Ekologia

На основе работ В.И. Вернадского и других исследовате­лей, внесших большой вклад в изучение биосферы планеты, предлагается различать три основные ее формы.

1. Формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и т.д., принятые в ботанике и зоологии.

2. Биогеографические формы - территории, характеризу­ющие географическое распространение и распределение рас­тений и животных, специфику флоры и фауны. Это биогео­графические зоны, области и т.д. Отдельно выделяются ботанико-географические и зоогеографические территории, дающие представление о составе и характере флоры и фауны.

3. Экологические формы, известные под названиями эко­систем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др.

33-БИЛЕТ. ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ. РОЛЬ в ФОРМИРОВАНИИ БИОСФЕРЫ

Живое вещество планеты. Функции живого вещества

Учение о живом веществе является одним из центральных звеньев концепции биосферы. Исследуя процессы миграции ато­мов в биосфере, В.И. Вернадский подошел к вопросу о генезисе (происхождении, возникновении) химических элементов в зем­ной коре, а после этого и к необходимости объяснить устойчи­вость соединений, из которых состоят организмы. Анализируя проблему миграции атомов, он пришел к выводу, что «нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества». «Под именем живого вещества, - писал Вернадский в 1919 г., - я буду подразумевать всю совокупность всех организ­мов, растительности и животных, в том числе и человека. С геохи­мической точки зрения, эта совокупность организмов имеет зна­чение только той массой вещества, которая ее составляет, ее хи­мическим составом и связанной с ней энергией. Очевидно, толь­ко с этой точки зрения, имеет значение живое вещество и для поч­вы, так как, поскольку мы имеем дело с химией почв, мы имеем дело с частным проявлением общих геохимических процессов».

Тогда же ученый впервые высказал мысль о совместном нахождении химических элементов в живом веществе, кото­рое определяется биологическими свойствами организмов, а не химическими свойствами элементов. К основным таким элементам Вернадский относил С, О, Н, N, S, Р, С1, К, Mg, Ca, Na, Fe, к которым обычно присоединяют еще Si, Mn, F, J, Со, В, Ва, Sr, Pb, Zn, Ag, Br, V и т. д. В живом организме всегда со­держится не менее 20 - 25 химических элементов, эти элемен­ты оказываются вместе после гибели живого в исключительно малых объемах, высоких концентрациях и в соотношениях, которые определяет жизнь.

Итак, живое вещество биосферы - это совокупность всех ее живых организмов. Главное предназначение живого вещества и его неотъемлемый атрибут - накопление свободной энергии в биосфере. Обычная биогеохимическая энер­гия живого вещества производится прежде всего путем раз­множения.

Научные идеи В.И. Вернадского о живом веществе, о кос-мичности жизни, о биосфере и переходе ее в новое качество -ноосферу - своими корнями уходят в XIX - начало XX в., ког­да философы и естествоиспытатели предприняли первые по­пытки осмыслить роль и задачи человека в общей эволюции Земли. Именно их усилиями человек начал свое продвижение к вершинам естественной эволюции живого, постепенно зани­мая экологическую нишу, отведенную ему природой.

В 30-е гг. XX в. В.И. Вернадский из общей массы живого вещества выделяет человечество как его особую часть. Такое обособление человека от всего живого стало возможным по трем причинам.

Во-первых, человечество является не производителем, а потребителем биогеохимической энергии. Такой тезис требо­вал пересмотра геохимических функций живого вещества в биосфере.

Во-вторых, масса человечества, исходя из данных демогра­фии, не является постоянным количеством живого вещества.

В-третьих, его геохимические функции характеризуются не массой, а производственной деятельностью. Характер усво­ения человечеством биогеохимической энергии определяется разумом человека. С одной стороны, человек - это кульмина­ция бессознательной эволюции, «продукт» спонтанной дея­тельности природы, а с другой - зачинатель нового, разумно направленного этапа самой эволюции.

