткам, то развитие человечества протекало в последние 2 секунды этих условных суток. Но, несмотря на столь кратковременную жизнь, мы сегодня являемся свидетелями вымирания большего числа земных видов, чем за предьщушие 5 млрд. лет. Чтобы определить основные законы социальной экологии, восстановим в памяти историю экологических связей человечества, т. е. взаимоотношений, взаимосвязей, взаимодействия человечества и окружающей среды (таблица № 7). Самые древние гоминиды - предки человека возникли примерно 5 млн. лет назад. Среди них около 3 млн. лет назад вьщелился род -человек (homo). Его первые представители - человек умелый {homo habilis) - 2000-1600 тыс. лет назад и человек прямоходящий {homo erectus) - 1600-1200 тыс. лет назад, к которому относят питекантропов и синантропов (300 тыс.-2 млн. лет назад). Им на смену пришли неандертальцы {homo neantertaliensis - 1200-800 тыс. лет назад), исчезнувшие примерно 40 тыс. лет назад. В это же время (40-50 тыс. лет назад) появились кроманьонцы - црямые предки современных людей, вместе с которыми они составляют единый вид - человек разумный {homo sapiens). Со временное состояние этого вида С. Бараш (1994 г.) называет homo sapiens sapiens. Важнейшей экологической особенностью человека яш1яется его существенно меньшая зависимость от среды обитания. Высокая степень независимости человека от среды сформировалась за счет постоянного изменения характера самых разных экологических связей человека. ГТт?) 3onfiocbt и заманил 7. Как развивалась история взаимоотношений человека и природы? 2. Вьщелите в истории взаимоотношений человека и природы основные этапы изменения их экологических связей. 245 9 Современный человек(Homo sapiens). Появился за 2 сек. ,||| / ДО / полуночи / 65 млн. лет ^225 млн. леГГ)! ' ) Полночь Эпоха I Эпоха млеко-N ^ \рептилии\^з^^^^ Заселение с ши насекомы -ми и земновод-fными ^ /ЗавоеваниеJ 12 суширасте-. 370 млн^ лет |нияии _-1 \ \ Изобилие \ \ \этих ископ^ ' \ \емых, 40^ Mnn.^^j^r'Появление редких окаменевших ‘ впоследствии V. ископаемых 570 млн. лет Эволюция и развитие жизни Полдень ^ ^лрд. лех. История эволюционного развития жизни на Земле (по Т. Миллеру) Таблица № 7. Основные этапы истории взаимоотношений человека и природы Период времени Некоторые факты Выводы 2 млн. лет назад Поздние преддюди (австралопитеки) около 3 млн. лет назад приобрели важные умения - они стали использовать Первый этап изменения экологических связей предлюдей и камни, палки и кости в качестве примитивных орудий. ранних людей характеризовался Австралопитеки Принципиально новый шаг сделали первые люди около 2 млн. лет назад, когда они научились специально изготавливать простейшие орудия труда и охоты из камня, кости, дерева. Эти самые первые на Земле мастера-умельцы получили видовое название'- человек умелый. Первые орудия использовались не только для охоты, но и для разделки туш крупных животных, дележа добычи и т. д. применением, а затем и изготовлением примитивных орудий, что значительно повысило доступность к пищевым ресурсам. ' 500 тыс. лет назад Примерно 500 тыс. лет назад древние люди научились Экологические последствия пользоваться огнем. Они умели непрерывно (длительное овладения огнем: качественный время) поддерживать принадлежащий племени костер. На скачок в процессе развития Земле появился постоянный (помимо пищи) источник до- независимости древних людей полнительной энергии. Зависимость человека от климати- от влияния абиотических фак- Древние люди у ческих факторов, прежде всего от низких температур и торов, укрепление социальных костра крупных хищников, значительно ослабла связей и начало освоения скрытой (тепловой) энергии, обес- Реконструкции доисторических людей, сделанные Мак-Грегором печивающеи в дальнейшем господство человека над природой. Обогреваемые костром жилища становились все более притягательными для жизни и общения, способствовали обмену информацией, служили укреплению социальных связей 40 тыс. Лет назад к v'' Охота на оленей. Неолит Примерно 30^0 тыс. лет назад у кроманьонцев была уже хорошо развита речь. Таким образом, возникла принципиально новая форма внутрипопуляционных коммуникативных связей - членораздельная речь и сопутствующее ей образное, понятийное мышление. Свою положительную роль сыграло развитие нового человеческого качества -альтруизма*. Доброе, заботливое отношение даже к физически немощным, но умудренным жизненным опытом старикам позволило создавать и передавать потомкам боль-щие объемы устной информации. Именно кроманьонцы стали знамениты своей склонностью к изобразительному Данный этап связан с развитием новых форм информационных связей - человеческой речи, накоплением устной и фиксированной (в наскальных изображениях животных) информации. Это привело к преобразованию экологических связей человека в социально-экологические Альтруичм (от лат. alter - другой) - бескорыстная забота о благе других, готовность жертвовать для других своим благополучием и даже ЖИЗНЬЮ. Олени, переходящие через реку. Резьба по кости Верхний палеолит искусству, известны всему миру рисунки животных на стенах пещер южной Франции 10 тыс. Лет назад Переход к сельскому хозяйству Решающее событие в развитии человечества на пути обретения большей независимости от среды обитания - возникновение сельского хозяйства. Земледелие зародилось приблизительно 10-12 тыс. лет назад, одновременно шло одомашнивание полезных человеку животных: быков, лошадей, коз и др. Земледелие привело к оседлости, т. е. к упрощению территориальных связей различных групп населения. Возникли постоянные поселения, росли города. Земледелие преобразовало пищевые связи человечества, которое за короткий исторический срок (3-5 тыс, лет) Для данного этапа характерен переход от собирательства и охоты к производству пищи -новой форме трофических связей перешло от Свойственных всем животным форм овладения пищей (собирательство и охота) к принципиально новому социальному способу - производству продовольствия Новая эра Развиваются информационные, коммуникативные связи Характерной особенностью ■Я.-.-.. человечества, ускоряется обмен представителями разных развития социально-экологичес- контингентов, регионов, территорий. Мощным стимулом ких связей человечества за по- накопления информации стала письменность (которая следние два тысячелетия была оформилась 4-5 тыс. лет назад), что привело к ускоренно- их быстро растущая социаль- Размах промыш- му становлению и развитию культуры, общего достояния ность ленной револю- всей видовой популяции человека. Освоение всех форм \ ции ископаемого топлива (угля, нефти, газа), использование солнечной, ветровой и др. видов энергии через работу разнообразных машин и механизмов приобрели особый размах во время промышленной революции (примерно 200300 лет назад) Современность - Нарастает энерговооруженность человечества, что влечет Две главные социально-эколо- XX век за собой беспрецедентное усиление давления человеческо- гические черты современности: го вида на среду своего обитания. К концу XX века энер- ♦ реальная угроза глобального гетический потенциал (прежде всего ядерный) уже доста- экологического кризиса, пони- точен для уничтожения (намеренного или случайного) всей маемая всем населением плане- экосистемы Земли. Уникальной приметой современности ты; й- ^ ■> ; является всеохватность и быстродействие информационных ♦ реальная надежда на его пре- потоков и связей. Сегодня существует опасность выхода дотвращение благодаря непре- сверхбыстродействующих технологий из-под контроля рывному экологическому обра- Современные слишком медленных для этого биологических реакций че- зованию и просвещению людей. ловека-оператора (например, компьютерных систем, управ- развитию экологической куль- технологии ляющих ядерной энергетикой, современной военной и космической техникой) туры у каждого жителя Земли § 3. Воздействие человека на окружающую среду С возникновением человеческой цивилизации появился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд, наших современников оказывают на природу такое же (по масштабам) воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составляла 50 млрд, человек, а количество высвобождаемой человеком энергии скоро может стать сравнимо с энергией, получаемой Землей от Солнца. Еше в Древнем Риме и Афинах римляне отмечали загрязнение вод Тибра, а афиняне - вод афинского порта Пирея. Римские поселенцы в провинциях Африки жаловались на оскудение земель вследствие эрозии почв. Первым законом об охране окружающей среды принято считать эдикт английского короля Эдуарда IV (1273 г.), запрещающий использование каменного угля для отопления жилищ Лондона. По обычаям того времени, за нарушение эдикта полагалась смертная казнь. Более чем через 100 лет (1388 г.) издается эдикт 06 охране Темзы в черте города. С развитием науки и техники увеличились количества и объемы химических соединений, поступаюших в атмосферу, загряз-няюших водоемы, проникающих в почву и недра Земли, изменяющих протекание естественных (природных) круговоротов и др. В результате перед обществом возникла дилемма: либо бездумно катиться к своей неизбежной гибели в надвигающейся экологической катастрофе, либо сознательно превратить созданные гением человека могучие силы науки и техники из орудия, ранее обращенного против природы и самого человека, в орудие их защиты и процветания, в орудие рационального природопользования. Таким образом, социальная экология возникла в ответ на потребность в сокращении опасного воздействия человечества на природу для сохранения естественных условий жизни. Ее основ- 252 ное назначение - обеспечить качественно новый способ развития общества во взаимодействии с природой. В 1957 г. П. Дансеро сформулировал три экологических закона: ♦ Закон необратимости взаимодействия в системе «человек -биосфера» - часть возобновимых природных ресурсов (животных, растительных и др.) может стать невозобновляемой, если деятельность человека сделает невозможным их жизнедеятельность и воспроизводство. Мы уже упоминали о том, что, например, неконтролируемая охота на стеллерову корову привела к ее исчезновению как биологического вида. То же самое происходит и с другими видами животных. В целом за последние примерно 400 лет с лица Земли исчезло свыше 160 видов млекопитающих и птиц. ♦ Закон обратимости биосферы - биосфера после прекращения воздействия на ее компоненты антропогенных факторов стремится восстановить свое состояние, т. е. сохранить свое экологическое равновесие и устойчивость. Например, заброшенные сельскохозяйственные поля постепенно, в результате сукцессии, возвращаются в состояние дикой природы. ♦ Закон обратной связи взаимодействия в системе «человек-биосфера» - любое изменение в природной среде, вызванное хозяйственной деятельностью человека, бумерангом возвращается к человеку и имеет нежелательные последствия, влияющие на экономику, социальную жизнь и здоровье людей. Подтверждением этого закона могут быть экологические проблемы Байкала, Ладоги, Арала и др. /Sonfiocbt и завалил /. Оцените современное воздействие человека на окружающую среду. 2. Приведите примеры, иллюстрирующие экологические законы П. Дансеро. 253 § 4. Загрязнение окружающей среды Один из ведущих экологов России Н. Ф. Реймерс определяет загрязнение так; «...привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, информационных или биологических факторов или превышение естественного среднего уровня содержания данных факторов в среде, приводящее к негативным последствиям». Иначе говоря, это все то, что не в том месте, не в то время и не в том количестве, как естественно для природы, что выводит ее из состояния равновесия. Обычно, говоря о загрязнении, име ют в виду загрязнения, вызванные деятельностью человека (антропогенные), но загрязнение возникает иногда и вследствие естественных причин. Ярким примером природного загрязнения может служить деятельность вулканой, когда в атмосферу поступают тысячи тонн различных веществ. Основные загрязнители окружающей среды приведены в таблице № 8). Вулканическая деятельность как пример природного загрязнения окружающей среды 254 Загрязнение окружающей среды 255 Таблица №8. Основные загрязнители окружающей среды виды ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ОСНРВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНЕ1Я ВОЗМОЖНОЕ БЛЕ1ЯНИЕ НА СОСТОЯНИЕ АТМОСФЕРЫ 1 2 3 Оксид серы (IV), сернистый газ SO2 Сжигание топлива, металлургия Изменение климата, образование «кислотных осадков», обострение респираторных заболеваний у человека, вред растениям, разъедание строительных материалов и некоторых тканей, усиление коррозии металлических конструкций Взвешенные частицы, содержащие тяжелые металлы Разработка полезных ископаемых, вспашка почвы, металлургия Изменение климата, состояния озонового слоя, увеличение концентрации тяжелых металлов в цепях питания Озон Оз Фотохимические реакции в атмосфере Изменение климата, негативное влияние на здоровье человека Оксиды азота NO* Сжигание топлива, транспорт, азотсодержащие минеральные удобрения, авиация Изменение климата, состояния озонового слоя, образование «кислотных осадков», увеличение концентрации нитратов (нитритов) в пищевых цепях, усиление коррозии, создание смога и др. Оксид углерода (IV), углекислый газ СО2 Сжигание топлива, транспорт Изменение климата, «парниковый эффект» Ртуть Hg Разработка ртутьсодержащих руд, производство хлора, соды, ряда пестицидов, свалки Накопление в организмах по пищевым цепям 256 1 2 3 Свинец РЬ Транспорт, металлургия Накопление в организмах по пищевым цепям Кадмий Cd, цинк Zn, медь Си и др. тяжелые металлы Химическая промышленность, металлургия Гибель обитателей водоемов за счет накопления по пищевым цепям Оксид углерода (II), угарный газ СО Сжигание топлива, транспорт Изменение климата, нарушение теплового баланса верхней атмосферы Асбест Строительные материалы Влияние на здоровье человека Нефть Нефтехимическая промышленность Нарушение теплообмена гидросферы с атмосферой. Гибель морских организмов Полициклические углеводороды (бензопирен) Химическая промышленность, сжигание топлива, транспорт, курение Изменение климата, состояния озонового слоя, негативное влияние на здоровье человека Фосфаты Химическая промышленность, производство фосфорных удобрений Экологическое состояние вод в реках и озерах Пестициды Химическая промышленность, производство пестицидов Накопление в организмах по пищевым цепям Фторхлорпроизводные углеводородов (фреон ы) Холодильная промышленность, производство аэрозольных упаковок Разрушение озонового слоя Планеты, изменение климата Радиация Естественный (в основном, радоновый фон) и искусственный фон (медицинское обслуживание, испытание ядерного горючего, АЭС) Злокачественные новообразования и генетические мутации Человек ежегодно извлекает из недр Земли свыше 100 млрд, т полезных ископаемых (сегодня известно около 250 их видов), выплавляет 800 млн. т различных металлов, рассеивает на поля свыше 500 млн. т минеральных удобрений. Ежегодно сжигается около 17 Заказ 451 257 9 млрд, т условного топлива, что приводит к выбросу в окружающую среду более 20 млрд, т углекиелого газа и более 700 млн. т других соединений, около 3 млрд, т нефти и нефтепродуктов сжигается в качестве моторного топлива и для получения электроэнергии. Каменного угля сжигается ежегодно еще больщее количество. Только 2% сырья, извлекаемого из недр планеты, превраща-етея в готовую продукцию, а остальные 98% - отходы, загрязняющие биоеферу. А ведь объем добычи полезных ископаемых в мире удваивается каждые 15 лет (объем промышленной продукции на планете удваивается каждые 8-10 лет!). В результате производственной деятельности человека в окружающую среду выбраеываетея около 100 тые. наименований химических веществ. Это количество в десятки раз превосходит естественные поступления веществ при выветривании горных пород и вулканичеекой деятельности. Ежегодно производится 60 млн. т неизвестных ранее, новых синтетических материалов, в почвы сельскохозяйственных угодий вноеится огромное количеетво минеральных удобрений и пеетицидов. Количество железа, поетупающего антропогенным путем в природную среду, составило за последние 150 лет около 6,5 млрд, т, а возможные поеледетвия процесса металлизации биоеферы пока полноетью не изучены. Таблица №9. Антропогенное воздействие на биосферу (по Ю. И. Скурлатову, Г. Г. Дуке, А. Мизити) Извлечение из биосферы в год Поступление в биосферу в год Ископаемые - 100 млрд, т Металлы - 800 млн. т Химические вещества - 100 тыс. наименований Синтетические материалы - 60 млн. т Минеральныеудобрения - 500 млн. т Пестициды Железо Жидкий сток Твердый сток СО2 SO?_________ - 5 млн. т - 50 млн. т - 500 млрд, м^ - 17,4 млрд, т - 20 млрд, т - 150 млн. т 258 в результате строительства и горных разработок ежегодно перемещается более 4 тыс. км породы, сжигается 7 млрд, т топлива. Для ирригации*, промышленного производства, бытового снабжения отбирается более 13% речного стока и сбрасывается в водоемы ежегодно более 500 млрд, м** промышленных и коммунальных стоков. Их нейтрализация требует 5-10-кратного разбавления природной чистой водой. Не менее чем вдвое в последние годы увеличился твердый сток в океан. Только в водохранилищах накопление продуктов размыва суши составляет 13,4 млрд, т в год. Говоря о загрязнении окружающей среды, следует сказать несколько слов о явлении ее естественного самоочищения. Рассмотрим этот процесс на примере самоочищения водоемов. В нормальных условиях (без антропогенного вмешательства) в водоеме устанавливается экологическое равновесие, т. е. такое состояние системы, при котором обеспечивается ее стабильность, способность самовосстановления (гомеостаз) после негативных воздействий. Оно обеспечивается совокупной деятельностью населяющих экосистему организмов; бактерий, водорослей и высших водных организмов, различных беспозвоночных животных. Поэтому одна из важнейших экологических задач состоит в том, чтобы поддерживать эту способность. Факторы самоочищения водоемов можно разделить на три группы: физические, химические и биологические. Среди физических факторов можно назвать хорошее перемешивание и снижение концентрации взвешенных частиц загрязнителя. Оседание (седиментация) в воде нерастворимых осадков, а также отстаива ние загрязненных вод способствуют самоочищению водоемов. Невысокая температура воды благоприятствует длительному сохранению попадающих в водоемы бактерий, вирусов. Так, в умеренной зоне самоочистка происходит на участке 200-300 км от меета загрязнения, а. на Крайнем Севере - до 2 тыс. км. Важным физическим фактором самоочищения водоемов является ультра- Ирригация (от лат. irrigalio - орошение) - технологический прием в сельском хозяйстве для улучшения водного режима растений, что означает использование дополнительной воды в нужные сроки и в необходимом количестве. 