УМП ЭКОЛОГИЯ

Поток энергии – это … а) один из ведущих абиотических факторов, определяющих

особенности распределения и изменения интенсивности солнечной радиации;

б) экологический фактор, который при определенном наборе условий окружающей среды ограничивает какое-либо проявление жизнедеятельности организма;

в) солнечный свет; г) получение энергии не из ее традиционных источников;

д) переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому).

20. Выберите правильный ответ. Поток вещества – это …

а) перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам;

б) переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому);

в) совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания;

г) сообщества растений и животных, сохранившиеся от исчезнувших, в прошлом широко распространенных флор и фаун;

д) биотическое сообщество, в функционировании которого отсутствует влияние деятельности человека.

21.Выберите правильный ответ.

Гетеротрофы используют кислород следующим образом …

а)	продуцируют;
б)	выделяют;
в)	потребляют;
г)	накапливают;
д)	разлагают на атомарный.

61

2.3 Тема Структура биосферы. Антропогенное воздействие на биосферу

2.3.1 Теоретические аспекты темы

1.Структура биосферы и ее пределы. Распределение живых организмов в биосфере. Вещество биосферы. Функции живого вещества в биосфере. Уровни организации живой материи.

2.Загрязнение окружающей среды. Виды природного и антропогенного загрязнения.

3.Атмосфера, ее состав и структура. Антропогенное воздействие на атмосферу. Стратосферный озон и его роль в защите живых организмов от жесткого ультрафиолетового излучения.

4.Гидросфера, ее состав и структура. Загрязнение водной среды.

5.Литосфера, ее состав и структура. Разрушение почвенного

покрова.

6.Антропогенное воздействие на растительный и животный мир.

7.Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на

природу.

8.Экологические кризисы и экологические катастрофы.

9.Эволюция биосферы. Техносфера. Ноосфера.

1 Структура биосферы и ее пределы. Распределение живых организмов в биосфере. Вещество биосферы. Функции живого вещества в биосфере. Уровни организации живой материи

При описании Земли выделяют геосферы – концентрические оболочки планеты различной плотности и химического состава. В направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу, атмосферу, земную кору, мантию Земли и ядро Земли (таблица 2.4).

Вглубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние.

Влитосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5— 15 км превышает 100 0С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2 – 2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве.

Вокеане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10 – 11 км от поверхности.

62

Таблица 2.4 – Основные характеристики геосфер Земли

Показатели	Атмосфера	Гидросфера	Литосфера	Мантия	Ядро Земли
Глубина	1000 – 3000	Средняя для	Средняя	До 2900	2900 – 6370
(толщина), км	средняя 2000	океана 3,8	около17,
		максимум	континенты в
		11,022	среднем 35 (до
			70), под
			океанами 5 – 7
Объем, 1018м3	1320	1,4	10,2	896,6	175,2
Плотность,	У поверхности	0,99 – 1,03	2,7 – 3,32	3,32 – 5,68	9,43 – 17,20
г/см3	Земли – 10-3, на
	высоте 750 км
	– 10-16
Масса, 1021 г	5,15 – 5,9	1455,8	5 104	405 104	188 104
Процент от	Около 10-6	0,02	0,48	67,2	32,3
общей массы
Земли

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем уфрадиации. На высоте 25 – 30 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь относительно тонкий слой озона — озоновый экран. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами, которые передвигаются в воздухе активным или пассивным способом. 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 около 6 км над уровнем моря.

Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности нашей Земли. Водоемы заселены по всей толще со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 99% живого вещества, или биомассы, сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют биогеосферой, биогеоценотическкм покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».

Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. В состав биосферы, кроме живого вещества (растительного, животного и микроорганизмов), входят

63

биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов – каменный уголь, битумы, нефть), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами – почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества) и, наконец, косное вещество – совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные пород магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения. В связи с этим выделяют разные уровни существования живого вещества – от крупных молекул до растений и животных различных организаций.

1.Молекулярный (генетический) – самый низкий уровень, на котором биологическая 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 при превращении лучистой и химической энергии, передача наследственности с помощью ДНК и РНК. Этому уровню свойственна устойчивость структур в поколениях.

2.Клеточный – уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в единую систему. В отношении клеточной организации все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.

3.Тканевый – уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций.

4.Органный – уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.

5.Организменный – уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. Представлен определенными видами организмов.

6.Популяционно-видовой, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом.

7.Биоценоз и биогеоценоз (экосистема) – более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы.

8.Биосферный – уровень, на котором сформировалась природная система высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов.

64

Различают пять основных функций живого вещества в масштабах планеты Земля: энергетическую, газовую, концентрационную, окислительновосстановительную и деструкционную.

Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосфернопланетарных явлений с излучением Космоса и, прежде всего с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию огромное количество солнечной энергии. При этом существенная часть ее в ходе геологической истории накопилась в связанном виде (залежи угля, нефти и других органических веществ).

Благодаря газовой функции происходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Отметим, что преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Другой, не менее мощный его источник – выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.

Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Благодаря деструкционной функции протекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.

Таким образом, живое вещество трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Живое вещество определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и, в значительной степени, осадочных пород Земли. В. И. Вернадский писал: «Прекращение жизни было бы неизбежно связанно с прекращением химических изменений если не всей земной коры, то, во всяком случае, ее поверхности – лика Земли, биосферы».

65

2 Загрязнение окружающей среды. Виды природного и антропогенного загрязнения

Загрязнение окружающей среды – это любое внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии и информации с непременными последствиями в форме снижения продуктивности или разрушения данной экосистемы.

Разнообразные виды вмешательства человека в естественные процессы

вбиосфере можно сгруппировать по следующим категориям загрязнений:

ингредиентное загрязнение, или внесение химических веществ, которые количественно или качественно чужды естественным биогеоценозам;

параметрическое (физическое) загрязнение, связанное с изменением качественных параметров окружающей среды;

биоценотическое загрязнение, которое заключается в воздействии на состав и структуру популяций живых организмов, населяющих биогеоценоз;

стациально-деструкционное загрязнение (стация — место обитания популяции), изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования, связанном с оптимизацией природы в интересах человека.

Также выделяют следующие виды загрязнения:

а) естественные (природные) – извержения вулканов, пыльные бури, лесные и степные пожары;

б) искусственные (антропогенные) – теплоэнергетика, транспорт, химическая промышленность, металлургия и т.д.

С позиций кибернетики загрязнение можно считать комплексом помех

вэкосистемах, которые воздействуют на потоки энергии и информации в пищевых (энергетических) цепях. Однако в отличие от естественных, антропогенные помехи весьма часто приводят не к отбору наиболее приспособленных особей, а к массовой элиминации (вымиранию) организмов. Это обусловлено специфическими особенностями действий антропогенных факторов, из которых важнейшими являются следующие:

а) нерегулярность действия, а значит, и непредсказуемость для организмов, а также высокая интенсивность изменений, которая превышает адаптационные возможности организмов;

б) неограниченные возможности действия их на организм (вплоть до уничтожения последних), что, конечно, присуще и природным факторам и процессам, но лишь в редких случаях (стихийные бедствия, катаклизмы).

Помимо помех, которые возникают в экосистемах в качестве косвенных последствий тех или иных мероприятий, человек часто создает

направленные помехи в каналах информации между компонентами

66

экосистем. Примером может служить сознательное загрязнение среды ядохимикатами специально для уничтожения хозяйственно вредных насекомых (инсектициды), грибов (фунгициды), сорняков и др. Применение последних есть воздействие на уровень продуцентов, а, следовательно, и на все звенья пищевых цепей, которые связаны именно с уничтожаемыми растениями – сорняками. При этом происходит воздействие на все уровни организации жизни – от биогеоценоза в целом до популяций и отдельных индивидуумов. В подобных случаях ученые указывают на возможность ответных реакций природы и ее компонентов.

3 Атмосфера, ее состав и структура. Антропогенное воздействие на атмосферу. Стратосферный озон и его роль в защите организмов от жесткого ультрафиолетового излучения

Атмосфера (от греч. athmos – пар, sphaira – шар) представляет собой физическую смесь газов различной природы, воздух имеет для всего живущего исключительное значение. Он является той материальной средой, с которой тесно связана жизнедеятельность практически всех организмов. С позиции экологии воздух это не только газовая оболочка планеты, но и газовая компонента почвы, растворенные газы природных вод и тканевых жидкостей организмов. Подобно другим экологическим факторам, воздух, воздействуя физически и химически на земную кору, обусловливает важнейшие геологические процессы, которые протекают на поверхности планеты.

Атмосферный воздух – смесь газов: азота 78,084 %, кислорода 20,95 %, аргона 0,93 %, другие инертные газы 0,01 %, углекислого газа 0,020 – 0,036 %, водяные пары менее 1 %.

В состав атмосферного воздуха входят:

постоянные примеси: азот, кислород, аргон и другие инертные

газы;

переменные примеси: углекислый газ, водяные пары;

случайные примеси: газообразные примеси, образующиеся в процессе жизнедеятельности живых организмов, при разложении органических веществ, при вулканической деятельности и в ходе производственной деятельности человека (жидкие примеси, образование которых связано с производственной деятельностью человека; твердые примеси, образующиеся при выветривании горных пород, почв и при вулканической деятельности).

Слои атмосферы:

1. Тропосфера: верхняя граница находится на высоте 8 – 10 км в полярных, 10 – 12 км в умеренных и 16 – 18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 80 % всего имеющегося в

67

атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом

0,65°/100 м.

2.Стратосфера: слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11

до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11 – 25 км (нижний слой стратосферы) и повышение ее в слое 25 – 40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остается постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. В этом слое сосредоточено около 20% атмосферного воздуха. Максимальная концентрация озона на высоте 25 – 35 км.

3.Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80 – 90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25 – 0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбужденных молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы. В этом слое сосредоточено 0,3 % атмосферного воздуха.