Какие же характерные особенности присущи живому ве­ществу? Прежде всего, это огромная свободная энергия. В процессе эволюции видов биогенная миграция атомов, т.е. энергия живого вещества биосферы, увеличилась во много раз и продолжает расти, ибо живое вещество перерабатывает энергию солнечных излучений, атомную энергию радиоактив­ного распада и космическую энергию рассеянных элементов, приходящих из нашей Галактики. Живому веществу присуща также высокая скорость протекания химических реакций по сравнению с веществом неживым, где похожие процессы идут в тысячи и миллионы раз медленнее. Например, некото­рые гусеницы в сутки могут переработать пищи в 200 раз больше, чем весят сами, а одна синица за день съедает столько гусениц, сколько весит сама.

Для живого вещества характерно то, что слагающие его хи­мические соединения, главнейшими из которых являются белки, устойчивы только в живых организмах. После завер­шения процесса жизнедеятельности исходные живые органи­ческие вещества разлагаются до химических составных частей.

Живое вещество существует на планете в форме не­прерывного чередования поколений, благодаря чему вновь образовавшееся генетически связано с живым веществом прошлых эпох. Это - главная структурная единица биосферы, определяющая все другие процессы поверхности земной ко­ры. Для живого вещества характерно наличие эволюционного процесса. Генетическая информация любого организма за­шифрована в каждой его клетке. При этом клеткам изначаль­но предначертано быть самими собой, за исключением яйце­клетки, из которой развивается целый организм.

В.И.Вернадский отмечал, что живые организмы планеты -это наиболее постоянно действующая и могущественная по своим конечным последствиям химическая сила. Он указы­вал, что живое вещество неотделимо от биосферы, является ее функцией и одновременно «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Круговорот отдельных веществ В.И.Вернадский назвал биогеохимическими цикла­ми. Эти циклы обеспечивают важнейшие функции живого ве­щества в целом. Ученый выделил пять таких функций.

Газовая функция. Осуществляется зелеными растениями, выделяющими кислород в процессе фотосинтеза, а также всеми растениями и животными, выделяющими углекислый газ в ре­зультате дыхания. Происходит также круговорот азота, связан­ного с деятельностью микроорганизмов. В.И.Вернадский пи­сал, что все газы, образующиеся в биосфере, теснейшим обра­зом связаны своим происхождением с живым веществом, всег­да биогенны и изменяются главным образом биогенным путем.

Основные газовые фунции, по В.И.Вернадскому, следующие.

• Кислородно-углекислотная, носителем которой являют­ся хлорофилльные растения. Ими создается подавляющая масса кислорода на планете. Из-за того что ночью фотохими­ческий процесс прекращается, а на смену ему приходит про­ цесс образования углекислоты, эта функция называется кислородно-углекислотной.

• Углекислотная (отдельная от кислородной). В результате жизнедеятельности животных, грибов и бактерий создается биогенная углекислота.

• Озонная и перекисьводородная. В.И.Вернадский считал, что озон и перекись водорода являются продуктами жизни (через кислород, идущий на образование озона и перекиси). Озон, образуясь из биогенного кислорода, защищает биосферу от губительного ультрафиолетового излучения.

• Азотная. В.И.Вернадский полагал, что свободный азот атмосферы создается живым веществом почвы.

• Углеводородная. Биогенные газы - углеводороды - соз­даются живым веществом. Их роль в биосфере очень велика, но мало изучена.

• Водная, проявляющаяся в биогенном круговороте воды. Биогенная роль водной функции проявляется в том, что сос­тояние растительного покрова самым тесным образом связано с влажностью воздуха, содержанием воды в почве и подпочве. Наиболее ярко она выражена в лесах суши, сведение которых ведет к изменению и перестройке всего биогеохимического круговорота воды в биосфере.

• Сероводородная и сульфидная функции. Проявляются в действии окислительно-восстановительной системы. Они иг­рают большую роль во всех почвах, особенно в условиях ще­лочной и нейтральной реакции среды. В присутствии органи­ческого вещества и при недостатке кислорода в почве через цепь химических реакций образуется сероводород, который уходит в атмосферу. Система сульфаты<-»сульфиды сдвигается в сторону сульфидов. При этом развивается процесс десульфирования или десульфации почвенного раствора, грунтовых или глубинных подземных вод. В результате наблюдается постепенное исчезновение из почвы сернокислых солей и подщелачивание раствора. Такие процессы характерны для луго­вых солончаковых почв, торфяных болот, донных отложений застойных водоемов, нолей орошаемого риса.