17* 259 №. Озеро Байкал фиолетовое излучение Солнца, благодаря которому происходит обеззараживание воды. Ультрафиолетовое излучение может воздействовать не только на обычные бактерии, но и на споровые организмы и вирусы. Из химических факторов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Биологический фактор самоочищения заключается в способности живых организмов (микроорганизмов и др.) к разрущению загрязняющих соединений. Сегодня антропогенная нагрузка на водоемы в боль-щинстве случаев превыщает их способности к самоочищению. Поэтому необходимо уделять внимание созданию современных малоотходных технологий и очистке выбросов, чтобы избежать необратимых процессов в природной среде. ^onfioctrt и задания /. Дайте определение понятию «загрязнение». 2. Каков современный уровень загрязнения окружающей среды? 3. Какие факторы загрязнения водоемов вы знаете? 260 § 5. Что такое смог? Отдельно взятые вещества, загрязняющие воздух, менее опасны, чем их смеси. Химические реакции, протекающие непосредственно в воздухе, приводят к возникновению дымных туманов -смогов. Смоги возникают при определенных условиях; во-первых, при большом количестве пыли и газов, выбрасываемых в воздух города; во-вторых, при длительном существовании антициклонных условий погоды (областей с высоким атмосферным давлением), когда загрязнители скапливаются в приземном слое атмосферы. Смоги бывают нескольких типов. Наиболее изучен и известен влажный смог. Он обьиен для стран с морским климатом, где очень часты туманы и высока относительная влажность воздуха. Это способствует смешиванию загрязняюших веществ, их взаимодействию в химических реакциях. Тогда и возникает в 100-200-метровом слое воздуха ядовитый густой грязно-желтый туман - влажный смог. Сухой смог, или, как его называют, смог лос-анджелесского типа, отличается от влажного смога своими свойствами. Воздух в Лос-Анджелесе (США) сухой, поэтому смог образует здесь не туман, а синеватую дымку. Третий вид смога - ледяной смог, или смог аляскинского типа. Он возникает в Арктике и .Субарктике при низких температурах в антициклоне. В этом случае выбросы даже небольшого количества загрязняюших веществ приводят к возникновению густого тумана, состоящего из мельчайших кристалликов льда и, например, серной кислоты. Смоги разных типов характерны для многих крупных городов мира, в том числе и ряда городов нашей страны, где существуют физико-географические условия, благоприятные для возникновения смога. Эти города, как правило, расположены в горных котловинах, где застаивается воздух. Смоги бывают, например, в Кемерово, Новокузнецке, Братске, а также Ереване, Алма-Ате. В таких городах недопустимо даже небольшое повышение промышленного загрязнения воздуха, а количество автомобилей должно 261 Дымный туман - смог быть ограничено. К сожалению, в среднем по стране в настоящее время обезвреживается лишь около 80% вредных веществ от стационарных источников выбросов, а в ряде городов их значительно меньше. (TTj) /3onfiocbt и задамся. /. Что называется смогом? 2. Как и где возникают различные виды смога? 262 § 6. проблема диоксинов О диоксинах сегодня говорят и пишут много. Что же такое диоксины и почему проблема диоксинов стала столь актуальна? Начнем с химии. В центре молекулы два атома кислорода, соединенные с двумя бензольными кольцами*, каждое из которых, в свою очередь, / связано с двумя атомами хлора. СН ' сн CI-C сьс с-а C-CI сн сн Совершенная форма. Прекрасная по своей простоте, изящная, словно орнамент. А ведь эта формула принадлежит самому токсичному из всех искусственных веществ, действие которого сильнее цианидов, стрихнина, кураре, запрещенных сегодня отравляющих веществ; зомана, зарина, табуна, Vx-газа. Во всем мире классический диоксин признан абсолютным ядом. Однако под диоксинами следует подразумевать не какое-то конкретное вещество, а несколько десятков семейств, включающих кислородсодержащие ксенобиотики, а также семейство бифенилов, не содержащих атомы кислорода. Молекула классического Диоксина имеет форму прямоугольника размерами ЗхЮА. Это позволяет ей удивительно точно вписываться в рецепторы живых организмов. Физиологическая активность пришельцев подавляет жизненные функции приютивших их хозяев, заставляет их работать иначе. В малых дозах диоксины не столько отравляют, сколько именно видоизменяют живое. Симптоматика диоксинового отравления крайне сложна. Диоксин может годами накапливаться в организме, не вступая там ни в какие взаимодействия, а затем дать о себе знать в виде самых разнообразных болезней. Бло- Бензольное кольцо - структурная формула органического вещества - бензола СбНб, 263 кируя рецепторы, молекула диоксина, как и злосчастный вирус СПИДа, подавляет иммунные возможности организма. Начаться может с мелочи - с раздражения кожи. Потом появляются незаживающие фурункулы. А потом вдруг рождается ребенок-урод, развивается психическое расстройство, злокачественЩ1Я опухоль... Впервые о массовых заболеваниях, проявившихся в виде множества покрывающих кожу незаживающих фурункулов, врачи узнали в 1949 г. после аварии на заводе «Nitro» в американском штате Вирджиния. Пострадали тогда двести с лишним человек, и примерно у половины из них обнаружили симптомы какой-то новой болезни. Впрочем, сразу же в,спомнили, что эта болезнь известна еще с конца прошлого века и называется хлоракне (тогда немецкие врачи сочли ее чисто кожной и причину усмотрели единственно в действии хлора). Затем 1953 год: авария на заводе фирмы «BASF» в ФРГ. И снова у 55 пострадавших - хлоракне. 1956 год - взрыв на заводе фирмы «Rone Poulenk» во Франции. И снова та же странная болезнь, возбудитель которой неизвестен, но теперь все хотя бы поняли, что это определенно не воздействие хлора. В результате многих лет исследовательской работы ученые пришли к выводу, что возбудителем хлоракне является вещество из семейства диоксинов. Затем открытия шли по нарастающей. Ученым удалось установить, что причиной азиатских болезней Юшо и Ю-Ченг (названы они в память соответственно японского и тайваньского поселков, жители которых пострадали в 60-70-е годы от жестокого отравления) послужил собрат классического диоксина - тет-рахлоридбензофуран. Общее число пострадавших при этих двух катастрофах составило примерно четыре тысячи человек. За период с 1961 по 1970 гг. американская армия, сражаясь с партизанами, распылила над территорией Южного Вьетнама 57 тыс. т. дефолианта* «Agent Orange» для уничтожения расти- Дефолианты (от де... и лат. folium - лист) - химические вещества (бутифос, пуривея, диоксин и др.), предназначенные для провоцирования искусственного опадения листвы растений (например, для облегчения механизированной уборки хлопка). Представляют серьезную опасность для людей и животных. Диоксин («оранжевая смесь») использовался во Вьетнаме в военных целях. 264 тельности. Подобные операции пришлось прекратить из-за многочисленных сообщений о раковых и других заболеваниях участников событий, в том числе военнослужащих США и Австралии, о рождении у них детей-уродов. Следует отметить, что сам по себе этот препарат с таким красивым названием не может вызывать ничего подобного. Но из-за несоверщенства его производства упомянутые 57 тыс. т дефолианта содержали 170 кг (П.ПППЗ"''' ) диоксина, который и наделал столько бед. Однажды попав в определенную среду обитания - воду, воздух, почву, - диоксины остаются там, никуда не исчезая, вплоть до полного распада. А это достаточно долгий срок. Период их полураспада, например, в почве - 10-12 лёт, в организме человека - 6-7 лет. Диоксины практически нерастворимы в воде, устойчивы к изменениям температуры, неподвластны влиянию кислот и щелочей. Диоксины обнаружены в составе отходов металлургии, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промьдшенности. Образуются они и при уничтожении отходов в мусоросжигательных печах, на тепловых электростанциях, в выхлопных газах автомобилей, в табачном дыме, при пожарах, когда горят синтетические покрьп'ия и масла в трансформаторных будках, на городских свалках... Практически везде, где ионы хлора или брома или их сочетания взаимодействуют с активным углеродом в кислородной среде, возникают диоксины. Стекая с отходами производства в реки, моря, водоемы, почву, ксенобиотики усваиваются живыми организмами и попадают на обеденный стол человека вместе с рыбой, молоком и другими продуктами. При разработке предельно допустимых норм диоксина для организма человека положена степень риска - вероятность появления одного пострадавщего на миллион. Официально установленная суточная санитарная норма в разных странах колеблется от 0,006 до Л'У 10 пикограмм (10 г) диоксина на один килограмм живого веса. Проблеме диоксина был посвящен международный симпозиум «Диоксин-89» в Торонто. Научно-исследовательская работа по антидиоксиновому направлению ведется учеными большинства стран мира. Шведским ученым уже удалось найти способ получения чистой (бездиоксиновой) бумаги (обычно диоксин присутствует в лю- 265 бой бумаге: для получения целлюлозы древесную массу хлорируют, чтобы освободить ее от лигнина. Особо опасны упаковочные пакеты с кофе: это продукт маслянистый, а диоксин - вещество липофильное, легко растворимое в жирах. В ФРГ, США, Японии научились сжигать отходы так, чтобы ксенобиотики почти не образовывались. Антидиоксиновые фильтры разработаны во Франции. В наш(ей стране также ведутся работы по антидиоксиновой проблеме.' Г? ? “Г) &оп/гйсм. и засца/шл /. Что называется диоксинами? 2. В чем заключается механизм воздействия диоксинов на здоровье человека? 3. Приведите примеры массовых отравлений людей диоксином. У. Назовите основные источники поступления диоксинов в окружающую среду. с- § 7. Антропогенное воздействие на растительный мир Роль растений в биосфере Земли огромна благодаря их способности осуществлять фотосинтез. Растительность оказывает влияние на все компоненты биосферы: атмосферу, гидросферу, почву, животный мир. Велика роль растений и в жизни людей. Вся история человечества - это история его воздействия на леса. Вырубка лесов проводилась, чтобы освободить место для строительства городов, предприятий, устройства сельскохозяйственных угодий, в связи с использованием древесины в различных отраслях промыщленности (строительный материал, спирт, целлюлоза и др.), на транспорте. Вырубая леса, человек не задумывался над возможными экологическими последствиями. В документах ООН определена скорость вырубки тропических лесов: около 11-12 млн. га в год (или 266 Роль растений в жизни человека 14-20 гаУмин); в мировом масштабе вырубка превышает прирост древесины в 18 раз. Давайте вспомним, какова роль лесов в нашей жизни. Лес регулирует газовый режим (состав) атмосферы (это «фабрика» кислорода, «легкие» Планеты), защишает почвы от разрушения, регулирует речной сток, создает благоприятную среду жизни животным и человеку и др. Вырубая леса на склонах, мы вызываем образование оврагов, интенсивный смыв почвы. Тем не менее, несмотря на огромную роль лесов в жизни на Земле, они интенсивно вырубаются. В настояшее время в мире лесами покрыто около 3,8 млрд, га, или 30% суши. В России леса занимают 42% территории. В нашей стране различают следуюшие основные типы лесов: ♦ хвойные (еловые, сосновые, пихтовые, кедровые, лиственничные); ♦ широколиственные и смешанные (основные породы; дуб, липа, вяз; в северных районах к широколиственным породам примешиваются ель, пихта, сосна); ♦ мелколиственные (береза, ольха, осина); ♦ пойменные (тополь, ива, ольха черная). 267 Некоторые страны мира очень бережно относятся к своим лесным запасам; например, Япония вообще не сокращает свои леса, она ввозит древесину из стран Юго-Восточной Азии. Для регистрации и принятия экстренных мер по сохранению редких и исчезающих видов животных и растений создаются Красные книги. Эта работа ведется во всем мире, начиная с 60-х годов. В 1988 г. выщла Красная книга РСФСР (растения), в которую занесены 533 вида и подвида растений, из которых 440 -покрытосеменных, 11 - голосеменных, 10 - папоротниковых, 4 -плауновидных, 22 - моховидных, 29 - лищайников, 17 - грибов. Серьезной экологической проблемой в настоящее время является опустынивание. Пустыни существовали на Земле еще в доисторические времена. И в нащи дни естественные пустыни занимают по разным оценкам 8 млн. км - прежде всего в пределах аридного пояса, охватывающего примерно 1/3 поверхности сущи. Понятие «опустынивание» сегодня рассматривается как синоним понятий «опустощение» земли, «деградация» земель в аридных районах, происходящих главным образом под влиянием человека. Следует подчеркнуть, что пустыня, особенно песчаная, -это далеко не пустое место, это зональный тип ландщафта, где в Проблема опустынивания 268 связи с недостатком влаги сформировались своеобразные почвенно-растительный покров и животный мир, хорошо приспособленные к существованию в засушливых (аридных) условиях. Опустынивание усиливается в связи со вторичным засолением территории. Известно, что в условиях засушливого климата поверхностные воды засолены легкорастворимыми солями натрия, кальция, магния, хлора и др. Вторичное засоление вызывается подъемом к поверхности сильно минерализованных грунтовых вод. Этот подъем обычно обусловлен несоблюдением норм орошения полей, сетью каналов, проводящих воду на поля. «Лишняя» вода, поднимаясь, к поверхности, интенсивно испаряясь, засоляет верхний горизонт еодержащимися в ней солями. Концентрация солей в таком почвенном растворе может быть в 100 раз больше, чем в воде, пошедшей на орошение. Главный фактор современного процесса опустынивания -прежде всего деятельность самого человека, которая приводит к падению, или даже полному уничтожению биологического потенциала территории, нарушению равновесия существующих экосистем, Среди антропогенных причин в первую очередь нужно отметить избыточный выпас скота, вырубку лесов, а также чрезмерную и неправильную эксплуатацию обрабатываемых земель (монокультурность, вспашка целины, возделывание склонов и др.). Сегодня под угрозой опустынивания оказались еще 3040 млн. км^ в пределах более чем 60 стран. В 1977 г. Международной конференцией ООН в Найроби был принят «План борьбы с опустыниванием», касающийся в первую очередь развивающихся стран. Однако осуществить его полностью не удалось по разным причинам, и прежде всего из-за острой нехватки средств. Количество земли, приходящееся на одного жителя планеты, непрерывно уменьшается; много земли теряется в связи с урбанизацией, строительетвом водохранилищ, развитием неблагоприятных процессов - эрозии (смыв почвы) с засолением, дефляции (вьщува-ние и разрушение почв), разрастания пустынь. 269 Виктор Абрамович Ковда - известный ученый-почвовед, автор книги «Основы учения о почвах». Посчитано, что количество земли, которое будет приходиться на одного человека в 2000 г., сократится по сравнению с 1975 г. в два раза (с 0,31 до 0,15 га). Интересно, а сколько земли необходимо человеку, чтобы обеспечить свою жизнь? По данным крупного ученого-почвоведа В. А. Ков-ды (р. 1904 г.), такой земли требуется порядка 0,5 га: 0,4 га - для производства продовольствия и 0,1 га - для других нужд (жилище, коммуникации и др.). Ученые считают, что человечество за весь исторический период потеряло около 450 млн. га, при этом ежегодно теряется 6-7 млн. га земли. Sonftocbi и за^аимл /. Какое значение имеют растения в природе и жизни человека? 2. Как воздействует человек на растительный мир? 3. В чем заключается экологическая проблема опустынивания? У. На основе справочных данных, приведите примеры видов (подвидов) растений своего региона, занесенных в Красную книгу России. § 8. Антропогенное воздействие на животный мир Одним из первых, кто определил влияние человека на животный мир, был русский ученый К. Ф. Рулье (1814-1853). Говоря современным языком, он оценил деятельность человека в качестве особого экологического фактора: «Конечно, человек имеет небольшое значение в природе как материальный ее деятель, од- 270 нако же и он влияет на жизнь животных. С одной стороны, он изменяет физические условия, посреди которых живут растения и животные, почву, болота, воды, леса, а тем изменяет и приволье в пище, приюте и климате для животных. С другой стороны, человек иногда действует и непосредственно на само животное, находя в нем или врага, или пищу. При этом часто сокращается число животных, а иногда оно исчезает и всем родом - вырождается». По данным Международного союза охраны природы за последние 400 лет с лица Земли исчезло 94 вида птиц и 63 вида млекопитающих. Антропогенные факторы привели к вымиранию многих животных: тарпена, тура, зебра квагги, сумчатого волка, морской норки, европейского ибиса, голубой лошадиной антилопы, морской (стеллеровой) коровы и др. Последняя - крупный представитель отряда сирен - достигала в длину 7-8 м и массы до 4 т. Впервые это животное в 1742 г. описал натуралист Г. Стеллер - Загрязнение окружающей среды (нефть,пестифзды^ дожди, ядохи{^аты, мин. удобрения и > Застройка мест обитания а, л ^ Вырубка лесов Завоз и акклиматизация чужих видов ^ у Пожары, засухи, наводнения, дру' Истребление природные явления Красная книга животных 271 Стеллерова корова врач русской экспедиции Витуса Беринга. Вкусное мясо стелле-ровых коров, доверчивость к человеку предопределили их гибель. Интенсивная охота привела к тому, что в 1768 г., т. е. через 27 лет после их открытия, морских коров не стало. Та же участь постигла и многих птиц (нелетающий голубь - дронт, бескрылая гагарка, очковый баклан, Каролинский попугай и др.). В результате деятельности человека на материках возросло количество вымирающих и редких видов животных. Так, в Северной Америке на грани исчезновения были бизоны, белый американский журавль, калифорнийский кондор; в Южной Америке - викунья, крупные кошки. В небольщом количестве сохранились лемуры на Мадагаскаре. Угрожающе сократилась в Азии численность таких животных, как носорог, гепард,' кулан, лошадь Пржевальского и др. В Красную КНИГ7 вносятся следующие категории животных: ♦ находящиеся под угрозой исчезновения - быстро сокращающие свою численность виды, спасение которых уже невозможно без проведения специальных мер охраны; ♦ сокращающиеся - еще встречающиеся в количествах, достаточных для выживания, но численность которых продолжает быстро и неуклонно сокращаться; 272 ♦ редкие - не находящиеся под угрозой вымирания, но встречающиеся в таком небольщом количестве или на таких ограниченных территориях, что могут вскоре исчезнуть; ♦ неопределенные - малоизвестные, очевидно, находящиеся под угрозой, но из-за недостатка сведений не имеющие достоверной оценки. Те виды, которые включены в Красную книгу, но в результате мероприятий по охране природы спасены от вымирания, называются восстановленными. Красная книга РСФСР (животные) вышла в 1983 г. В нее внесено 247 видов и подвидов животных, среди которых: млекопитающих - 133, птиц - 195, рептилий - 11, амфибий - 8, рыб -18, моллюсков - 15, насекомых - 34. Зоп/госьг и зас^ан.ил /. Как человек воздействует на животный мир? 2. Какие категории животных вносятся в Красную книгу? 