4.Термосфера: верхний предел – около 800 км. Температура растет до высот 200 – 300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остается почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») – основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В термосфере сосредоточено менее 0,05 % атмосферного воздуха.

5.Экзосфера – зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идет утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация). Экзосфера заполнена сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения.

Наиболее опасными источниками загрязнения атмосферы являются антропогенные. Мировое хозяйство ежегодно выбрасывает в атмосферу

более 15 млрд т СО2, 200 млн т СО, более 500 млн т углеводородов, 120 млн т золы, более 160 млн т оксидов серы и 110 млн т оксидов азота и др. Общий объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу составляет, по некоторым данным, более 19 млрд т. Из всей массы загрязняющих веществ 90 % составляют газообразные вещества (оксиды серы, азота, углерода,

68

тяжелых и радиоактивных металлов и др.), 10 % – твердые и жидкие вещества.

Источники загрязнения атмосферы по выбросам могут быть классифицированы:

а) по назначению:

технологические (содержащие хвостовые газы после установок улавливания);

вентиляционные (местные отсосы);

б) по геометрической форме:

точечные (например, труба);

линейные (например, автотранспорт);

площадные (например, наложение границ санитарно-защитных зон предприятий);

в) по режиму работы:

непрерывного действия;

периодического действия;

мгновенные;

залповые.

Классификация загрязняющих веществ (контаминантов): а) по агрегатному состоянию:

твердые (пыли и дымы);

жидкие (туманы);

газообразные (газы и пары);

комбинированные;

б) по степени потенциальной опасности:

основные загрязняющие вещества (диоксид серы, диоксид азота, окись углерода, пылевой аэрозоль);

полициклические ароматические углеводороды (канцерогенные вещества, действующие на организм человека на генном уровне: бенз(а)пирен);

следы «элементов» (тяжелые металлы – концентрация мкг/м3);

постоянные газы (фенолы, метан).

в) по механизму образования:

первичные (образующееся непосредственно в ходе технологического процесса);

вторичные (результат химических превращений):

SO2 h SO2* (активизация молекул до радикалов)

SO2* + O2	SO4*
SO4* + O2	SO3 + O3
SO3 + H2O	H2SO4

Озон – природный газ, присутствующий в атмосфере Земли. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода O3. Озон образуется, когда ультрафиолетовые лучи расщепляют молекулу кислорода O2, высвобождая

69

два атома кислорода O. Каждый из свободных атомов кислорода соединяется с молекулой кислорода, в результате чего получается озон: O + O2 = O3. Возникновение озона уравновешивается его уничтожением атмосферными газами, такими как хлор и бром.

10 % озона находится в тропосфере, между земной поверхностью и высотой от 10 до 16 километров, 90 % – находится в стратосфере, начиная с верхних слоев тропосферы и до высоты 50 километров.

Стратосферный озон – то, что ученые называют озоновым слоем – имеет неодинаковую толщину над Землей. Озоновый слой над Антарктидой наиболее тонок из-за уникальных атмосферных условий, которые способствуют концентрации химических веществ, уничтожающих озон.

Взависимости от местонахождения в атмосфере озон может и помогать жизни на Земле, и наносить ей ущерб. В тропосфере озон выступает главным образом в качестве загрязнителя, входя в состав смога, который вредит дыхательной системе животных и замедляет рост растений. (Количество естественно возникающего озона в тропосфере слишком невелико, чтобы угрожать здоровью человека или окружающей среде. Большая часть вредного озона, входящего в состав смога, образуется при воздействии солнечных лучей на углеводороды и окислы азота – побочные продукты работы автомобилей и электростанций на ископаемом топливе).

Встратосфере озон поглощает часть биологически вредного ультрафиолетового излучения Солнца (излучения УФ-Б), защищая растения

иживотных от целого ряда негативных последствий, таких как рак кожи и катаракта у людей.

Если взять все молекулы озона в атмосфере, опустить их на земную поверхность и равномерно распределить по ней, озоновый слой будет иметь толщину меньше чем в полсантиметра. Тем не менее ученые считают, что жизнь на Земле, вероятно, не могла бы возникнуть и существовать, не будь защитного озонового слоя в стратосфере. Его истощение антропогенными газами вызывало особую тревогу у ученых, принимая во внимание критическое значение озона для жизни на Земле.

Наибольший ущерб стратосферному озону наносят хлор- и бромсодержащие газы. В 1974 году Марио Молина и Шервуд Роуленд обнаружили, что одними из самых разрушительных хлорных газов являются хлорфторуглероды (ХФУ) – синтетические вещества, используемые в качестве пропеллентов в аэрозолях и хладагентов в холодильниках и кондиционерах. В 1985 году Джозеф Фарман и его коллеги обнаружили резкое истощение озонового слоя над Антарктикой – озоновую дыру, возникшую в результате реакции озона с хлором и бромом, содержащимися в ХФУ и других антропогенных газах.

ХФУ были разработаны в 1930-х годах и использовались в промышленных, коммерческих и бытовых целях, поскольку они нетоксичны, негорючи и не вступают в реакцию с другими химическими соединениями вблизи земной поверхности.

70