В период просыхания переувлажненных почв наблюдается снижение доступа кислорода и уровня грунтовых вод. В связи с этим происходит сдвиг окислительно-восстановительной сис­темы в другую сторону, в результате чего развиваются окисли­тельные процессы. В почвах и фунтах образуются соединения серы, окисляемые в дальнейшем до серной кислоты и сульфа­тов. Часть серы из системы утрачивается в виде сероводорода.

Таким образом, образование сероводорода является след­ствием биогенной деятельности животных и бактерий почвы. Превращение органической серы бактериями и животными в конечный продукт - сероводород и восстановление минеральной серы бактериями в процессе десульфирования в сероводо­род - две стадии сероводородной функции живых организмов.

Концентрационная функция. Проявляется в способности живых организмов накапливать в своих телах многие хими­ческие элементы (на первом месте стоит углерод, среди метал­лов - кальций). Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - характерная особенность живого вещества. Например, морские организмы активно накаплива­ют микроэлементы, тяжелые металлы (ртуть, свинец, мы­шьяк), радиоактивные элементы.

В.И.Вернадский различал:

1. концентрационные функции I рода, когда живым веществом из окружающей среды концентрируются те химические элементы, которые содержатся во всех без исключениях орга­низмах (Н, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Fe);

2. концентрационные функции II рода, когда наблюдается накопление химических элементов, которые в живых организ­мах не встречаются или могут встречаться в очень малых ко­личествах. Например, голотурии способны накапливать вана­дий. Дождевые черви могут накапливать цинк, медь, свинец и кадмий в своих тканях. Водоросли рода ламинария накапливают в себе йод.

Окислительно-восстановительная функция. Выража­ется в химических превращениях веществ в процессе жизне­деятельности организмов. В результате этого образуются со­ли, оксиды, новые вещества. С данной функцией связано фор­мирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п.

Биохимическая функция. Определяется как размноже­ние, рост и перемещение в пространстве живого вещества. Все это приводит к круговороту химических элементов в природе, их биогенной миграции.

В.И.Вернадский выделял биохимическую функцию, ко­торая связана с питанием, дыханием и размножением орга­низмов, и II биохимическую функцию, которая связана с раз­рушением тел живых организмов после их смерти. При этом происходит ряд биохимических превращений: живое тело -» биокосное -> косное.

Функция биогеохимической деятельности человека. Связана с биогенной миграцией атомов, многократно усили­вающейся под влиянием хозяйственной деятельности челове­ка и его разума. Человек в ходе хозяйственной деятельности разрабатывает и использует для своих нужд большое количес­тво веществ земной коры, в том числе таких, как уголь, газ,нефть, торф, сланцы, многие руды. Одновременно происходит антропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ в количествах, превышающих допустимое значение. Это при­вело к кризисному противостоянию человека и природы. Главной причиной надвигающегося экологического кризиса считается технократическая концепция, рассматривающая биосферу, с одной стороны, как источник физических ресур сов, с другой - как сточную трубу для удаления отходов.

41-билет. Загрязнение. Виды загрязнений.

Появление в природной среде новых компонентов, вызванное деятельностью человека или какими-либо грандиозными природными явлениями (например, вулканической деятельностью), характеризуют термином загрязненность.

В общем виде загрязненность - это наличие в окружающей среде вредных веществ, нарушающих функционирование экологических систем или их отдельных элементов и снижающих качество среды с точки зрения проживания человека или ведения им хозяйственной деятельности.

Экологическое действие загрязняющих агентов может проявляться по-разному; оно может затрагивать либо отдельные организмы (проявляться на организменном уровне, либо популяции, биоценозы, экосистемы и даже биосферу в целом.