3. На основе справочных данных приведите примеры видов (подвидов) животных своего региона, занесенных в Красную книгу России. § 9. Охраняемые природные территории и объекты Забота об охране окружающей среды - дело большой государственной важности. Закон об охране окружающей природной среды (1992 г.) определяет основные направления природоохранной деятельности государственных и общественных организаций по решению этой проблемы. Заповедные территории в зависимости от их целевого назначения, особенностей охранного режима и размеров подразделяются на несколько типов: заповедники, памятники природы, за- 1 8 Заказ 451 273 pflifliiif •'s^ ;::*■ • ^ - • .t ч > ■ '^* ч* У ■ *. ,. Л -. ?‘С- * •" Биосферные заповед-России: ii 1^. - Тебердинский (вверху) iV Приокско-Т еррасный (внизу) 274 казники, национальные (природные) парки и др. К концу 1991 г. в Российской Федерации насчитывалось 75 заповедников (1,2% территории страны), более 1,5 тыс. заказников (3% территории), несколько тысяч памятников природы. Заповедники - это участки территорий или акваторий, навечно изъятые из хозяйственного использования, на которых сохраняются в возможно более полном естественном состоянии все природные компоненты и их закономерные сочетания - природные комплексы. В заповедниках запрещается рубка лесов, охота, сенокошение, выпас скота, добыча полезных ископаемых, сбор грибов, ягод, растений, минералов и горных пород, использование водных объектов для практических целей (сплав леса, рыбная ловля, вод- ный спорт) и т. д. Лишь в особых случаях, когда в природных комплексах заповедников по каким-либо причинам нарушается равновесие, допускается вмешательство человека для его восстановления (санитарные рубки леса, отстрел некоторых видов животных в связи с резким увеличением их численности и т. д.). Первыми заповедниками, созданными при Советской власти, были Астраханский (1919 г.) и Ильменский (1920 г.). Особый вид заповедников - биосферные, созданные по решению международных природоохранительных организаций. Это наиболее типичные для различных географических регионов мира охраняемые территории. В них осуществляются наблюдения над природой по единой международной программе. Первый Международный конгресс по биосферным заповедникам состоялся в Минске в 1983 г. В настоящее время организовано около 300 биосферных заповедников, в нашей стране их - 11 (Кавказский, Приокско-Террасный, Сихотэ-Алинский, Центрально-Черноземный и др.). Задача биосферного заповедника сводится к Александр Фридрих Вильгельм Гумбольдт (1769-1859) - немецкий естествоиспытатель, географ и путешественник. Проводил исследования природных ресурсов, климата, животного и растительного мира, этнографии и др. 18* 275 сохранению для будущих поколений многообразия и целостности биотических сообществ растений и животных в их естественных экосистемах и охране генетического многообразия видов, определяющего непрерывность их эволюции. Памятники природы - это отдельные природные объекты (водопады, пещеры, гейзеры, вековые деревья, уникальные ущелья и др.), имеющие научное, историческое и культурноэстетическое значение. Впервые термин «памятник природы» ввел знаменитый путещественник А. Гумбольдт. В нащей стране зарегистрировано 9 тыс. памятников природы. Например, «Капо-ва пещера» на Урале, Колыванское озеро в предгорьях Алтая с причудливыми, гранитными,скалами по берегам, красноярские «Столбы» и др. Памятники природы существуют во многих странах мира, при этом они могут занимать значительные территории («Ущелье динозавров» в США - площадь 82 тыс. га). Для заказников характерен режим частичной охраны. Они создаются для сохранения, воспроизводства и восстановления отдельных видов растений и животных. В России система заказников щироко используется в охотничьем хозяйстве и служит средством увеличения численности охотничье-промысловых животных. Заказники могут быть различного назначения; комплексные, ботанические (лесные, степные, болотные), геологические, гидрологические, зоологические, ландщафтные и др. Резерваты во многих странах мира по своему назначению и режиму охраны территории близки к заказникам. Лищь в некоторых странах резерваты приближаются к понятию «заповедник», в частности, в Финляндии и США. Много лесных, ландщафтных, зоологических, озерных резерватов в Англии, Германии, Швеции, США и других странах. В резерватах Австралии специально охраняются редкие сумчатые млекопитающие. Различные животные охраняются в резерватах Индии, Бирмы, Индонезии, Шри-Ланки. Национальные (природные) парки являются в больщинстве стран мира основной категорией охраняемых участков природы. Они представляют собой территории, вьщеленные для сохранения природы в оздоровительных и эстетических целях, а также в инте- 276 ресах науки, культуры и просвещения. Первый в мире национальный парк был создан в 1872 г. в верховьях реки Йеллоустон в США, за ним последовали национальные парки в Канаде, Африке, Австралии, Новой Зеландии. Сейчас в мире насчитывается более 2300 национальных парков, в России - 22 национальных парка. Заповедно-охотничьи хозяйства характеризуются разнообразным животным и растительным миром. Так, в Беловежской пуще произрастают уникальные исполинские дубы, сосны, ели. Возраст некоторых из них 400-600 лет. И тут же растут тундровая береза коренных российских мест, северная белая пихта, скальный дуб - детище знойного климата. В этих местах обитают такие редкие животные, как зубры, множество косуль, оленей, кабанов, зайцев, разнообразных птиц и т. д. Допускается отлов зверей для пополнения других заповедников и зоопарков страны, проводится научно-исследовательская работа. Другими охраняемыми территориями являются водоохранные леса в верховьях и поймах рек, леса курортных местностей, полезащитные лесные полосы, зеленые зоны вокруг городов, берега водоемов и др. Разнообразно их значение в сохранении отдельных компонентов ландщафтов, а также велика их роль в создании оптимальной для жизни-людей окружающей среды. Б. Гржимек, посетивший многие заповедники нашей страны, писал: «Первозданную природу надо беречь не меньше, чем мы бережем картины Рафаэля, Кельнский собор, индийские храмы; их можно при желании восстановить. Уничтожая или ставя под угрозу многие виды животных на Земле, люди обедняют тем самым не только окружающую нас Природу, но и себя самих». Животные в зоопарке 277 f ? ? ? ) &onftocbt и зае^акил f. Чем отличается заповедник от национального парка? 2. Что такое биосферный заповедник? 3. Расскажите об охраняемых территориях вашего региона. У. Выскажите свою точку зрения по проблеме содержания диких животных в зоопарках. Предложите свой проект «экологического» зоопарка. § 10. Экология и экономика Экономика и экология - эти два слова имеют один корень, произошедший от греческого слова «ойкос» - дом, жилище. Если экологи изучают свой дом, законы, взаимодействия и взаимосвязи живых систем с окружающей средой, то экономисты изучают правила хозяйствования в этом доме, основы рационального природопользования, экономику природопользования. Еще в 1926 году В. И. Вернадский писал о том, что живой организм биосферы должен изучаться как единое целое в связи с тем, что эволюция отдельных организмов непосредственно взаимосвязана с эволюцией биосферы. Тем не менее, вопрос о необходимости объединения экологической и экономической систем в единую эколого-экономическую систему конкретно был обоснован лишь в последние годы. Само понятие «природопользование» предложено в 70-х годах нашего столетия Ю. Н. Куражковским в работе «Очерки природопользования». Экономические аспекты природопользования даны К. Г. Гофманом, М. Н. Лемешевым, Н. Ф. Реймерсом в книге «Экономика природопользования». Они рассматривают задачи новой науки - экономики природопользования (авторы употребляют также синонимы - биоэкономика, экономическая экология, экологическая, или энвайронментальная* экономика). Энвайронментология (от англ, environment - окружающая среда) - термин, широко распространенный в западньк странах для обозначения научного направления, назьшаемого в отечественной литературе терминами «охрана природы», «наука об охране окружающей среды». 278 /1 Экология и экономика Основная цель этой науки состоит в изучении взаимодействия и взаимозависимости социально-экономических и экологаче-ских системами. Экономика природопользования решает следующие задачи; ♦ определение экономического ущерба, наносимого народному хозяйству в результате нерационального природопользования, и величины затрат, необходимых для ликвидации его последствий; ♦ оценка результативности природоохранных мероприятий и выбор наиболее оптимальных вариантов природоохранной деятельности и использования природных ресурсов; 279 ♦ разработка эффективных экономических методов управления природоохранной деятельностью, стимулирования охраны окружающей среды. Большое значение в организации рационального природопользования имеет предварительное моделирование экологических процессов и явлений и проведение экологической экспертизы внедряемых проектов. Под моделированием в экологии понимается исследование процессов и явлений в специально созданных условиях на искусственных объектах, имитирующих естественные условия и природные объекты. Самой простой искусственной экосистемой может служить аквариум. Также могут быть использованы графические, логические, математические модели, отражающие свойства естественных систем. Любой крупный проект, каждое нововведение предваряется проведением экологической экспертизы, т. е. оценкой возможного воздействия при его реализации на состояние окружающей среды и здоровье людей. При проведении экологической экспертизы моделирование сочетается с непосредственными исследованиями в природе. Однако необходимо помнить, что развитие цивилизации неизбежно связано с воздействием на окружающую природную среду. С. С. Шварц считает, что «признание неизбежности антропогенного изменения природных компонентов должно быть положено в основу реалистической политики по охране природной среды», ибо «любые меры предосторожности (совершенно необходимые) и любая степень совершенствования производства (замкнутые циклы и т. п.) лишь ослабят степень воздействия человека на природу, но не ликвидируют опасность ухудшения природной среды хотя бы по одному тому, что самое культурное производство изымает из биологического круговорота громадные территории и акватории». Однако, как подчеркивает ученый, человечество не должно идти по линии свертывания производства. Американский эколог Б. Коммонер отмечает, что биологически человек представляет собой, точно так же, как и животное, часть 280 единой природной системы, и вместе с тем человеческое общество должно эксплуатировать эту систему для производства материальных благ. Вот это несколько парадоксальное положение, которое человек занимает в природе, выступая одновременно в роли ее представителя и эксплуататора, как раз и мешает его правильному отношению к биосфере. Человек при помощи технических средств и hobi^i.hi..: iln нологии практически избавился от явной, видимой зависимости от природы. Построены дома, в которых можно жить, не замечая и не чувствуя влияния неблагоприятных климатических условий; созданы машины, которые могут доставить нас в самую отдаленную точку земли в любое время и достаточно быстро. Все это и многое другое позволяет считать, что люди сами создают окружающую среду и не зависят от природных факторов. Б. Коммонер замечает по этому поводу, что, «выжимая» из современной технологии, науки и техники как можно больше выгод, люди пришли к роковой иллюзии, будто с помощью технических средств они, наконец, избавились от влияния природных условий. Он иллюстрирует это заблуждение на примере реактивного самолета, несущегося с высокой скоростью на огромной высоте и создающего у человека впечатление о полной независимости от природной среды. Однако самолет, собственно говоря, «создан» из природной среды: его двигатель сжигает топливо, добытое из земных недр, и потребляет кислород, который является продуктом жизнедеятельности зеленых растений, да и сам он сделан *из материалов, исходное сырье для которых получено из того же окружающего мира. В своей лекции «Экология и социальные действия», прочитанной в Калифорнийском университете (г. Беркли, США), Б. Коммонер отмечает, что свобода выбора действий в области природопользования становится возможной лишь в том случае, когда человек глубоко понял и осознал требования законов природы. Говоря о том, что принципы экологии являются лишь необходимым условием для выбора социальных действий по охране окружающей среды и рациональному природопользованию, Б. Ком- 281 монер подчеркивает, что сами по себе эти принципы недостаточны для определения того, какие именно действия будут эффективными. Свободу в решении эколого-экономических проблем можно получить лишь в том случае, если понять причины, породившие эти проблемы. Масса готовой продукции ориентировочно составляет лишь 1-2% от общей массы вещества, поступающего в обработку и переработку. В принципе это не так плохо, как может показаться на первый взгляд: биоэкономическая система в данном случае не слишком отличается от биогеоценозов (вспомните законы 1% и 10%). Однако проводить дальнейшую аналогию между биоэкономической системой и биогеоценозом (экосистемой) нельзя, поскольку в процессе функционирования биогеоценоза не образуются опасные для существования отходы, а техногенные выбросы в биосферу за счет функционирования экономической (производственной) системы становятся все более опасными. Поэтому возникает возможность решения проблемы двумя путями: первый -очистка и обезвреживание выбросов в биосферу; второй - возвращение отходов производства для повторного использования. Скорость нахождения минеральных ресурсов пока еще пре-выщает темпы их эксплуатации, и хотя минеральные ресурсы в эволюционном смысле невозобновимы, К. Г. Гофман и другие относят их к категории экономически возобновимых. И наоборот, места отдыха на природе при принципиальной их экологической возобновимости оказываются экономически невозобновимыми в связи с чрезвычайно длительным временем, необходимым для этого. А исчезновение какого-либо животного или растения -это утрата генетического фонда, который невосполним ни в экологическом, ни в экономическом смысле. Различие в позициях эколога и экономиста отражается в их взглядах на себестоимость продукции. С точки зрения экономиста, себестоимость - это расходы, или выраженные в деньгах затраты на производство и реализацию какого-либо продукта. В них входят: затраты на строительство и 282 эксплуатацию производственных помещений, сырье, средства производства и топливо, заработная плата работников, затраты на реализацию продукции и др. Доход предприятия - это те деньги, которые остаются, если из цены проданного продукта вычесть его себестоимость. В случае получения чистого дохода производство является рентабельным (доходным), если же его нет, предприятие убыточно и обречено на банкротство. Несколько иначе подсчитывают рентабельность производства экологи. В себестоимость произведенного продукта, кроме вышеупомянутых затрат, они включают еще и убытки, которые возникают при производстве продукта по отношению к состоянию окружающей среды. Это и эстетический ущерб, возникающий при изменении природного ландщафта, и вред, наносимый здоровью людей, живущих вблизи предприятия, и вред соседнему предприятию и др. Если предприятия сливают в реки промыщленные стоки, которые отравляют рыбу, эти предприятия нарушают устойчивость экосистемы в целом. Эти убытки также необходимо оценить в деньгах и включить в себестоимость продукта. За счет загрязнения атмосферного воздуха, почв лесная растительность болеет и погибает -это тоже убытки. Bonfiocbt и зеи^анмл /. Какова цель и основные задачи новой науки - экономики природопользования? 2. В чем заключается смысл проведения экологической экспертизы какого-либо нововведения? 3. Объясните, почему развитие цивилизации неизбежно связано с воздействием на окружающую природную среду? У. В чем заключается различие во взглядах экономиста и эколога на себестоимость продукции и рентабельность предприятия? 283 § 11. Экология и война Мощным разрушительным фактором воздействия человека на окружающую среду всегда была война. Обративщись к истории, мы увидим, что войны были постоянным спутником человека. С 1496 г. до н. э. по 1861 г. люди воевали 3130 лет и только 227 лет жили в мире. В период 19001938 гг. произошло 24 войны, а в 1946-1979 гг. - 130 войн. Со временем увеличилось не только количество войн, но и размер территории, на которой они разворачивались. В Европе Первая мировая война разразилась на площади 200 тыс. км^. Вторая охватила около 3,3 млн. км^. Человеческих жертв со временем становилось все больше и больше. Учеными подсчитано, что в наполеоновских войнах погибло 3,7 млн. человек, в Первой мировой войне - 10 млн., во Второй (вместе с гражданским населением) - 55 млн., а за все войны XX века - 100 млн. человек. Попытаемся проанализировать, как военные действия отражались на состоянии окружающей среды. Еще в средние века вокруг городов возводились многочисленные укрепления: крепостные валы, рвы, наполненные водой, и др. Гораздо сильнее был изменен рельеф во время Второй мировой войны: были построены многочисленные доты, дзоты, траншеи и другие укрепления. Взрывы снарядов и мин изменяли поверхность земли, оставляя воронки, перемешивая почву и грунты. От взрывов иногда нарушались водоносные горизонты, и грунтовые воды выходили на поверхность, заболачивая значительные территории. Не менее разрушительными являются последствия военных действий в горах. Камнепады и сходы лавин - вот некоторые результаты горной войны. Таким образом, литогенная основа ландшафтов во время войн значительно нарушалась, что сказывалось и на других компонентах ландшафта. Очень опасной для экосистем является ударная волна, возникающая во время бомбардировки. Она разрушает почвенный по- 284 Экология и война кров, растительность, убивает животные организмы, т. е. нарушает всю систему связей между компонентами экосистемы. Военное уничтожение леса представляет собой разрушение одного из главных компонентов и регуляторов биосферы. Так, в заповеднике Беловежская пуща в течение Первой мировой войны площадь леса уменьшилась на 25%, а во время Великой Отечественной войны было вырублено и повреждено 20 млн. га леса. Во время войны во Вьетнаме в период 1961-1973 гг. применялись гербициды; было уничтожено 568 тыс. га и сильно повреждено 5,6 млн. га леса, уничтожено 36,3 тыс. га посевов сельскохозяйственных культур. Еще более серьезные результаты получены при анализе возможных последствий ядерной войны. В конце 70-годов в Институте Макса Планка (Германия) начали изучать свойства облаков сажи, которые могут образоваться при крупномасштабном пожаре после ядерных ударов по городам. Оказалось, что эти облака могут возникнуть на уровне верх- 285 них слоев тропосферы и будут практически полностью экранировать солнечный свет. Под их пологом установится абсолютная темнота, произойдет резкое понижение температуры. В начале 80-х годов в Корнелльском университете (США) К. Саганом и его коллегами было разработано несколько сценариев ядерной войны, которые опирались на расчеты, проведенные в ФРГ. Согласно этим сценариям, использования даже незначительной части накопленного ядерного оружия достаточно, чтобы над всеми основными городами северного полушария повисли непроницаемые для солнечных лучей сажевые облака. Следующий научный шаг был сделан в Вычислительном центре АН СССР группой ученых под руководством Н. Н. Моисеева, где уже был создан первый вариант математической модели биосферы. В Центре была создана вычислительная система, способная имитировать и оценивать особенности глобальных процессов, протекающих в биосфере, и прежде всего в атмосфере и океане. Система была использована для изучения разнообразных последствий ядерной войны по всевозможным сценариям. В результате исследований оказалось, что все возникшие сажевые облака уже в течение первого месяца после катастрофы сольются и окутают Землю сплошным, почти непроницаемым покрывалом. Практически по всей суше установится отрицательная температура - «ядерная зима». Возвращение к нормальным условиям будет проходить крайне медленно. Даже через год атмосфера еще не полностью очистится от сажи, и параметры биосферы будут существенно отличаться от современных. Исследования 1983 г. со всей очевидностью показали, что ядерная война губительна для всего человечества. Сам факт ядерного взрыва уже несет в себе возмездие - в случае ядерной войны человека ожидает смерть, где бы он ни находился. После небольщого обзора последствий военных действий на состояние окружающей среды мы подходим к осмыслению «экологического императива» - понятия, предложенного академиком Н. Н. Моисеевым. Императив означает повеление, настоятельное требование. Экологический императив - это, прежде всего, объ- 286 ективное требование учитывать в отношениях общества с природой уязвимость природной среды, т. е. не допускать превышения ее «пределов прочности», не вступать с ней в противоречие, не допускать негативньк необратимых процессов. Экологический императив обязателен для всех: государственных деятелей, ответственность которых в настоящее время чрезвычайно велика, хозяйственных руководителей, ученых и каждого из нас - жителей планеты Земля. Экологический императив предполагает запрет военного решения конфликтных ситуаций между государствами. Противоречие между человеком и остальной биосферой, частью которой он является, - одно из центральных противоречий эпохи, от способа разрешения которого зависит наша общая судьба. Таким образом, требование такой организации общества, которая смогла бы обеспечить дальнейшее развитие homo sapiens как биологического вида, совершенно оправданно. Экологический императив - одна из характернейших особенностей современного этапа истории человечества. eonfiocbt и заманил /. Каким образом военные действия отражаются на состоянии окружаюшей среды? 2. Какими возможными последствиями грозит людям ядерная война? 3. В чем заключается смысл экологического императива? § 12. Понятие экологической безопасности Скорость увеличения интенсивности вредного воздействия антропогенных факторов вышла за пределы скорости биологического приспособления живых систем к среде обитания. Нарушение экологического равновесия в окружающей среде имеет прямую связь с ухудшением здоровья населения. Сегодня Россия занимает 51-е место в мире по средней продолжительности жизни людей; велика 287 детская смертность. Если не остановить процессы разрушения окружающей среды, то к середине XXI в. дефицит пищи, воды, кислорода и генетические изменения значительно ускорят деградацию популяций и приведут к постепенному их вымиранию. Для решения назревших экологических проблем в России разработана Концепция экологической безопасности. Определим основные понятия Концепции. Экологическая опасность - это вероятность разрушения среды обитания человека и связанных с ним растений, животных, микроорганизмов в результате вредных природных и антропогенных факторов, которые приводят к нарушению приспособления живых систем к условиям сушествования. Состояние экологической опасности может возникнуть в ходе неконтролируемого развития экономики (без учета принципов рационального природопользования), применения устаревших технологий производства, в результате опасных геофизических, метеорологических и других явлений (землетрясения, сильные морские волнения, ураганы, торфяные пожары и др.). Экологическая безопасность - это процесс обеспечения защищенности жизненно важных интересов личности, общества, природы и государства от реальных и возможных опасностей, создаваемых антропогенным или естественным воздействием на окружающую среду. Система экологической безопасности - это совокупность законодательных, медицинских, биологических и экологических мероприятий, направленных на поддержание экологического равновесия в биосфере, т. е. равновесия между биосферой и внешними антропогенными и природными факторами. Политика экологической безопасности - целенаправленная деятельность государства, общественных организаций, юридических и физических лиц по обеспечению экологической безопасности. Свою лепту в обеспечение экологической безопасности может внести и каждый гражданин страны, выполняющий основные правила природопользования и охраны окружающей среды. 288 Вероятность неблагоприятных для окружающей среды последствий любых антропогенных изменений природных объектов и факторов называется экологическим риском. Максимальный уровень воздействия антропогенных факторов, при котором сохраняется функциональная целостность экосистем (или просто функциональность экосистем, т. е. взаимосвязи, взаимозависимости, взаимоотношения их компонентов) определяет предельно допустимую экологическую нагрузку (ПДЭН). В настоящее время многие территории в мире, и в России в частности, уже подвержены сильному антропогенному влиянию: в результате хозяйственной или иной деятельности происходят устойчивые отрицательные изменения (разрушения) окружающей среды, влекущие за собой нарушение здоровья населения, повреждение генетических фондов растений и животных, нарушение равновесия в естественных экосистемах - это зоны чрезвычайной экологической ситуации. Зоны экологического бедствия - территории, где в результате хозяйственной или иной деятельности, а также естественных катаклизмов произошли необратимые изменения окружающей среды, разрушения биогеоценозов, влекущие за собой увеличение заболеваемости и смертности населения, и др. Одним из пунктов Концепции является положение о создании в стране системы непрерывного экологического образования. В начале 70-х годов Б. Коммонер сформулировал четыре важных положения, которые в настоящее время получили название «законов экологии» Коммонера: I. Все связано со всем. Экосистема находится в состоянии экологического равновесия. Его можно нарушить уничтожением какого-либо вида или, наоборот, вселением нового. Осушение болот вызывает обмеление рек. Выпас в горных лесах разрушает почву, уменьшает впитывание дождевых и снеговых вод; в результате высыхают родники. II. За все надо платить. В настоящее время необходимо нести расходы на содержание служб, контролирующих рациональное использование природных ресурсов, на восстановление естественных экосистем, нарушенных неправильным использованием. 19 Заказ 451 289 IIL Все надо куда-то девать. Естественные экосистемы обладают способностью обеззараживать без нарушения экологического равновесия определенное количество вредных веществ (высокой очищающей способностью обладают водные экосистемы). Полностью безотходных технологий не бывает, в связи с этим необходимы надежные методы захоронения вредных веществ. IV. Природа знает лучше. Нужно изымать (заготовка древесины, охота, рыбная ловля и др.) из экосистемы столько биологических ресурсов, сколько она сама может восстановить за счет гомеостатических механизмов. Sonfiocbt и saqa/iUSL /. Что такое экологическая опасность и экологическая безопасность? Расскажите о Концепции экологической безопасности России. 2. Приведите примеры территорий своего региона, относящихся к зонам экологического бедствия, чрезвычайной экологической ситуации и др. 3. Дайте свою интерпретацию законов Коммонера. JLouti^Hififib Ч£Яс£ечеаИво и nfmfiocfa в целом люгцЛ не ifu^uco ^иологич^аси eUcectile с цнишпомсением ^сего лсивого, но и qifXo^HO бсле^аЛвие гибели /й(ЛыЯг(1ил... Академик Д. С. Лихачев § 13. Природа, искусство, нравственность Природа всегда была вдохновителем искусства, источником великих творений во все времена существования человечества. Картины природы отражены в лучщих произведениях литературы и живописи. Красота природы вызывает у человека положительные эмоции, воспитывает вкус и чувства. Человек, читавший 290 в. Д. Поленов. Река Оять, 1880-е гг. произведения М. Пришвина, «Не стреляйте в белых лебедей» Б. Васильева, «Белый пароход» Ч. Айтматова, «Белый Бим Черное ухо» Г. Троепольского, «Траву» Вл. Солоухина, уже никогда не сможет бездумно и равнодушно относиться к окружающему его миру живой природы. «Красота спасет мир» - написал когда-то Ф. М. Достоевский. Н. К. Рерих прибавил к этой фразе одно слово: «Осознание красоты спасет мир». В народном творчестве живут поэтические образы, заимствованные из природы и ставшие символами красоты и добра, скромности и непритязательности, смелости и благородства, силы и удали: ясный сокол, березонька белая, ивушка плакучая, могучий дуб и др. . Древнейшие памятники искусства свидетельствуют о несколько своеобразном отношении человека к природе, которое можно назвать мифологическим. Немецкий философ Эрнст Кассирер (1874-1945) утверждал, что именно чувство единства с природой - самый мощный импульс мифологического мышления. В своем мифологическом мышлении человек воспринимал природу как живое существо, одушевляя и одухотворяя ее. 19* 291 у северных народов до сих пор сохраняются анимизм и тотемизм**, на протяжении тысячелетий предохранявшие систему взаимоотношений человека с природой от слишком резких и поспешных изменений. Если ненец охотится на медведя, то он сначала вступает с ним в разговор, начинает восхвалять его достоинства, спрашивает, для чего он встретился с ним, просит, чтобы тот не поцарапал его своими острыми когтями. После «беседы», во время которой медведь якобы соглашается быть убитым, охотник его убивает и считает себя в своих действиях оправданным перед родными медведя, которые иначе могли бы отомстить за смерть своего родича. Охотник сознает, что причиняет зло зверю и окружаюшей природе, хотя и понимает, что без этого зла само его существование будет невозможно. Для чего же нужно осознание зла, коль скоро оно неизбежно в определенных пределах? Именно для того, чтобы осознавать эти пределы, и не переступать их, и сознательно принять на себя моральную ответственность за совершенное зло, которое, будучи необходимым, не становится благодаря этому морально оправданным. В результате получается, что это «чудачество» необходимо также и человеку для его нравственного здоровья. Северные народы традиционно относились к растениям и животным как к некоему роду людей, распространяя на них моральные общественные нормы. Провозглашаемые универсальной этикой А. Швейцера (1875-1965) принципы благоговения перед жизнью и принципы современ- Альберт Швейцер -немецко - французский мыслитель, близкий к философии жизни, врач, музыковед и органист. Исходный принцип мировоззрения - «преклонение перед жизнью» как основы нравственного обновления человечества. Анимизм (от лат. anima, animus - душа, дух) - вера в существование духов, в одушевленность всех предметов и наличие независимой души у людей, животных и растений. Тотемизм - верования и обряды, связанные с представлением о родстве между группами людей и видами животных и растений (так называемыми тотемами), реже явлениями природы. Каждый род (группа людей) носил имя своего тотема. Его нельзя было убивать и употреблять в пишу. 292 и. и. Шишкин. Болото. Полесье. 1890 г. НОЙ экологической этики - включение природы в сферу моральных норм человека - имели аналогии в древности. Правда, основой этичного отношения человека к растениям и животным в древности был скорее страх, чем осознание ответственности за судьбу природы, когда, скажем, в тюленях нивхи видели морских людей или когда они верили в существование «лесных» людей. Источник страха крепится в представлениях о связях животных с высшими силами, с духами-хозяевами: рябчика, например, - с духом неба, медведя - с хозяином тайги и т. п. В христианстве прослеживаются два подхода в отношениях человека и природы: одни религиозные мыслители (Франциск Ассизский, Сергий Радонежский и др.) прославляли природу как творение Бога, тогда как другие считали, что человек, как высшее творение Бога - «венец природы», - может сделать с ней все, что угодно. Резко протестуя против этого, некоторые ученые доходят сейчас до заявлений, что для них главное - защита биосферы, а если человек, нарушитель естественного равновесия в природе, погибнет, - сохраненная биосфера создаст потом другие, более совершенные виды. Ставится порой и прямо противоположная, по существу самоубийственная задача уничтожения биосферы и 293 А. И. Куинджи. Солнечные пятна на инее. 1876-1890 гг. создание вместо нее некой искусственной среды, якобы лучше удовлетворяющей потребности человека. Гибельно это не только для природы, но и для человека и его культуры, которая во все времена придавала гармонию отношениям человека с природой. Поэтому создать новую искусственную среду означало бы уничтожить и культуру. Человек не может существовать без природы не только физически (телесно), что само собой разумеется, но и духовно. Отношение к природной среде как целостности предполагает в качестве своей предпосылки целостность культуры, а стало быть, более тесную и гармоничную связь науки с искусством, философией и др. Смысл современной экологической этики заключается в том, чтобы поставить над ценностью природопреобразовательной дея- 294 тельности высшие нравственные ценности человека. При этом принцип ценностного равноправия всего живого (равноценности) предстает как основа экологической этики. Как отмечал писатель М. М. Пришвин, «может быть, это самое трудное, приучить себя к доверию, в котором скрывается уважение к внешнему миру в том смысле, что он на тех же правах существует, как я». Крупным шагом на пути становления экологической этики стала этика «благоговения перед жизнью», разработанная А. Швейцером. В своей книге «Культура и этика» он приходит к мысли, что именно любовь лежит в основе благоговения перед жизнью. От личного участия каждого из нас в охране, защите и улучшении окружающей среды зависит наше будущее и будущее наших детей, внуков, правнуков. «Человечество вступает в новую эру существования - в эпоху, требующую кардинальной перестройки основных ценностных шкал, новых принципов морали и нравственности, новых способов разрешения противоречий. Иначе говоря, мы вступаем в эпоху, когда людям, для того чтобы выжить, приходится начинать думать по-иному, чем до сих пор», - считает Н. Н. Моисеев. Обеспечение любых интересов и целей требует появления в деятельности людей некоторой общей составляющей, что приводит к определению границ поведения и действий или к той или иной системе запретов и табу. Это происходило всегда, начиная с каменного века, когда закладывался фундамент общественной жизни людей. В настоящее время наблюдается утверждение принципов новой нравственности: то, что было допустимо в прошлом, уже недопустимо сегодня. Все подобные ограничения Н. Н. Моисеев называет нравственным императивом. «Человек - часть природы, и отсутствие в природе духовного человека, представляющего как бы "самосознание Вселенной" лишает смысла существования не только человека, но все сущее, все мироздание... Такую обезглавленную природу не будет смысла охранять», - так оценивает место человека в природе Д. С. Лихачев. Вы никогда не задавались вопросом, зачем человек стремится окружить себя другими живыми организмами: комнатными расте- 295 ниями, домашними дикими животными? Ведь это усложняет его быт: нужно не забыть полить цветок, вывести на прогулку собаку, накормить кота, сходить на рынок за кормом для попугая и т. д. Подумайте! Может быть, это из-за того, что человек мечтает хотя бы в малой степени восстановить утраченные им связи с живой природой? Ведь природа одним своим присутствием воспитывает в человеке чувство доброты, порядочности, гуманистическое отношение ко всему окружающему миру. Познание законов гармонии и красоты помогает человеку осознать ее как не-преходяшую, истинную ценность. В настоящее время во всем мире развивается «зеленое движение»: создаются общественные экологические организации, фонды, программы, проекты. Эмблемы некоторых зарубежных экологических организаций представлены на рисунке. В 1994 г. в России действовало около 1000 неправительственных общественных организаций, в Санкт-Петербурге - это «Федерация экологического образования», «Зеленые волки», «Скауты», «Прозрачные воды Невы» и др. В заключение приведем несколько цитат, которые могли бы стать эпиграфами ваших творческих сочинений по теме «Природа и общество». «Следует все время помнить, что мы лишь маленькая вспьшжа сознательной жизни, и это ко многому обязывает» (С. Н. Рерих). «Быть личностью для нас становится все труднее... Мы живем в условиях, характеризующихся упадком культуры» (А. Швейцер). «Могущество страны не только в одном материальном богатстве, но и в духе народа. Чем шире, свободнее эта душа, тем большего •SCS I (м MuviHarMTtHtii Эмблемы экологических организаций разных стран мира 296 величия и силы достигает государство. А что воспитывает широту духа, как не эта удивительная природа. Ее надо беречь, как мы бережем самую жизнь человека. Потомки никогда не простят нам опустошения Земли, надругательства над тем, что по праву принадлежит не только нам, но и им» (П. И. Чайковский). «Каждое существо имеет органы, указывающие ему из 'ii-n . в мире. Для человека этот орган есть разум» (Л. Н. То-чс ‘ /Зо^ф.оал и заманил /. Что такое «нравственный императив»? 2. Попытайтесь объяснить, что связывает такие понятия, как «природа», «искусство», «нравственность», стоящие в заголовке параграфа. 3. В чем заключается смысл экологической этики А. Швейцера? У. Вспомните ващи любимые произведения искусства (литературы, живописи, музыки и др.), отображающие красоту природы. 5. Напищите творческое сочинение по теме «Природа и общество». 6. Внимательно всмотритесь в творческие работы школьников, представленные на Региональном конкурсе экологического плаката и рисунка в Санкт-Петербурге (1997 г.). Придумайте им название, девиз и попытайтесь осмыслить замысел юных «художников-экологов» (цветная вклейка). ±Злз>оветь сет Дайте определения или характеристику основным понятиям и терминам главы «Социальная экология»: социальная экология; этапы истории взаимоотношений человека и природы; закон необратимости взаимодействия «человек -биосфера»; загрязнение окружающей среды; металлизация биосферы; экологическое равновесие; смог; проблема диоксинов; опустынивание; заповедники; памятники природы; заказники; резерваты; национальные парки, заповедно-охотничьи хозяйст- 297 ва; экологическая экспертиза; экологический императив; экологическая опасность; экологическая безопасность; экологический риск; предельно допустимая экологическая нагрузка. SS Практическая работа №9 (по практикуму №21). Проведение социологических опросов по проблемам окружающей среды. вОЖРОШ и ijjSL пов/но^гекил, и сис1нем,а1низай,ии знаний по fiasc/eMf «СОЦИАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ» /. Что изучает социальная экология? 