• На организменном уровне может происходить нарушение отдельных физиологические функций организмов, изменение их поведения, снижение темпов роста и развития, снижение устойчивости к воздействиям иных неблагоприятных факторов внешней среды.

• На уровне популяций загрязнение может вызывать изменение их численности и биомассы, рождаемости, смертности, изменения структуры, годовых циклов миграций и ряда других функциональных свойств.

• На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообществ.

Различают природное и антропогенное загрязнения. Природное загрязнение возникает в результате естественных причин - извержения вулканов, землетрясений, катастрофических наводнений и пожаров. Антропогенное загрязнение - результат деятельности человека.

В настоящее время общая мощность источников антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных. Так, природные источники окиси азота выбрасывают 30 млн т азота в год, а антропогенные - 35-50 млн т; двуокиси серы, соответственно, около 30 млн т и более 150 млн т. В результате деятельности человека свинца попадает в биосферу почти в 10 раз больше, чем в процессе природных загрязнений.

Предельно допустимый сброс (ПДС) - это масса загрязняющего вещества, выбрасываемого отдельными источниками за единицу времени, превышение которой приводит к неблагоприятным последствиям в окружающей среде или опасно для здоровья человека.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) понимается как количество вредного вещества в окружающей среде, которое не оказывает отрицательного воздействия на здоровье человека или его потомство при постоянном или временном контакте с ним. В настоящее время при определении ПДК учитывается не только степень влияния загрязнителей на здоровье человека, но и воздействие их на животных, растения, грибы, микроорганизмы, а также на природное сообщество в целом.

Специальные службы мониторинга (наблюдения) окружающей среды осуществляют контроль за соблюдением установленных нормативов ПДС и ПДК вредных веществ.

Кроме загрязнения среды, антропогенное воздействие выражается в истощении природных ресурсов биосферы. Огромные масштабы использования природных ресурсов привели к значительному изменению ландшафтов в некоторых регионах (например, в угольных бассейнах). Если на заре цивилизации человек использовал для своих нужд всего около 20 химических элементов, в начале XX втекало 60, то сейчас более 100 - почти всю таблицу Менделеева. Ежегодно добывается (извлекается из геосферы) около 100 млрд т руды, топлива, минеральных удобрений.

Быстрый рост потребностей в топливе, металлах, минеральном сырье и их добыче привели к истощению этих ресурсов. Так, по оценкам специалистов, при сохранении современных темпов добычи и потребления разведанные запасы нефти будут исчерпаны уже через 30 лет, газа - через 50 лет, угля - через 200. Аналогичная ситуация сложилась не только с энергетическими ресурсами, но и с металлами (истощение запасов алюминия ожидается через 5О0-6ОО лет, железа - 250 лет, цинка - 25 лет, свинца - 20 лет) и минеральными ресурсами, как, например, асбест, слюда, графит, сера.

42-билет.ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ

• “Парниковый эффект” . По новейшим данным ученых, за 80-е гг. средняя температура воздуха в северном полушарии повысилась по сравнению с концом XIX в. на 0,5-0,6 "С. По прогнозам, к началу 2000 г. средняя температура на планете может повыситься на 1,2 "С по сравнению с доиндустриальной эпохой. Ученые связывают такое повышение температуры в первую очередь с увеличением содержания углекислого газа (диоксида углерода) и аэрозолей в атмосфере. Это приводит к чрезмерному поглощению воздухом теплового излучения Земли. Очевидно, определенную роль в создании так называемого “парникового эффекта” играет и тепло, выделяющееся от ТЭЦ и АЭС.

Потепление климата может привести .к интенсивному таянию ледников и повышению уровня Мирового океана. Изменения, которые могут произойти вследствие этого, просто трудно предсказать.

Решить данную проблему было бы можно, сократив выбросы углекислого газа в атмосферу и установив равновесие в цикле круговорота углерода.