2. Назовите основные компоненты, которые в единстве составляют феномен социальной экологии. 3. Каковы основные этапы истории взаимоотношений человека и природы? 4. В чем состояли экологические последствия овладения человеком огнем? 5. Что такое альтруизм? Приведите примеры альтруистического поведения у человека и у животных. 6. Дайте характеристику основных направлений воздействия человека на окружающую среду. 7. В чем смысл экологического равновесия и его антропогенного нарушения? 8. Дайте краткую характеристику экологической проблемы диоксинов по схеме; История Источники Современное возникновения -> (причины) -> состояние проблемы проблемы проблемы Возможные последствия i Перспективные пути решения проблемы 298 9. В чем смысл экологической экспертизы какого-либо проекта, технологического нововведения? to. Подготовьте творческую работу (реферат, информационное сообщение и т. п.) по охраняемой природной территории (заповеднику, заказнику, национальному парку и т. д.) вашего региона. //. Проанализировав содержание таблицы №10, сделайте вывод о тенденциях природоохранных мероприятий в истории дореволюционной России. Таблица №10. Некоторые природоохранные мероприятия в истории России Время Меры по охране природы XI в. В Киевской Руси в первом письменном документе русского права - «Русской правде» была регламентирована добыча бобра, указывалось наказание за разорение гнезд диких пчел XIV в. Во Владимиро-Волынском княжестве на территории Беловежской пущи охота на зубра была строго регламентирована, а потом запрещена XV в. Вьщеление массивов «засечных лесов» (тульские дубовые «засеки») с полным запретом их вырубки XVII в. Царь Алексей Михайлович принял 67 указов, ограждающих от истребления ценных промысловых животных начало XVIII в. Петр I принял ряд строгих указов об охране леса, рек, почв, рыбных и иных животных запасов. Были заложены парки, начато степное лесоразведение и др. 1773 г. Екатерина II подписала Закон об охоте (запрет убивать и ловить животных в период размножения) 1888 г. Принят Закон о сбережении лесов • 1892 г. Царь Александр III утвердил «Правила об охоте», в которых строжайше запрещалась охота на зубров 1916 г. Правительство приняло Закон о заповедниках 299 '' J/LCCJIlO&btU /^OHJIU^OtAb no jiasqeMf «СОЦИАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ» /. Социальная экология изучает систему: 1. организм - окружающая среда 2. популяция - окружающая среда 3. экосистема 4. общество - окружающая среда 5. человек - среда обитания 2. Возникновение сельского хозяйства ученые обычно датируют: 1. 1 тыс. лет назад 2. 5-10 тыс. лет назад 3. 10-12 тыс. лет назад 4. 20-30 тыс. лет назад 5. 30-50 тыс. лет назад 3. Кто из ученых сформулировал следующие четыре закона: все связано со всем; за все надо платить; все надо куда-то девать; природа знает лучще? 1. Т. Шарден 2. Ю. Либих 3. Б. Коммонер 4. В. Вернадский 5. В. Шелфорд 4. Когда древние люди овладели огнем? 1. 2 млн. лет назад 2. 1 млн. лет назад 3. 500 тыс. лет назад 4. 100 тыс. лет назад 5. нет правильного ответа 5. Ученый, сформулировавший закон необратимости взаимодействия «Человек - Биосфера»: 1. Т. Шарден 2. П. Дансеро 3. В. Шелфорд 4. Д. Медоуз 5. Б. Коммонер 6. Памятники природы - это: 1. участки территорий или акваторий, навечно изъятые из хозяйственного пользования 2. отдельные природные объекты (водопады, пещеры и др.) 3. территории, для которых характерен частичный режим охраны 300 4. участки территории, вьщеленные для сохранения природы в оздоровительных и эстетических целях 5. нет правильного ответа 7. Ученый, сформулировавший экологический императив: 1. Н. Моисеев 2. С. Шварц 3. Н. Реймерс 4. М. Будыко 5. Ю. Одум 8. Ученый, предложивший принцип «благоговения перед жизнью»: 1 А. Швейцер 2. Т. Шарден 3. Д. Медоуз 4. Б. Коммонер 5. Дж. Лавлок 9. Максимальный уровень воздействия антропогенных факторов, при котором сохраняется функциональная целостность экосистем, называется: 1. ПДЭН 2. ПДК 3. ПДВ 4. ПДС 5. нет правильного ответа to. Какая из характеристик наиболее подходит к современному экологическому кризису? 1. кризис продуцентов , 2. кризис консументов 3. кризис редуцентов 4. кризис перепромысла 5. нет правильного ответа ft. Выберите пример, который в большей степени отражает термин «коэволюция»: 1. приспособление насекомых к ядохимикатам 2. приспособление хищника к жертве 3. приспособление паразита к хозяину 4. приспособление дождевых червей к почве 5. взаимоприспособление цветковых растений к опыляющим их насекомым f2. Вероятность неблагоприятных для окружающей среды последствий любых антропогенных объектов и факторов называется... 1. экологической безопасностью 2. экологическим риском 3. ПДЭН . 4. экологической опасностью 5. нет правильного ответа 301 /.5. Рост и развитие городов, сопровождающееся увеличением численности и плотности человеческой популяции называют: 1. антропогенной нагрузкой 2. урбанизацией 3. антропогенным стрессом 4. биоразнообразием 5. антропогенезом /У. Что означает ЮНЕП? ]. ООН по вопросам образования, науки и культуры 2. организация по защите животных 3. продовольственная организация ООН 4. программа ООН по окружающей среде 5. организация «Зеленый крест» /5. К какому типу можно отнести Лос-Анджелесский смог? 1. влажный смог 2. сухой смог 3. ледяной смог 4. смог аляскинского типа 5. нет правильного ответа ЗАКЛЮЧЕНИЕ_______________________;________________________ в настоящее время каждый человек, независимо от его специальности, должен быть экологически образован. Только в этом случае он сможет реально оценить последствия свой практической деятельности. Что означает экологически образованный, экологически культурный человек? И вообще - что такое экологическая культура? Экологическая культура - это система знаний, умений, ценностей человека, его верований, традиций, обычаев, законов, искусства, нравственности, ответственности за принимаемые реще-ния в системе «человек - окружающая среда». Условно в понятии «экологическая культура» люжно вьщелить четыре основных компонента: а) экологические знания (естественнонаучные, со- 302 циогуманитарные, технические, экономические и др.); б) экологическое мышление (способность устанавливать причинно-следственные связи, прогнозировать вероятностные результаты экологических проблем и др.); в) экологически оправданное поведение в быту, в процессе производственной деятельности и на досуге; г) культура чувств, включающая принцип благоговения перед жизнью, ж. Дорст писал: «У человека вполне достаточно объективных причин, чтобы стремиться сохранить дикую природу. Но в конечном счете природу может спасти только любовь». Сегодня на смену ошибочным представлениям о безграничных возможностях биосферы, технократическим установкам «покорения природы» вьщвигаются новые аксиоматические положения, утверждающие неизбежность антропогенного изменения природы и коэволюции как фактора устойчивого развития системы «общество - природа». Очень важен переход в сознании человека от антропоцентристского подхода, когда в центре всего находится человек, к биоцентристскому (полицентристскому), когда в центре стоит жизнь, живая система любого уровня организации, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Это, по сути, и есть реализация принципа благоговения А. Швейцера, который включает в себя три существенных элемента мировоззрения - смирение, миро- и жизнеутверждение и этику как взаимосвязанные компоненты мышления. Этика благоговения перед жизнью - это этика Любви, расширенная до всемирных пределов. - В наши дни правительства цивилизованных стран весьма озабочены проблемой организации образования экологически грамотных людей. В статье 73 Закона России об охране окружающей природной среды (1992 г.) говорится: «В целях повыщения экологической культуры общества и профессиональной подготовки специалистов устанавливается система всеобщего, комплексного и непрерывного экологического воспитания и образования, профессиональной подготовки специалистов в средних и высших учебных заведениях, повышения их квалификации с использованием при этом средств массовой информации». В статье 74 отме- 303 чается необходимость «овладения минимумом экологических знаний, необходимых для формирования экологической культуры граждан во всех дошкольных, средних и высших учебных заведениях, независимо от их профиля; обязательное преподавание основ экологических знаний». - Конференция ООН по проблеме «Планета Земля», прошедшая в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро, в своих декларациях подчеркнула огромную значимость экологии в разработке стратегий защиты жизнеспособности планеты, выживания и устойчивого развития человечества, а также в сохранении биологического разнообразия. Как важнейшая задача констатирована необходимость «обеспечить просвещение по вопросам развития и сохранения окружающей среды для людей всех возрастов». На реализацию задач экологического образования направлено и решение ЮНЕСКО: последние 20 лет нашего столетия бьши объявлены годами экологического образования. Таким образом, интенсивное распространение экологических знаний становится актуальнейшей проблемой всех цивилизованных стран. Оно справедливо рассматривается как одно из средств преодоления глобального экологического кризиса, оптимизации взаимодействия общества и природы на основе повыщения экологической культуры населения* . Преодолеть отставание нашей етраны от уровня передовых стран по многим направлениям экологии, создать систему экологической безопасности, исключающую экстенсивное природопользование, диктат ведомств, правовой нигилизм и экологическую некомпетентность - одна из основных задач обновления нашего общества. Французский ученый Ф. Дрё писал; «...Экология - наука будущего, и возможно, само существование человека на нащей планете будет зависеть от ее прогресса». На цветной вклейке учебного пособия представлены различные формы экологического образования школьников, используемые в образовательных учреждениях России (экскурсии в природу, экологические экспедиции, лабораторные исследования, мониторинг окружающей среды и др.). . 304 Приложение №1 КАЛЕНДАРЬ СОБЫТИИ В ОБЛАСТИ ЭКОЛОГИИ_________________________ (по г. о. Розенбергу, с изменениями и дополнениями) Время: века, годы Автор Страна Краткое содержание экологического исследования 1 2 ' 3 4 VMV вв. до н. э. Древняя Индия Эпические поэмы «Махабха-рата» и «Рамаяна» - описан образ жизни и местообитания примерно 50 видов животных 490-430 гг. до н. э. (годы жизни) Эмпедокл из Акраган-та Древняя Греция Рассмотрел связь растений со средой обитания 384-322 гг. до н. э. (годы жизни) Аристотель Древняя Греция В книге «История животных» предложил классификацию животных, которая имела экологическую окраску 370-285 гг. до н. э. (годы жизни) Теофраст (Феофраст) Эрезийский Древняя Греция в книге «Исследования о растениях» описал около 500 видов растений и их группировки; заложил основы геоботаники 79-23 гг. до н. э. (годы жизни) Плиний Старший Древний Рим В книге «Естественная история» обобщил данные по зоологии, ботанике, лесному хозяйству, описал практику использования животных в различных отраслях хозяйства 20 Заказ 451 305 1 2 3 4 1202 г. Леонардо из Пизы (Фибоначчи) Италия Сформулировал первую задачу математической теории популяций (с учетом возрастной структуры) 1670 г. Бойль Р. Англия Осуществил первый экологический эксперимент: влияние низкого атмосферного давления на различных животных 1686 г. Рей Дж. Англия Сформулировал проблему определения биологических критериев выделения вида (в дальнейшем «концепция вида» развита трудами К. Линнея, Ж. Б. Ламарка, Ч. Дарвина и др.) 1700 г. де Турне-фор Ж. Д. Франция Одним из первых описал вертикальную поясность растительности в горах и сравнил ее с горизонтальной зональностью растительности в равнинных условиях (основой послужили данные экспедиции на гору Арарат) 1715 г. ван Левенгук Голлан- дия Впервые изучил «пищевые цепи» и некоторые механизмы регуляции численности популяций 1749 г. Линней К. Швеция «Экономия природы» - предложил типологию местообитания растений. «Общественное устройство природы» (1760) - заложил основы систематики 17491788 гг. ^1. де Бюффон Ж. Л. Л. Франция «Естественная история» в 35 тт. - развил идеи изменчивости видов под влиянием среды и единства растительного и животного мира. 306 1 2 ' 3 4 1763 г. Ломоносов М. В. Россия Высказал ряд предположений о влиянии среды на организм 1775 г. Каверзнев А, А. Россия «О перерождении животных» -сделал вывод об изменчивости организмов под влиянием факторов среды 1786 г. Зуев Б. Ф. Россия «Начертания естественной истории» - первый школьный учебник экологического профиля 1794 г. Дарвин Э. Англия «Зоономия, или Законы органической жизни» - развил своеобразные преставления об эволюции организмов. В поэмах «Ботанический сад» (1789) и «Храм природы» (1803) в поэтической форме популяризировал свои естественнонаучные воззрения 1798 г. Мальтус Т. Р. Англия «Опыт О законе народонаселения» - предложил уравнение геометрического (экспоненциального) роста; первая математическая модель роста популяции 1809 г. Ламарк Ж. Б. П. Франц ИЯ «философия зоологии», в 2 т. -дал представления о сущности взаимодействия в системе «организм - среда» 1824 г. Эдвардс В. Фран- ция «Влияние физических агентов на жизнь» - первая сводка по экологической физиологии 18311836 гг. Дарвин Ч. Р. Англия Кругосветное путешествие на корабле «Бигль»; все наблюдения обобщены в «Дневнике изысканий» (1839) - одно из первых комплексных экологических исследований 20* 307 1 2 3 4 1840 г. Морран Ш. Бельгия Закрепил термин «фенология» за учением о сезонных явлениях в природе 1840 г. Либих Ю. Германия Сформулировал закон минимума (лимитирующих факторов) 1854 г. Жоффруа Сент-Илер И. Франция «Естественная история органического мира» - заложил основы этологии, которая изучает «...взаимоотношения организмов внутри семейств и групп, в скоплении, в сообществе». Ряд исследователей считают И. Жоффруа Сент-Илера, а не Геккеля, «крестным отцом» современной экологии, рассматривая предложенный термин «этология» как синоним «экологии» 1854 г. фон Бэр К. М. Россия Заложил основы современной теории динамики популяций рыб 1855 г. Северцов Н. А. Россия «Периодические явления в жизни зверей, птиц и гад Воронежской губернии» - комплексное экологическое исследование 1855 г. Декандоль А. Франция Швейца- рия «Ботаническая география», в 2 тт. - изучил закономерности расселения растений в зависимости от среды и геологической истории, создал основы учения о происхождении культурных растений 1858 г. Рулье К. Ф. Россия Обосновал метод экологического изучения животных, обосновал воздействие среды на развитие органического мира 308 1 2 3 4 1859 г. Дарвин Ч. Р. Англия «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуе-мых пород в борьбе за жизнь» - кроме широко известных эволюционных идей, в работе представлен большой материал по экологическим закономерностям жизни растительных и животных сообществ. Работа стала основополагающей для Э. Геккеля при создании науки «экология» 1860 г. Миддендорф А. Ф. Россия «Путешествие на север и восток Сибири», в 2 тт. - на основе путешествий на Кольский полуостров (1840), на Таймыр и в Якутию (18421845) - описаны биогеографические закономерности Сибири 1860 г. Пастер Л. Франция Заложил основы экологического направления в микробиологии (в 1922 г. С. Н. Виноградский оформил это новое научное направление) 1861 г. Сеченов И. М. Россия Публичные лекции «Так называемые растительные акты в животной жизни», где высказал принцип единства: «...Организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен; поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него» 309 1 2 3 4 1866 г. Геккель Э. Германия «Всеобщая морфология организмов», в 2 тт. - предложил понятие «экология»: «...биология смешивается с экологией, с наукой об экономии, об образе жизни, о внешних жизненных отношениях организмов друг с другом и т. д.» (т.1, с.8) 1868 г. Реклю Э. Франция Предложил понятие «биосфера» 1868 г. Уоллес А. Англия «Малайский архипелаг - отечество орангутана и райской птицы» - предложил понятие «биологическая ниша», обосновывал методы биогеографического анализа 1870 г. Спенсер Г. Англия «Изучение социологии». Совместно с работами Т. Гекели (1863) и Дж. П. Марша (1864) заложил основы экологии человека 1875 г. Зюсс Э. Австрия «Лик Земли» - переоткрыл понятие «биосфера» (независимо от Э. Реклю) 1877 г. Мебиус К. Германия «Устрицы и устричное хозяйство» - предложил понятие «биоценоз». В отечественной науке биоценотические исследования начаты С. А. Зерновым в 1913 г., комплексные исследования - В. Н. Беклемишевым в 1923 г. 1883 г. Докучаев В. В. Россия «Русский чернозем» - заложил учение о почвах (почвоведение) и о ландшафтах («Наши степи прежде и теперь», 1892) 310 1 2 3 4 1887 г. Форбс С. США Предложил понятие «микрокосм». Впервые рассмотрел озеро как микрокосм, дал зачатки учения об экосистеме 1895 г. Варминг Е. Дания «Экологическая география растений» (рус. пер., 1901) -впервые использовал термин «экология» по отношению к растениям, вслед за Ф. Унгером развил основы экологической ботаники. Предложил понятие «жизненные формы» 1896 г. Бекетов А. Н, Россия «География растений» - первый оригинальный учебник 1896 г. Хэдсон У. Англия Предложил понятие «волны жизни» для описания динамики численности животных (пер>еоткрыто в 1905 г. Четвериковым С. С.). 1896 г. Шретер К., Кихнер О. Германия, Швейца- рия Предложили различать аут- и синэкологию (закреплено в 1910 г. решением III Международного ботанического конгресса) 1899 г. Докучаев В. В. Россия «К учению О зонах природы. Горизонтальные и вертикальные почвенные зоны» 1901 г. Каулс Т. США Создал учение о сукцессион-ных сериях, одновременно с Г. Уитфордом (США) предложил понятие «климакс» 1902 г. Жаккар П. Франция Разработал количественный метод сравнения флор, заложив основы количественностатистического направления в изучении экосистем 311 1 2 3 4 1903 г. Иогансен В, Л. Дания Заимствовал из демографии и ввел в экологию понятие «популяция» 1903 г. Раункиер К. Дания Создал учение о жизненных формах растений (на основе понятия, введенного Е. Вармингом). 1909 г. Кольквитц Р., Марсон М. Германия Разработали основы биоиндикации загрязнения водоемов. 