• Истощение озонового слоя. В последние годы ученые все с большей тревогой отмечают истощение озонового слоя атмосферы, который является защитным экраном от ультрафиолетового излучения. Особенно быстро этот процесс происходит над полюсами планеты, где появились так называемые озоновые дыры. Опасность заключается в том, что ультрафиолетовое излучение губительно для живых организмов.

  Основной причиной истощения озонового слоя является применение людьми хлорфторуглеводородов (фреонов), широко используемых в производстве и быту в качестве хла дореагентов, пенообразователей, растворителей. аэрозолей. Фреоны интенсивно разрушают озон. Сами же они разрушаются очень медленно, в течение 50-200 лет. В 1990 г. в мире производилось более 1300 тыс. т озоноразрушающих веществ.

• Учитывая опасность, нависшую над планетой, международное сообщество сделало первый шаг к решению этой проблемы. Подписано международное соглашение, по которому производство фреонов в мире к 1999 г. должно Массовое сведение лесов - одна из наиболее важных глобальных экологических проблем современности.

Лесные сообщества играют важнейшую роль в нормальном функционировании природных экосистем. Они поглощают атмосферные загрязнения антропогенного происхождения, защищают почву от эрозии, регулируют нормальный сток поверхностных вод, препятствуют снижению уровня грунтовых вод и заиливанию рек, каналов и водохранилищ.

Уменьшение площади лесов нарушает процесс круговорота кислорода и углерода в биосфере.

Несмотря на то что катастрофические последствия сведения лесов уже широко известны, уничтожение их продолжается. В настоящее время общая площадь лесов на планете составляет около 42 млн км2, но она ежегодно уменьшается на 2%. Особенно интенсивно уничтожаются влажные тропические леса в Азии, Африке, Америке и некоторых других регионах мира. Так, в Африке леса занимали раньше около 60% ее территории, а сейчас - всего около 17%. Значительно сократились площади лесов и в нашей стране.

Сведение лесов влечет за собой гибель их богатейших флоры и фауны. Человек обедняет облик своей планеты.

• Отходы производства. Серьезнейшей экологической проблемой стали отходы промышленного и сельскохозяйственного производств. Вы уже знаете, какой вред они наносят окружающей среде. В настоящее время делаются попытки уменьшить количество отходов, загрязняющих окружающую среду. С этой целью разрабатываются и устанавливаются сложнейшие фильтры, строятся дорогостоящие очистные сооружения и отстойники. Но практика показывает, что они хоть и снижают опасность загрязнения, все-таки не решают проблему.

Известно, что даже при самой совершенной очистке, включая биологическую, все растворенные минеральные вещества и до 10% органических загрязняющих веществ остаются в очищенных сточных водах. Воды такого качества могут стать пригодными для потребления только после многократного разбавления чистой водой.

Сельское хозяйство. В сельскохозяйственном производстве важно строго соблюдать правила агротехники и следить за нормами внесения удобрений. Так как химические средства борьбы с вредителями и сорняками приводят к существенным нарушениям экологического равновесия, ведутся поиски путей преодоления этого кризиса в нескольких направлениях.

Ведутся работы по выведению сортов растений, устойчивых к сельскохозяйственным вредителям и болезням: создаются бактериальные и вирусные препараты избирательного действия, поражающие, например, только насекомых -вредителей . Изыскиваются пути и способы биологической борьбы, то есть ведется поиск Гидроэлектростанция и размножение естественных врагов, уничтожающих вредных насекомых. Разрабатываются высокоизбирательные препараты из числа гормонов, антигормонов и других веществ, способных действовать на биохимические системы определенных видов насекомых и не оказывать ощутимого действия на другие виды насекомых или иные организмы.

Производство энергии. Очень сложные экологические проблемы связаны с получением энергии на теплоэлектро-энергетических предприятиях. Потребность в энергии - одна из основных жизненных потребностей человека. Энергия нужна не только для нормальной деятельности современного сложно организованного человеческого общества, но и для простого .физического существования каждого человеческого организма. В настоящее время в основном электроэнергию получают на гидроэлектростанциях, тепловых и атомных станциях.