29 декабря 1909 г-6 января 1910 г. Россия ХП съезд естествоиспытателей и врачей России (г. Москва) - программные доклады Г. Ф. Морозова, В. Н. Сукачева, Л. Г. Раменского, Б. А. Келлера и др. 1910 г. Глизон Г. США Сформулировал индивидуалистическую гипотезу, заключающуюся в признании неповторимости экологии каждого вида 1910 г. Раменский Л. Г. Россия Сформулировал принцип непрерывности. В настоящее время принцип Л. Г. Раменского и гипотеза Г. Глизона объединены концепцией континуума. Позднее эти же принципы независимо были описаны Г. Негри (Италия, 1914 г.) и Ф. Леноблем (Франция, 1926 г.) 1910 г. Бельгия III Международный ботанический конгресс (г. Брюссель). Доклад Ш. Флао и К. Шретера по фиксации основной геобога-нической терминологии, определение понятия «ассоциация». Проведено разделение понятий «аутэкология» и «синэкология» 312 1 2 3 4 1910 г. Россия При Русском географическом обществе основана Постоянная биогеографическая комиссия (П. П. Семенов-Тян-Шанский) 1911 г. Петерсен К., Экман С. Дания, Швеция Впервые осуществили количественные исследования бентоса с помощью дночерпателей (К. Петерсен предложил и само понятие «бентос») 1911 г. Шелфорд В. США Сформулировал закон максимума (толерантности) 1912 г. Келлер Б. А. Россия Предложил понятия «экологическая группа видов», «экологические ряды» 1912 г. Морозов Г. Ф. Россия «Учение о лесе» - классическая работа по лесной геоботанике. По мнению В. Н. Сукачева «...Морозов, как никто другой, наполнил богатым содержанием понятия "растительное сообщество" и "фитосоциолопия" и показал практическое значение последней» 1913 г. Браун-Бланке Ж. Швейца- рия, Франция Положил начало разработке метода классификации растительности (можно говорить и о классификации экосистем, маркируемых растительными сообществами) на основе экологофлористических критериев. В настоящее время этот метод получил самое широкое распространение в мире 1915 г. Алехин В. В. Россия Сформулировал правило предварения (независимо переоткрыто Г. Вальтером в 1951 г. и в современной экологии известно как правило Вальтера-Алехина). Сходный принцип стаций для насекомых предложил Г. Я. Бей-Биенко в 1959 г. 313 1 2 3 4 1915 г. Высоцкий Г. Н. Россия Предложил понятие «экотоп» 1917 г. Гринелл Дж. США Предложил понятие «пространственная экологическая ниша» 1918 г. Гаме X. 1 / Швейца- рия- Австрия Разделил биологию на идиобио-логию (изучение организмов) и биоценологию (изучение сообществ организмов), ввел понятие «фитоценология», «синузия» (термин использовал в своих лекциях в 1917 г. швейцарский геоботаник Э. Рюбель; большой вклад в изучение синузий внес Лип-пмаа Т. М.), независимо предложил понятие «фитоценоз» (предложено в 1915 г. И. К. Пачо-ским) 1921 г. Парк Р., Бюргесс Э. США Предложили понятие «экология человека» 1925 г. Лотка А. США «Основы биофизики» - совместно с в. Вольтерра (1926) заложил основы математической экологии 1926 г. Вернадский В. И. СССР «Биосфера», в 2 тт. - развил представления о планетарной геохимической роли живого вещества 1926 г. Вольтерра В. Италия Совместно с А. Лоткой (1925) заложил основы математической экологии. Разработал математические модели роста отдельных популяций и популяций, связанных отношениями конкуренции и хищничества (модели Лотки-Вольтерра) 314 1 2 3 4 1927 г. Леруа Э. Франция Предложил понимать под «ноосферой» «духовный пласт жизни» (аналогичной трактовки придерживался Тейяр де Шарден, 1930) 1927 г. Фридерикс К. Германия Выдвинул гипотезу, согласно которой регуляция численности популяции есть следствие совокупности воздействия всех факторов (абиотических и биотических) на уровне биоценоза 1927 г. Элтон Ч. Англия «Экология животных» - оформил новое научное направление «популяционная экология», предложил закон «пирамиды чисел», понятие «трофическая экологическая ниша» 1928 г. Беклемишев В. Н. СССР В работах «Организм и сообщество (к постановке проблемы индивидуальности в биоценологии)» и «Основные понятия биоценологии в приложении к животным компонентам наземных сообществ» (1931) предложил концепцию Геоме-риды - рассмотрение всего живого вещества биосферы как некоторого системного единства 1933 г. Кашкаров Д. Н. СССР «Среда и сообщество (основы синэкологии)»; «Основы экологии животных» (1938) - первые отечественные учебники по экологии 1933 г. Леополд О. США Предложил понятие «краевой эффект» 315 1 2 3 4 1933 г. Николсон А. Австрия Выдвинул гипотезу зависимой от плотности регуляции численности популяции (саморегулирующийся процесс) 1934 г. Гаузе Г. Ф. СССР «Борьба за сосуществование» -изложил принципы конкурентного исключения; описал первое экспериментальное исследование взаимоотношений видов 1935 г. Тенсли А. Англия Предложил понятие «экосистема» 1938 г. Вильямс В. Р. СССР «Почвоведение» - предложил гипотезу независимости фундаментальных экологических факторов: «...растения для своей жизни требуют одновременно и совместного наличия или такого же притока всех без исключений условий или факторов своей жизни» 1938 г., февраль СССР I Всесоюзное экологическое совещание (г. Ленинград) 1939 г. Тролль К. Германия Определил новое научное направление - «экология ланд-щафтов» (опираясь на работы К. Д. Глинки и Л. С. Берга; СССР, 1927-1929 гг.) 1940 г. СССР I Всесоюзная экологическая конференция (г. Киев); II-IV были проведены там же в 1950, 1954 и 1962 гг; Всесоюзная экологическая конференция (г. Москва, 1973 г.) 316 1 2 3 4 1940 г. Вернадский В. И. СССР Предложил фундаментальный принцип (фактически, аксиому) О биогенетической миграции элементов 1941 г. Северцев С. А. СССР Связал экологию с эволюционными идеями и определил «экологию» как науку о механизмах борьбы за существование 1942 г. Линдеман Р. США Статья «Трофико-динамическое направление в экологи-ческом исследовании» - описал закон «пирамиды энергий» (правило 10%) и методы расчета энергетического баланса экосистемы 1942 г. Сукачев В. Н. СССР Предложил понятие «биогеоценоз» 1944 г. Вернадский В. И. СССР Статья «Несколько слов о ноосфере»: «Биосфера XX столетия превращается в ноосферу, создаваемую прежде всего ростом науки, научного понимания и основанного на ней социального труда человека» 1951 г. Беклемишев В. Н. СССР Предложил понятие «консор-ция» (в 1952 г. это понятие независимо предложил Л. Г. Раменский). Большой вклад в развитие представлений о кон-сорциях внес В. В. Мазинг 1951 г. Маргалеф Р. Испания Впервые предложил использовать информационные энтропийные меры для оценки экологического разнообразия и стабильности экосистем; в дальнейшем развил представления О сообществах как самоорганизующихся (кибернетических) системах 317 1 2 3 4 1952 г. Беркхолдер П. США Предложил классификацию биотических взаимодействий по количественным эффектам («+» - положительные, «0» - нейтральные, «-» - отрицательные) 1954 г. Григорьев А. А. СССР Разработал (совместно с М. И. Будыко) концепцию периодической географической зональности 1957 г. Хатчинсон Дж. США Обобщил понятие «ниши» Дж. Гринелпа и Ч. Элтона и предложил понятие «многомерная или гиперпространственная экологическая ниша»; также предложил понятие «реализационная экологическая ниша». Одновременно с Р. МакАртуром разработал формальную систему математических отношений для описания экологического разнообразия 1961 г. Хатчинсон Дж. США Описал «парадокс планктона» и выступил одним из первых противников представлений о конкуренции как основной силы, формирующей сообщество 1963 г. Сочава В. Б. СССР Предложил понятие «геосистема» 1965 г. Родин Л. Е. СССР «Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара» - одна из первых монографий по круговороту веществ в экосистемах 318 1 2 3 4 1966 г. Мак-Артур Р. США «Биология популяций» (совместно с Дж. Коннелом) и «Теория островной биогеографии» (совместно с Е. Уилсоном, 1967) - в этих книгах и более ранних работах утвердил детерминированную точку зрения на экологические процессы, примат стабильности и конкзфенции в формировании сообществ, что способствовало становлению математич!. ской (аналитической) экологии; предложил понятие «минимальной жизнеспособной популяции» (1967) 1968 г. МАВ («Человек и биосфера») - научная программа, принятая в Париже на Межправительственной конференции ЮНЕСКО по рациональному использованию и охране ресурсов биосферы____________ 1968 г. Италия Основан «Римский клуб» -международная научная (неправительственная) организация, созданная для разработки стратегий по решению многих глобальных (в том числе и экологических) проблем. Дала толчок построению имитационных моделей глобальных процессов в биосфере__________ 1971 г. Коммонер Б. США Опубликована работа «Замыкающийся круг», в которой сформулированы четыре закона экологии 319 1 2 3 4 1971 г. Одум Ю. США «Основы экологии» (рус. пер., 1975), «Экология» в 2 тт. (1983; рус. пер., 1986) 1972 г. Медоуз Д. Доклад Римскому клубу «Пределы роста» 1973 г. Лавлок Дж., Маргулис Л. США Вьщвинули «гипотезу Геи»-рассмотрение Земли как единой кибернетической системы с биологическими механизмами регуляции 1974 г. Голландия I Международный конгресс экологов (г. Гаага). Основано международное общество экологов (ИНТ-ЭКОЛ) 1977 г. Будыко М. И. СССР «Глобальная экология» - заложены основы нового научного направления 1988 г. ' «Центр за наше общее будущее» благотворительная организация для содействия вовлечению общественности и организаций всего мира в усилия, направленные на устойчивое развитие 1992 г. Россия Принят Закон об охране окружающей природной среды 1992 г. Бразилия Рио-де- Жанейро Конференция ООН по окружающей среде и развитию; принят документ «Повестка дня на XXI век» и др. 1996 г. Россия Указ Президента о переходе России на концепцию устойчивого развития 320 Приложение №2 СЛОВАРЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ АГРОЛАНДШАФТ - ландшафт, большая часть которого занята землями сельскохозяйственного использования (пашней, сенокосами, пастбишами и др.). АГРОБИОГЕОЦЕНОЗ (агроэкосистема) - неустойчивая, искусственно созданная и регулярно поддерживаемая человеком экосистема культурных полей. АЗОТФИКСАТОРЫ - микроорганизмы (бактерии, синезеленые водоросли, актиномицеты), которые связывают атмосферный азот в соединения, доступные для питания растений. ААЛЕЛОПАТИЯ - влияние растений друг на друга через посредство химических веществ, вьщеляемых в атмосферу или почву. АЛЬТРУИЗМ - бескорыстная забота о благе других, готовность жертвовать для других своим благополучием и даже жизнью. У животных - генетически обусловленная поведенческая реакция (обычно у взрослых особей), состоящая в своеобразном жертвовании индивидуальным биологическим благополучием, даже жизнью, если вследствие этого молодые сородичи могут увеличить шансы на выживание. АЭРОТЕНК - биологическое очистное сооружение, где в качестве основных организмов, очищающих сточные воды, используются аэробные микроорганизмы. АВТОТРОФЫ - организмы, синтезирующие из неорганических соединений органические вещества с использованием энергии Солнца или энергии, освобождающейся при химических реакциях (хемотрофы). К автотрофам относятся высшие растения (кроме паразитных и сапрофитных), водоросли, некоторые бактерии (пурпурные, железобактерии, серобактерии и др.). В пищевой цепи автотрофы служат продуцентами. АВТОТРОФНОСТЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА - теоретически возможное получение человечеством хемосинтетической пищи и энергии непосредственно от Солнца, без использования или даже при отсутствии других организмов. В. И. Вернадский (1937) 321 21 3a«j451 предполагал возможность превращения человека из существа социально гетеротрофного в существо социально автотрофное. Полное превращение человека в автотрофное существо противоречит закону необратимости эволюции (Л. Долло). АККУМУЛЯЦИЯ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ОРГАНИЗМАМИ -накопление в живых организмах химических веществ, загрязняющих среду обитания. Поскольку объем поедаемой пищи за длительное время значительно превышает массу потребителя, а загрязняющие вещества не во всех случаях полностью выводятся из организма, на каждом следующем этапе экологической пирамиды (трофической цепи) создается многократная более высокая концентрация стойких загрязнителей. АКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНАЯ - совокупность циклических и нециклических физических изменений, происходящих на Солнце. Обусловлена главным образом взаимодействием солнечного магнитного поля и плазмы. В моменты максимумов солнечной активности (вспышек) Солнце выбрасывает огромное количество энергии и заряженных частиц, которые, достигая Земли, вызывают на ней электромагнитные бури, полярные сияния и др. явления. АЛАРМИЗМ (от англ, alarm - тревога, страх) - течение в западной науке, представители которого акцентируют внимание на катастрофических последствиях воздействия человека на природу, нехватке природных ресурсов для дальнейшего развития человечества. АМПЛИТУДА ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ - пределы приспособляемости вида или сообщества к меняющимся условиям среды. АНАБИОЗ - состояние живого организма, при котором резко снижается обмен веществ и отсутствуют видимые проявления жизни. АНАЭРОБЫ - организмы, способные жить при отсутствии свободного кислорода. АНТРОПОГЕН - четвертичный, последний период геологической истории Земли (от возникновения человека до современности) продолжительностью, по разным воззрениям, от 1,8 до 5, 5 млн. лет. 322 АНТРОПОГЕНЕЗ - происхождение человека, становление его как вида в процессе формирования общества - социогенеза. АНТРОПОСФЕРА - земная сфера, где живут и куда временно проникают (с помощью космических аппаратов) люди. АРЕАЛ - область распространения определенного вида или популяции живых организмов. АУТЭКОЛОГИЯ - экологическая дисциплина, изучающая взаи-моотнощения организма (особи) с окружающей средой. АЭРАЦИЯ - естественное или искусственное поступление воздуха в какую-нибудь среду (воду, почву). АЭРОБЫ - организмы, способные жить лищь в среде, содержащей кислород. БИОГЕНЕЗ - образование органических соединений живыми организмами; концепция, утверждающая, что все живое происходит только от живого. Противопоставляется взглядам о самозарождении организмов. БЕНТОС - совокупность организмов, обитающих на дне водоемов (например, некоторые водоросли, креветки, устрицы и др.). БИОГЕНБ1 - вещества (в том числе химические элементы), необходимые для существования живых организмов, синтезируемые (порождаемые) организмами-в ходе жизнедеятельности. БИОГЕОЦЕНОЗ - по первоначальному определению В. Н. Сукачева, - «совокупность однородных природных элементов на определенном участке поверхности Земли». БИОИНДИКАТОР - группа особей одного вида или сообщество, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в окружающей среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКЦИЯ - результат жизнедеятельности экосистемы, органическое вещество, которое продуцируют входящие в ее состав организмы за единицу времени (сутки, год и т. д.). Различают первичную (растительную) и вторичную (результат деятельности бесхлорофильных организмов) продукцию. 21* 323 БИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ - разнообразие видов в экосистеме, подразделяется на разнообразие растений, животных, микроорганизмов. БИОМАССА - выраженное в единицах массы (веса) или энергии количество органического вещества тех или иных организмов, приходящееся на единицу цлощади или объема. БИОСФЕРА - нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенные живыми организмами, «область существования живого вещества» (В. И. Вернадский); оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масщтаба. Биосфера - самая крупная (глобальная) экосистема Земли - область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. БИОТА - исторически сложивщийся комплекс живых организмов, обитающих на какой-то крупной территории, изолированной любыми барьерами. БИОТОП - относительно однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое биоценозом. БИОЦЕНОЗ - сообщество из продуцентов, консументов и редуцентов, входящих в состав одного биогеоценоза и населяющих один биотоп. ВАЛЕНТНОСТЬ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ - характеристика способности живых организмов-существовать в разнообразных условиях среды. ВЕЩЕСТВО АНТРОПОГЕННОЕ - химическое соединение, включенное в земные сферы благодаря деятельности человека. ВЕЩЕСТВО БИОГЕННОЕ - химическое соединение, возник-щее в результате жизнедеятельности организмов, это вещество, создаваемое и перерабатываемое организмами (по В. И. Вернадскому). ВЕЩЕСТВО ЖИВОЕ - совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, вне зависимости от их систематической принадлежности. Общий вес живого вещества оценивается величиной 2,4-3,6.10'^ т (в сухом весе). 324 ВЕЩЕСТВО КОСНОЕ - «образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует» (по В. И. Вернадскому). ВОДЫ ПРЕСНЫЕ - воды с содержанием растворимых солей до 1 г/л. воды СОЛЕНЫЕ - воды слабосоленые - с содержанием растворенных солей от 3 до 10 г/л, соленые и очень соленые - от 10 до 50 г/л, рассольные (рапа) - более 50 г/л. ВОЗДЕЙСТВИЕ АНТРОПОГЕННОЕ - сумма прямых и опосредованных (косвенных) влияний человечества на окружающую среду. ГЕЛИОТРОФ - организм, синтезирующий органические вещества из неорганических за счет энергии Солнца. ГЕНОТИП - совокупность всех генов организма, наследственная основа организма. _ ГЕНОФОНД - совокупность всех генов данной группы особей (популяции, группы популяций или вида в целом). ГЕОСИСТЕМА - система, состоящая из взаимообусловленных природных компонентов, взаимосвязанных пространственно и развивающихся во времени как части целого. ГЕТЕРОТРОФ - организм, использующий для питания органические вещества, произведенные другими видами. В пищевой цепи гетеротрофы составляют группу консументов. ГОМЕОСТАЗ(ИС) - способность организма или системы организмов поддерживать устойчивое (динамическое) равновесие в изменяющихся условиях среды. ДАМПИНГ - сброс, захоронение отходов в океане и его морях. ДЕЗАКТИВАЦИЯ - удаление радиоактивного загрязнения с поверхности предметов. ДЕЗИНФЕКЦИЯ - уничтожение возбудителей инфекционных заболеваний человека и домащних животных во внешней среде физическими, химическими и биологическими методами. ДЕТРИТ - мертвое органическое вещество в экосистеме. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АНТРОПОГЕННОЕ - загрязнение, возникающее в результате хозяйственной деятельности людей, в том числе их прямого или косвенного влияния на состав и интенсивность природного загрязнения. 325 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЕ - загрязнение, возникшее в результате природных, как правило, катастрофических процессов (например, мощное извержение вулкана), вне всякого влияния человека на эти процессы. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ - процесс локального, регионального и глобального накопления свинца, ртути, кадмия и др. тяжелых металлов на поверхности Земли. ЗООБЕНТОС- совокупность животных - обитателей дна водоема. ЗООЦЕНОЗ - совокупность взаимосвязанных видов животных, сложившаяся на каком-то пространстве. ИНСЕКТИЦИДЫ - химические препараты, используемые против насекомых - вредителей или паразитов. ИНЖЕНЕРИЯ (ГЕННАЯ) - создание новых форм живого путем непосредственного изменения их генетического аппарата. КАННИБАЛИЗМ - поедание особей своего же вида, иногда своего потомства. . КАНЦЕРОГЕН - вещество или физический агент, способствующий развитию злокачественных новообразований или их возникновению. КОНСТЕЛЛЯЦИЯ - совокупное действие нескольких факторов среды. КОНСУМЕНТ - организм, питающийся органическим веществом (все животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения). КОНСУМЕНТ I ПОРЯДКА - организм, питающийся растительной пищей. . КОНСУМЕНТ II ПОРЯДКА - организм, питающийся животной пищей. КОНСУМЕРИЗМ - культ потребления, характерный для современного состояния развития общества, ведущий к усилению использования природных ресурсов. КОНТРИНТУИТИВНОСТЬ БОЛЬШИХ СИСТЕМ - поведение их часто не совпадает а разработанной моделью функционирования (логической, математической или натурной). 326 коэволюция - совместная взаимосвязанная эволюция двух (или более) таксонов, объединенных тесными экологическими связями. Применяется для системы «общество - природа» (социэкологические системьг). КОНСОРЦИЯ - совокупность разнородных организмов, тесно связанных между собой и зависящих от центрального члена или ядра сообщества. В роли центрального члена обычно выступает вид - эдификатор. КСЕНОБИОТИКИ - вещества, которые получены в результате искусственного синтеза и не входят в число природных соединений. ЛАНДШАФТ - природный географический комплекс, в котором все основные компоненты: рельеф, климат, воды, почвы, растительный и животный мир - находятся в сложном взаимодействии и взаимообусловленности, образуя однородную по условиям развития единую неразрывную систему. МОНИТОРИНГ - система наблюдений, оценки, прогноза состояния окружающей среды. МУТАГЕН - любой агент (фактор), вызывающий мутацию. МУТАЦИЯ - резкое наследственное изменение организмов, меняющее их морфологические или физиолого-поведенческие признаки. Связано с изменением числа и структуры хромосом, с изменением отдельного гена или их группы. МЕТАБОЛИЗМ - обмен веществ, совокупность процессов биохимических превращений веществ и энергии в живых организмах. НИША ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ - место вида в природе, включающее не только положение вида в пространстве, но и функциональную роль его в сообществе. НООСФЕРА - термин, предложенный академиком В. И. Вернадским для обозначения биосферы будущего, которая будет преобразована человеком в новую гармоническую «сферу разума». ОТКРЫТОСТЬ СИСТЕМЫ - доступность системы для проникновения в нее вещества, энергии и информации. ПРОДУЦЕНТЫ - автотрофы и хемотрофы, производящие органическое вещество из неорганических соединений. 327 ПАССИОНАРНОСТЬ - непреодолимое внутренне стремление (осознанное или чаще неосознанное) к деятельности, охватывающее одно лицо (особь) или коллектив (человеческую или животную популяцию), и направленное на осуществление какой-либо цели (часто иллюзорной), представляющейся данному лицу (особи) или коллективу (популяции) даже ценнее собственной жизни. По Л. Н. Гумилеву, основа пассионарности заключается в неравномерности распределения биохимической энергии живого вещества биосферы во времени и пространстве. ПЕДАГОГИКА ЭНВАЙРОНМЕНТАЛЬНАЯ (ПРИРОДООХРАННАЯ) - раздел педагогики, рассматривающий формы воспитания, просвещения и специального образования в духе максимального стремления к сохранению окружающей человека природной среды. ПЕДОСФЕРА - почвенный слой Земли, или, по В. И. Вернадскому, кора выветривания, - часть биосферы. ПИРАМИДА БИОМАСС - соотнощение между продуцентами, консументами (I, II порядков) и редуцентами в экосистеме, выраженное в их массе (числе - пирамида чисел Элтона, заключенной энергии - пирамида энергий) и изображенное в виде графической модели (такие модели называют экологическими пирамидами). ПЛАНКТОН - совокупность пассивно плавающих в толще воды организмов (водоросли, простейщие, некоторые ракообразные, моллюски и др.). Различают фитопланктон и зоопланктон. ПОПУЛЯЦИЯ - совокупность особей данного вида, в течение больщого числа поколений населяющих определенное пространство, и обладающая условиями, необходимыми для поддержания его численности на определенном уровне и свойствами, определяющими единство особей (общность ареала и происхождения, сходство морфологических и др. признаков, свободное скрещивание). ПИОНЕРНОЕ СООБЩЕСТВО - сообщество живых организмов, образующееся на ранее не обжитых субстратах (на остыв-щей лаве вулканов, скалах, валунах после отступления ледников, морей и т. п.). Образование пионерного сообщества - пример первичной сукцессии. 328 пдв - предельно допустимый выброс - выброс вредных веществ в атмосферу, устанавливаемый для каждого источника загрязнения атмосферы при условии, что приземная концентрация этих веществ не превысит предельно допустимую концентрацию (ПДК). пдк - концентрация вредного вещества, которая не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруженных современными методами исследований в жизни настоящего или будущего поколений. ПЕСТИЦИДЫ - ядохимикаты - щирокий класс химических веществ, используемых для борьбы с сорными растениями (гербициды), насекомыми-вредителями (инсектициды), грибковыми (фунгициды) и бактериальными (бактерициды) заболеваниями. РЕДУЦЕНТЫ - организмы, главным образом бактерии и грибы, в ходе своей жизнедеятельности превращающие органические остатки в неорганические вещества. РЕЗЕРВАТ - природная (особо) охраняемая территория с заповедным или заказным режимом. РЕЗИСТЕНТНОСТЬ - устойчивость организма, его невосприимчивость к каким-то физическим, химическим и биологическим агентам. САПРОФАГ - организм, питающийся органическими остатками. СЕТЬ ПИЩЕВАЯ (ТРОФИЧЕСКАЯ) - условное, образное обозначение трофических взаимоотношений консументов, продуцентов и редуцентов. «СИНДРОМ ЗАКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ» - раздражение слизистых оболочек, повышенная утомляемость, раздражительность, нарушение сна, менструальных циклов, пишеварения (запоры), связанные с загрязнением воздуха внутри жилых, общественных и производственных помещений. СИНУЗИЯ - экологически и пространственно обособленная часть фитоценоза, состоящая из растений одной или нескольких близких жизненных форм (например, деревья, кустарники, эпи-фитные лишайники, мхи и др.), связанных между собой общими требованиями к среде обитания. 329 СКРИНИНГ - биологаческая или химическая оценка и контроль эффектов, которые могут быть вызваны промышленными отходами; отбор и анализ для целей мониторинга комплексных проб отходов и выбросов промышленных предприятий. СТАГНАЦИЯ - естественно возникающий дефицит кислорода в водоеме; задержка развития,-застой. СУКЦЕССИЯ - последовательная смена биогеоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов или воздействия человека. ТЕХНОГЕНЕЗ - процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. ТОЛЕРАНТНОСТЬ - способность организмов выносить отклонения факторов среды от оптимальных для них значений (закон толерантности Шелфорда). УРОВЕНЬ ТРОФИЧЕСКИЙ - совокупность организмов, получающих преобразованную в пищу энергию Солнца и химических реакций (от автотрофов) через одинаковое число посредников трофической цепи: первый уровень (без посредников) - продуценты, второй - первичные консументы (растительноядные организмы), третий - вторичные консументы (хищники) и паразиты первичных консументов, четвертый - вторичные хищники и паразиты вторичных консументов, пятый - паразиты вторичных консументов, щестой - надпаразиты высоких порядков. ФЕНОТИП - меняющаяся в процессе индивидуального развития совокупность всех признаков и свойств организма, формирующаяся на основе наследственности (генотипа) и влияния внещней среды. ФИТОФАГ - растительноядное животное. ФИТОГЕНЕЗ - процесс формирования и развития растительных сообществ. ФОТОСИНТЕЗ - окислительно-восстановительная реакция синтеза органических веществ с помощью световой энергии. ФРЕОНЫ - группа галогенсодержащих органических веществ: Ф-11 (С1СНз), Ф-12 (CI2CH2), Ф-22 (CHCIF2) и др. 330 ХЕМОСИНТЕЗ - процесс синтеза органических веществ за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и др. веществ, осуществляемый микроорганизмами в ходе их жизнедеятельности. ЦЕНОЗ - любое содружество (биоценоз, зооценоз, фитоценоз и т. п.) ЦЕПЬ ТРОФИЧЕСКАЯ - ЦЕПЬ ПИТАНИЯ, ЦЕПЬ ПИЩЕВАЯ - ряд видов или их групп, каждое предьщущее звено в котором служит пищей для следующего. ЦИКЛ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ - круговорот химических веществ: из неорганической природы через растительные и животные организмы обратно в неорганическую. Совершается с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций. ЧИСЛО ВОЛЬФА (W) - количественная характеристика степени солнечной активности, представляет собой число солнечных пятен и их групп, выраженное в форме условного показателя: W = = к(т-1- 10п), где m - общее число всех пятен, оформленных в виде групп или расположенных изолированно, п - число групп пятен или отдельных пятен, не включенных в состав какой-либо группы, к - множитель, характеризующий условия наблюдения и применяемую аппаратуру. Солнечная активность обнаруживает 11летнюю (точнее 11,1 года) цикличность. ЧИСЛО САНИТАРНОЕ - частное от деления количества почвенного белкового азота (в мг на 100 г сухой почвы) на общее количество органического азота в почве (в тех же единицах). ЭДИФИКАТОР - вид, играющий основную роль в создании биосреды в экосистеме и сложении структуры биогеоценоза. ЭЙКУМЕНА (ОЙКУМЕНА) - часть земной поверхности, заселенная и используемая людьми. ЭКОЛОГИЯ - интегративная наука, изучающая взаимодействие живых систем с окружающей средой. ЭКОПОЛИС - городское поселение, спланированное с учетом комплекса экологических потребностей человека. ЭКОСИСТЕМА - любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими ком- 331 понентами. Выделяют микроэкосистемы (ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд) и макроэкосистемы (океан, континент). Глобальная экосистема - биосфера. ЭКОТОП - местообитание сообщества. ЭМЕРДЖЕНТНОСТЬ - наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не объединенных системообразующими связями. Краткое античное определение: целое больще суммы его частей. ЭНДЕМИЯ - постоянное проявление какого-либо заболевания в определенной местности. ЭВТРОФИРОВАНИЕ ВОДОЕМОВ - повыщение биологической продуктивности водных экосистем в результате накопления в воде биогенных элементов естественного или антропогенного происхождения. Обогащение водоема биогенными элементами (N, Р и др.), поступающими со сточными водами, а также с поверхностным стоком с удобряемых полей, приводит к «цветению» воды и к резкому ухудщению ее качества. ЭРОЗИЯ ПОЧВ - процесс разрущения почв в результате естественных явлений и хозяйственной деятельности человека. Естественная эрозия протекает, как правило, медленно и не принимает угрожающих размеров. Различают водную и ветровую эрозии. 332 Приложение №3 НАУЧНАЯ МЫСЛЬ КАК ПЛАНЕТНОЕ ЯВЛЕНИЕ_______________________________________________ Отрывки из книги в. и. Вернадского, 1937—1938 гг. ...Эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу - научную мысль социального человечества. В последние тысячелетия наблюдается интенсивный рост влияния одного вида живого вещества - цивилизованного человечества - на изменение биосферы. Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние - в ноосферу. ' Человечество закономерным движением, длившимся миллиард-другой лет, со все усиливающимся в своем проявлении темпом охватывает всю планету, вьщеляется, отходит от других живых организмов как новая небывалая геологическая сила... На наших глазах биосфера резко меняется. И едва ли может быть сомнение в том, что проявляющаяся этим путем ее перестройка научной мыслью через организованный человеческий труд не есть случайное явление, зависящее от воли человека, но есть стихийный природный процесс, корни которого лежат глубоко и подготовлялись эволюционным процессом, длительность которого исчисляется сотнями миллионов лет. Человек должен понять, как только научная, а не философская или религиозная концепция мира его охватит, что он не есть случайное, независимое от окружающего (биосферы или ноосферы) свободно действующее природное явление. Он составляет неизбежное проявление большого природного процесса, закономерно длящегося в течение по крайней мере двух миллиардов лет. В настоящее время под влиянием окружающих ужасов жизни, наряду с небывалым расцветом научной мысли, приходится слышать о приближении варварства, о крушении цивилизации, о самоистреблении человечества. Мне представляются эти настрое- 333 ния и эти суждения следствием недостаточно глубокого проникновения в окружающее. Не вошла еще в жизнь научная мысль; мы живем еще под резким влиянием, еще не изжитых философских и религиозных навыков, не отвечающих реальности современного знания. Научное знание, проявляющееся как геологическая сила, создающая ноосферу, не может приводить к результатам, противоречащим тому геологическому процессу, созданием которого она является. Это не случайное явление - корни его чрезвычайно глубоки... Научная мысль как проявление живого вещества, по существу, не может быть обратимым явлением - она может останавливаться в своем движении, но, раз создавщись и проявившись в эволюции биосферы, она несет в себе возможность неограниченного развития в ходе времени. ...Впервые человек охватил своей жизнью, своей культурой всю верхнюю оболочку планеты -в общем, всю биосферу, всю связанную с жизнью область планеты. Мы присутствуем и жизненно участвуем в создании в биосфере нового геологического фактора, небывалого в ней по мощности и общности. ...Закончен после многих сотен тысяч лет неуклонных стихийных стремлений охват всей поверхности биосферы единым социальным видом животного царства - человеком. Нет на Земле уголка, для него недоступного... Научной мыслью и государственно организованной, ею направляемой техникой, своей жизнью человек создает в биосфере новую биогенную силу, направляющую его размножение и создающую благоприятные условия для заселения им частей биосферы, куда раньше не проникала его жизнь и местами даже какая бы то ни было жизнь. ...Человечество едино, и хотя в подавляющей массе это сознается, но это единство проявляется формами жизни, которые фактически его углубляют и укрепляют незаметно для человека, стихийно, в результате бессознательного к нему устремления. Жизнь человечества, при всей ее разнородности, стала недели- 334 мой, единой. Событие, происходящее в захолустном уголке любой точки любого континента или океана, отражается и имеет следствия - большие и малые - в ряде других мест, повсюду на поверхности Земли. ...Человек впервые реально понял, что он житель планеты и может - должен - мыслить и действовать в новом аспекте, не только в аспекте отдельной личности, семьи или рода, государства или их союзов, но и в планетном аспекте. ...До сих пор история человечества и история его духовных проявлений изучается как самодовлеющее явление свободно и незакономерно проявляющееся на земной поверхности, в окружающей ее среде, как нечто ей чуждое. Социальные силы, в них проявляющиеся, считаются в значительной степени свободными от среды, в которой идет история человечества. Хотя сушествует много разных попыток связать духовные проявления человечества и историю человечества вообще со средой, где они имеют место, всегда упускается, что, во-первых, среда - это биосфера - имеет соверщенно определенное строение, определяющее все без исключения в ней происходящее, не могущее коренным образом нарущаться идущими внутри ее процессами, она имеет, как все явления в природе, свои закономерные изменения в пространстве-времени. ...Живое вещество является носителем и создателем свободной энергии, ни в одной земной оболочке в таком масштабе не существующей. Эта свободная энергия - биогеохимическая энергия - охватывает всю ее историю. ...В пределах живого вещества в последнее десятитысячелетие вновь создается и быстро растет в своем значении новая форма ее энергии, еще большая по своей интенсивности и сложности. Эта новая форма энергии, связанная с жизнедеятельностью человеческих обществ, рода Homo и близких -к нему, сохраняя в себе проявление обычной геохимической энергии, вызывает в то же самое время нового рода миграции химических элементов, по разнообразности и мощности далеко оставляющее за собой обычную биогеохимическую энергию живого вещества планеты. 335 Эта новая форма биогеохимической энергии, которую можно назвать энергией человеческой культуры или культурной биогеохимической энергией, является той формой биогеохимической энергии, которая создает в настоящее время ноосферу... Она связана с психической деятельностью организмов, с развитием мозга в высших проявлениях жизни и сказывается в форме, производящей переход биосферы в ноосферу только с появлением разума. Приложение №4 ДЕКЛАРАЦИЯ КОНФЕРЕНЦИИ ОРГАНИЗАЦИИ ОБЪЕДИНЕННЫХ НАЦИЙ ПО ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И РАЗВИТИЮ (Рио-де-Жанейро) В июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию. В ней приняли участие представители 179 государств (в основном это главы государств и правительств), а также представители ООН, международных организаций и многочисленных неправительственных организаций. Конференция показала, что нельзя рассматривать окружающую среду и социально-экономическое развитие как изолированные области. На Конференции была принята Декларация, которая содержит основополагающие принципы политики и решений государств в области связи социально-экономического развития и состояния окружающей среды. 1 апреля 1996 г. Президентом Российской Федерации Б. Н. Ельциным подписан Указ «О концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию». Декларация Рио по окружающей среде и развитию ♦ Люди имеют право на здоровую жизнь в гармонии с природой. ♦ Сегодняшнее развитие не должно осуществляться во вред интересам развития и охране окружающей среды на благо нынешнего и будущего поколений. 