Ученые разрабатывают новые безопасные способы получения энергии с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Это прежде всего энергия Солнца и ветра, тепло земных недр, тепловая и механическая энергия океана. Во многих странах, в том числе и у нас, уже созданы не только опытные, но и промышленные установки на этих источниках энергии. Они еще сравнительно маломощные. Но многие ученые считают, что за ними большое будущее.

43-билет. Озоновый слой.С начала 20 века ученые наблюдают за состоянием озонового слоя атмосферы.

Сейчас уже все понимают, что стратосферный озон является своего рода

естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы

жесткого космического излучения - ультрафиолета-В.

16 сентября 1987 г. был принят Монреальский протокол по веществам,

разрушающим озоновый слой. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал

отмечаться как День защиты озонового слоя.

С конца 70-х годов ученые стали отмечать неуклонное истощение озонового слоя.

Причиной тому стало проникновение в верхние слои стратосферы озоноразрушающих

веществ (ОРВ), используемых в промышленности, молекулы которых содержат хлор

или бром. Хлорфторуглероды (ХФУ) или другие ОРВ, выпущенные человеком в

атмосферу, достигают стратосферы, где под действием коротковолнового

ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы теряют атом хлора. Агрессивный

хлор начинает разбивать одну за другой молекулы озона, сам при этом не

претерпевая никаких изменений. Срок существования различных ХФУ в атмосфере

от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано, что за это время один атом хлора

способен превратить в кислород 100 000 молекул озона.

По мнению врачей, каждый потерянный процент озона в масштабах планеты

вызывает до 150 тысяч дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6

процента увеличивается количество раковых заболеваний кожи, значительно

возрастает число болезней, вызванных ослаблением иммунной системы человека.

Наибольшему риску подвержены жители северного полушария со светлой кожей. Но

страдают не только люди. УФ-В излучение, к примеру, крайне вредно для

планктона, мальков, креветок, крабов, водорослей, обитающих на поверхности

океана.

Озоновая проблема, первоначально поднятая учеными, вскоре стала предметом

политики.

Все развитые страны, за исключением Восточной Европы и бывшего СССР, к концу

1995 г. в основном завершили поэтапное сокращение производства и потребления

озоноразрушающих веществ. С целью оказания помощи остальным государствам был

создан Глобальный экологический фонд (ГЭФ).

По данным ООН, благодаря согласованным усилиям мирового сообщества,

предпринятым в последнее десятилетие, производство пяти основных видов ХФУ

сократилось более чем вдвое. Темпы прироста озоноразрушающих веществ в

атмосфере уменьшились. Однако на ближайшие годы придется пик истощения

озоносферы, а наиболее сложным будет 1998 год. После этого, полагают ученые,

озоновый слой начнет медленно восстанавливаться.

2. Местоположение и функции озонового слоя.В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхностисоставляет в среднем 10^-6%. Озон образуется в верхних слоях

атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием

солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода.

Озоновый «экран» расположен в стратосфере, на высотах от7-8 км. на полюсах,

17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной

поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 – 24 километров над Землей.

Слой озона удивительно тонок. Если бы этот газ сосредоточить у поверхности

Земли, то он образовал бы пленку лишь в 2-4 мм толщиной (минимум – в районе

экватора, максимум – у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас,

почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь

сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда

не проникает солнечная радиация.

Озон поглощает некоторую часть инфракрасного излучения Земли. Благодаря

этому он задерживает около 20% излучения Земли, повышая отепляющее действие

атмосферы.

Озон – активный газ и может неблагоприятно действовать на человека. Обычно

его концентрация в нижней атмосфере незначительна и он не оказывает вредного

влияния на человека. Большие количества озона образуются в крупных городах с

интенсивным движением автотранспорта в результате фотохимических превращений

выхлопных газов автомашин.

Озон, также, регулирует жесткость космического излучения. Если этот газ хотя

бы частично уничтожается, то, естественно жесткость излучения резко

возрастает, а, следовательно, происходят реальные изменения растительного и

животного мира.

Уже доказано, что отсутствие или малая концентрация озона может или приводит