336 ♦ Государства имеют суверенное право разрабатывать свои собственные ресурсы, но без ущерба окружающей среде за пределами их границ. ♦ Государства должны разработать международное законодательство о компенсации за ущерб, который наносит деятельность, осуществляемая под их контролем за пределами их территории. ♦ Государства должны применять принцип принятия мер предосторожности для охраны окружающей среды. В тех случаях, когда существует угроза серьезного и необратимого ущерба, отсутствие научной определенности не используется в качестве причины для отсрочки принятия экономически эффективных мер по предупреждению ухудшения состояния окружающей среды. ♦ Для достижения устойчивого развития защита окружающей среды должна составлять неотъемлемую часть процесса развития и не может рассматриваться-в отрыве от него. ♦ Искоренение нищеты и неравенства в уровне жизни необходимо для обеспечения устойчивого роста и удовлетворения потребностей большинства населения. ♦ Государства сотрудничают в целях охраны, зашиты и восстановления целостности экосистемы Земли. Развитые страны признают ответственность, которую они несут в контексте международных усилий по обеспечению устойчивого развития с учетом стресса, который создают их обшества для глобальной окру-жаюшей среды, технологий и финансовых ресурсов, которыми они обладают. ♦ Государства должны ограничить и ликвидировать нежизнеспособные модели производства и потребления и поощрять соответствующую демографическую политику. ♦ Экологические вопросы решаются наиболее эффективным образом при участии всех заинтересованных граждан. Государства развивают и поощряют информированность и участие населения путем предоставления щирокого доступа к экологической информации. ♦ Государства принимают эффективные законы по окружающей среде, разрабатывают национальные законы, касающиеся 22 Заказ 451 337 ответственности и компенсации жертвам загрязнения и другого экологического ущерба. В пределах своей юрисдикции государства оценивают экологию предполагаемых действий, которые могут иметь значительные отрицательные последствия. ♦ Государства должны сотрудничать в деле создания открытой международной экономической системы, которая приведет к экономическому росту и устойчивому развитию во всех странах. Экологическая политика не должна использоваться для неоправданного ограничения международной торговли. ♦ В принципе, тот, кто загрязняет окружающую среду, должен нести и финансовую ответственность за это загрязнение. ♦ Государства уведомляют друг друга о стихийных бедствиях или деятельности, которые могут иметь вредные трансграничные последствия. ♦ Устойчивое развитие требует более глубокого научного понимания проблем. Государствам следует делиться знаниями и новыми технологиями для достижения целей устойчивости. ♦ Для достижения устойчивого развития необходимо всестороннее участие женщин. Необходимы также творческие силы, идеалы и мужество молодежи и знания коренного населения. Государства должны признавать и поддерживать самобытность, культуру и интересы коренного населения. ♦ Война неизбежно оказывает разрушительное воздействие на процесс устойчивого развития. Поэтому государства должны уважать международное право, обеспечивающее защиту окружающей среды во время вооруженных конфликтов, и должны сотрудничать в деле его дальней-щего развития. ♦ Мир, развитие и охрана окружающей среды взаимосвязаны и неразделимы. 338 Приложение №5 Работа «Научная мысль как планетное явление» была написана в 1937-1938 г.г. И по существу эта книга - введение в учение о ноосфере. В предисловии к изданию книги 1991 г. академик А. Л. Яншин написал: ' «Научная мысль как планетное явление» - это вершина творчества В. И. Вернадского, грандиозный по замыслу итог его раздумий о судьбах научного познания, о взаимоотношении науки и философии, о будущем человечества». НЕСКОЛЬКО СЛОВ о НООСФЕРЕ_______________________________ Фрагменты из статьи В. И. Вернадского, 1944 г. * * * ...С точки зрения натуралиста (я думаю, и историка) можно и должно рассматривать исторические явления такой мощности как единый большой земной геологический, а не только исторический процесс. _ * * * ...Подходя геохимически и биогеохимически к изучению геологических явлений, мы охватываем всю окружающую нас природу в одном и том же атомном аспекте. Это как раз - бессознательно для меня - совпадало с тем, что, как оказалось теперь, характеризует науку XX в. и отличает ее от прошлых веков. XX век есть век научного атомизма. Все эти годы, где бы я ни был, я был охвачен мыслью о геохимических и биогеохимических проявлениях в окружаюшей меня природе (в биосфере). * ii! * ...В связи со всем этим в явления жизни я ввел вместо понятия «жизнь» понятие «живого вещества», сейчас, мне кажется, прочно утвердившегося в науке. «Живое вещество» есть совокупность живых организмов. Это не что иное, как научное, эм- 22* ' 339 пирическое обобщение всех известных и легко и точно наблюдаемых бесчисленных эмпирически бесспорных фактов. Понятие «жизнь» всегда выходит за пределы понятия «живое вещество» в области философии, фольклора, религии, художественного творчества. Это все отпало в «живом веществе». В гуще, в интенсивности и сложности, современной жизни человек практически забывает, что он сам и все человечество, от которого он не может быть отделен, неразрывно связаны с биосферой - с определенной частью планеты, на которой они живут. Они - геологически закономерно связаны с ее материальноэнергетической структурой. В общежитии обычно говорят о человеке как о свободно живущем и передвигающемся на нащей планете индивидууме, который свободно строит свою историю. До сих пор историки, вообще ученые гуманитарных наук, а в известной мере и биологи, сознательно не считаются с законами природы биосферы - той земной оболочки, где может только существовать жизнь. Стихийно человек от нее неотделим. И эта неразрывность только теперь начинает перед нами точно выясняться. В действительности, ни один живой организм в свободном состоянии на Земле не находится. Все эти организмы неразрывно и непрерывно связаны - прежде всего питанием и дыханием - с окружающей их материально-энергетической средой. Вне ее в природных условиях они существовать не могут. * * * ...Человечество, как живое вещество, неразрывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки земли - с ее биосферой. Он не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту. * * * ...В нащем столетии биосфера получает совершенно новое понимание. Она выявляется как планетное явление космического характера. 340 Л Л Л ...Живое вещество по весу составляет ничтожную часть планеты. По-видимому, это наблюдается в течение всего геологического времени, т. е. геологически вечно. * * * ...В ходе геологического времени оно закономерно изменяется морфологически. История живого вещества в ходе времени выражается в медленном изменении форм жизни, форм живых организмов, генетически между собой непрерывно связанных, от одного поколения к другому без перерыва. * * ...Эволюционный процесс присущ только живому веществу. В косном веществе нащей планеты нет его проявлений. Те же самые минералы и горные породы образовывались в криптозой-ской эре, какие образуются и теперь. Исключением являются биокосные природные тела, всегда связанные так или иначе с живым веществом. Изменение морфологического строения живого вещества, наблюдаемое в процессе эволюции, в ходе геологического времени, неизбежно приводит к изменению его химического состава. Этот вопрос сейчас требует экспериментальной проверки. * * * ...В XX в., впервые в истории Земли, человек узнал и охватил всю биосферу, закончил географическую карту планеты Земля, расселился по всей ее поверхности. Человечество своей жизнью стало единым целым. Нет ни одного клочка Земли, где бы человек не мог прожить, если бы это было нужно. * * * ...В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление. ...Геологический эволюционный процесс отвечает биологическому единству и равенству всех людей - Homo sapiens и его геологических предков Sinanthropus и др., потомство которых для белых, красных, желтых и черных рас - любым образом среди них всех - развивается безостановочно в бесчисленных поколе. 341 ниях. Это - закон природы. Все расы между собой скрещиваются и дают плодовитое потомство. Исторический процесс на наших глазах коренным образом меняется. Впервые в истории человечества интересы народных масс - всех и каждого - и свободной мысли личности определяют жизнь человечества, являются мерилом его представлений о справедливости. Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть «ноосфера». ...Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед ним открываются все более и болеС''^широкие творческие возможности. И, может быть, поколение моей внучки уже приблизится к их расцвету. Здесь перед нами встала новая загадка. Мысль не есть форма энергии. Как же может она изменять материальные процессы? Вопрос этот до сих пор научно не разрешен. * =(: * ...Лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно. Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все ее природные воды. В результате роста человеческой культуры в XX в. все более резко стали меняться (химически и биологически) прибрежные моря и части океана. Человек должен теперь принимать все большие и большие меры к тому, чтобы сохранить для будущих поколений никому не принадлежащие морские богатства. Сверх того человеком создаются новые виды и расы животных и растений. , 342 * Л * в будущем нам рисуются как возможные сказочные мечтания: человек стремится выйти за пределы своей планеты в космическое пространство. И, вероятно, выйдет. В настоящее время мы не можем не считаться с тем, что в переживаемой нами великой исторической трагедии мы пощли по правильному пути, который отвечает ноосфере. * * * ...Ноосфера - последнее из многих состояний эволюции биосферы в геологической истории - состояние нащих дней. Ход этого процесса только начинает нам выясняться из изучения ее геологического прощлого в некоторых своих аспектах. * * * ...Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное изменение биосферы. Мы входим в ноосферу. Мы вступаем в нее - в новый стихийный геологический процесс - в грозное время, в эпоху разрущительной мировой войны. Но важен для нас факт, что идеалы нащей демократии идут в унисон со стихийным геологическим процессом, с законами природы, отвечают ноосфере. Можно смотреть поэтому на будущее уверенно. Оно в наших руках. Мы его не выпустим. 343 ЛИТЕРАТУРА 1. Агесс П. Ключи к экологии. - Гидрометеоиздат, 1982. 2. Бродский А. К. Краткий курс общей экологии. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 1992. Будыко М. И. Глобальная экология. - М., 1977. Войткевич Г. В., Вронский В. А. Основы учения о биосфере. - М.: Просвещение, 1989. Встреча на высщем уровне «Планета Земля». Программа действий (Повестка дня на XXI век и другие документы конференции в Рио-де-Жанейро в популярном изложении). Сост. Майкл Китинг. - Женева; Центр «За наше общее будущее», 1993. Гиляров А. М. Популяционная экология. - М., 1990. Дажо Р. Основы экологии. - М., 1975. Даринский А. В. География Санкт-Петербурга (природа, население, экономика, районы города). - СПб.: СПбГУПМ, 1993. Дедю И. И. Экологический энциклопедический словарь. - Кишинев, 1990. 10. Жекулин В. С. Введение в географию: Учебное пособие. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 11. Зверев И. Д. Социальная экология. - М., 1996. 12. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. -Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 13. Кондрашев К. Я., Данилов-Данильян В. И., Донченко В. К., Лосев К. С. Экология и политика. - СПб.: 1993. 14. Лавров С. Б. Глобальные проблемы современности. - СПб.: УПМ, 1994,(1 ч.), 1995 (II ч.). 15. Лавров С., Сдасюк Г. Этот контрастный мир. - М.: Мысль, 1985. 16. Лапо А. В. Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого. -М.: Знание, 1987. 17. Маркович Д. Ж. Социальная экология. - М.: Просвещение, 1991. 18. Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. Под ред. Ягодина Г. А. -М.: Прогресс-Пангея (в 2-х томах), 1994. 19. Моисеев Н. Н. Человек. Среда. Общество. - М.: Наука, 1982. 20. Моисеев Н. Н. Человек и ноосфера. - М.: Молодая гвардия, 1990. 21. Небел Б. Наука об окружающей среде. - М.: Мир, 1993. 22. Новиков Ю. В. Природа и человек. - М.: Просвещение, 1991. 23. Одум Ю. Основы экологии. - М., 1975. 344 24. Основы геоэкологии: Учебник. Под ред. В. Г. Морачевского. -СПб.: Изд-во СПбГУ, 1994.' 25. Петров К. М. Геоэкология. Основы природопользования. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 1994. 26. Пономарева И. Н. Общая экология (книга для учителя). - Пермь, 1994. 27. Пономарева И. Н. Экология растений с основами биогеоценологии. - М., 1978. 28. Рамад Ф. Основы прикладной экологии. - Л., 1981. 29. Реймерс Н. Ф. Природопользование: Словарь-справочник. - М., 1990. 30. Риклефс Р. Основы общей экологии. - М., 1979. 31. Скурлатов Ю. И., Дука Г. Г, Мизити А. Введение в экологическую химию. - М.: Высщая щкола, 1994. 32. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология. - М.: Высщая щкола, 1988. 33. Суравегина И. Т., Сенкевич В. М. Экология и мир: Методическое пособие для учителя. - М., 1994. 34. Суравегина И. Т., Сенкевич В. М. Как учить экологии: Кн. для учителя. - М.: Просвещение, 1995. 35. Фарб. П. Популярная экология. - М.: Мир, 1971. 36. Федоров Р. Д., Гильманов Т. Г. Экология. - М.: Изд-во МГУ, 1980. 37. Чернова Н. М., Былова А. М. Экология. - М.: Просвещение, 1988. 38. Экологические императивы устойчивого развития России. Серия «Россия накануне XXI века». Вып.5. - СПб.: ТООТК «Петрополис», 1996. 39. Экологические очерки о природе и человеке. Под ред. Б. Гржимека. - М., 1988. СОДЕРЖАНИЕ Softototi (jfu/l! Введение Что изучает современная экология 7 Раздел I. Классическая экология Глава 1. Экология организмов (аутэкология) § 1. Предмет аутэкологаи 16 § 2. Уровни организации живых систем 21 § 3. Классификация экологических факторов 23 § 4. Влияние абиотических факторов на живые организмы 29 § 5. Важнейшие абиотические факторы и адаптация к ним живых организмов 34 Практическая работа №1. Изучение приспособленности живых организмов к экологическим факторам среды обитания 46 Практическая работа №2. Выявление полиморфизма особей в популяции растений 46 § 6. Основные среды жизни 47 § 7. Водная среда 48 Практическая работа №3. Оценка экологического состояния водных объектов 56 § 8. Наземно-воздушная среда 57 Практическая работа №4. Оценка экологического состояния воздушной среды 60 § 9. Почва как среда жизни 61 Практическая работа №5. Оценка экологического состояния почвы 66 § 10. Живые организмы как среда жизни 67 §11. Биологические ритмы 71 § 12. Фотопериодизм 74 346 5 Глава 2. Экология популяций (демэкология) § ]. Понятие популяции 79 § 2. Основные характеристики популяции 81 Практическая задание №6. Методы оценки размеров популяций 88 § 3. Биотические факторы 90 Практическая работа №7. Изучение внутривидовой конкуренции за пищевые ресурсы 99 § 4. Принцип конкурентного исключения 100 § 5. Динамика численности популяций 102 § 6. Значение биотических взаимоотношений в регуляции численности видов 105 § 7. Опыты Г. Ф. Гаузе 108 Глава 3. Экология сообществ (синэкология) § 1. Концепция экосистемы ПО § 2. Классификация живых организмов по способу питания и механизму превращения энергии 116 § 3. Естественные и искусственные экосистемы 119 § 4. Гомеостаз экосистемы 124 § 5. Динамика экосистемы 125 § 6. Экологические сукцессии 128 Практическая работа №8. Изучение сукцессии простейших в водных культурах 132 § 7. Пограничный (краевой) эффект 133 § 8. Энергетика экосистемы 134 § 9. Пищевые цепи, пищевые сети и трофические уровни 136 § 10. Продуктивность экосистемы 139 §11. Концентрирование вредных веществ в пищевых цепях 143 § 12. Трофическая структура экосистемы 144 § 13. Проблема стабильности экосистем 147 Глава 4. Концепция биосферы § 1. Биосфера как глобальная экосистема 151 347 § 2. Биосфера и ее границы 155 § 3. Основные свойства и функции живого вещества 158 § 4. Энергетика биосферы 161 § 5. Биосфера и ноосфера 162 § 6. Гипотеза Геи 165 § 7. Круговорот и биогеохимические циклы веществ - 168 § 8. Круговорот азота 172 § 9. Круговорот углерода 174 Практическая работа №9. Изучение роли различных видов живых организмов в круговороте веществ § 10. Круговорот фосфора 176 §11. Круговорот серы 178 Вопросы и задания для повторения, обобщения и систематизации знаний 180 Тестовый контроль 185 Раздел II. Основные научные направления современной экологии Глава 5. Глобальная экология § 1. Что изучает глобальная экология? 190 § 2. Глобальные антропогенные кризисы Земли 192 § 3. Проблема разрущения озонового слоя 195 § 4. Проблема «парникового эффекта» 203 § 5. Проблема кислотных дождей 210 § 6. Взаимодействия в системе «Биосфера-Солнце» 217 § 7. Моделирование и прогнозирование в экологии 219 § 8. Концепция устойчивого развития 222 § 9. Проблема сохранения биологического разнообразия 233 Практическая работа №10. Изучение и моделирование глобальных экологических проблем 238 348 Вопросы и задания для повторения, обобщения и сис- тематизации знании Тестовый контроль 238 239 Глава' 6. Социальная экология § 1. Что изучает социальная экология 243 § 2. История экологаческих связей человечества 245 § 3. Воздействие человека на окружающую среду 252 § 4. Загрязнение окружающей среды 254 § 5. Что такое смог? 261 6. Проблема диоксинов 263 7. Антропогенное воздействие на растительный мир 266 8. Антропогенное воздействие на животный мир 270 9. Охраняемые природные территории и объекты 273 § 10. Экология и экономика 278 §11. Экология и война 284 § 12. Понятие экологической безопасности 287 § 13. Природа, искусство, нравственность 290 Практическая работа №11. Проведение социологических опросов по проблемам окружающей среды 298 Вопросы и задания для повторения, обобщения и систематизации знаний 298 Тестовый контроль 300 Заключение 302 Приложения Календарь событий в области экологии 305 Словарь экологических терминов 321 Научная мысль как планетное явление (отрывки из книги В. И. Вернадского) 333 Декларация Конференции Организации Объединенных Наций по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) 336 Несколько слов о ноосфере (отрывки из статьи В. И. Вернадского) 339 Литература 344 349 АЛЕКСЕЕВ Сергей Владимирович ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие для 9 класса средней школы На форзаце приведена геохронологическая таблица (по А. В. Лапо) Издание осуществлено при участии фирмы «КИС» в подготовке данного издание принимали участие: Лютиков А. Г., Морозов А. В., Морозова И. С., Соловьева Н. Д. Редактор Горохова Б. С. Художники Березкин Н. А., Флегонтов Д. Ю. Фотографии Харитонов А. И. Издательская лицензия ЛР № 064946 от 28 января 1997 г. Подписано в печать 15 июля 1997 г. Формат 60x90 Vie, Уч.-изд. л. 15,5 + вкл. Печать офсетная. Бумага офсетная. Тираж 10 000. Заказ 451 Издательство «СМИО Пресс» 196348, г. Санкт-Петербург, пр. Стачек 170 Отпечатано с готового оригинал-макета в ОАО ПП-3 191104, Санкт-Петербург, Литейный пр., 55 с. в. Алексеев эколотя Экологическое образование — одно из важнейших звеньев в цепочке, соединяющей тысячелетия; на его основе происходит становление Человека XXI века, гражданина Земли. В центре внимания книги — сам феномен Жизни на Земле, взаимодействие живых систем с окружающей средой. Главной мыслью учебного пособия является идея устойчивого развития, "коэволюция природы и общества" (по Н.Н. Моисееву). Впервые в учебном пособии представлены различные точки зрения ведущих ученых на конкретные экологические проблемы. Системный подход в изложении материала позволяет рассмотреть глобальные проблемы современности с точки зрения экологии. Содержание учебного пособия ориентировано на проекты государственного образовательного стандарта. Книга предназначена для учащихся основной школы, педагогов дополнительного образования и всех интересующихся проблемами экологии. смио ПРЕСС ' г" ' »s.