Экология: конспект лекции
Слово «экология» стало сейчас широко известным и общеупотребительным. В начале ХХ века его знали только ученые-биологи. Во второй половине XX века, когда разразился глобальный кризис, возникло экологическое движение, принимавшее все более широкий размах. Предмет «экология» стал вводиться в среднюю и высшую школу для студентов естественников и гуманитариев. На рубеже III тысячелетия это понятие достигло высшего политического уровня, и экологический императив стал влиять на развитие материального производства и духовной культуры.
В буквальном смысле слово «экология» означает «наука о доме» (от греч. «ойкос» – жилище, местообитание). Термин «экология» предложил немецкий зоолог Э. Геккель в XIX веке, но как наука экология возникла в начале ХХ века, а в широкий обиход это слово вошло в 60-х годах, когда стали говорить об экологическом кризисе как кризисе во взаимоотношениях человека со средой его обитания.
Как часть биологического цикла, экология – наука о местообитании живых существ, их взаимоотношении с окружающей средой,
можно также сказать
— наука об основах рационального природопользования и охраны окружающей среды.
Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней, вплоть до глобального, т. е. до биосферы в целом.
Необходимо отметить огромное влияние химических процессов на организацию и функционирование различных систем. Поэтому можно говорить об экологической химии — науке об общих химических процессах и взаимодействиях в окружающей среде (экосфере) и последствиях таких взаимодействий
.
Мысль о том, что техническая мощь человечества по своим масштабам сопоставима с естественными геологическими процессами и меняет весь лик Земли, ее природу, была четко высказана еще в конце XIX в. российским философом и натуралистом В.И.Вернадским. Он ввел в широкий научный обиход термин «биосфера», понимая под ним не только «живое вещество», но и всю среду, где это вещество находится, предсказал пути развития биосферы.
Человечество неуклонно растет численно, увеличивает добычу и переработку ископаемого сырья, и превратилось в основного нарушителя природных равновесий. Однако до определенного времени природе удавалось залечивать свои раны, включать выбрасываемые промышленные отходы в естественные циклы, уничтожать эти отходы.
С середины ХХ века ученые наиболее развитых стран мира, где нарушения биосферы стали особенно заметны, начали выступать против тогдашних тенденций развития технического прогресса. Стали появляться пугающие работы, где обосновывались «пределы роста» промышленности и сельского хозяйства. Примерно с этого времени различным разделам экологии стало уделяться все большее внимание, экологические проблемы стали решаться на государственном, а некоторые – и на международном уровне. Поэтому все острее встает необходимость говорить о влиянии и регулировании жизнедеятельности человечества на биосферу. И этому помогает развитие такой науки как химическая экология.
Химическая экология — раздел экологии, изучающий последствия прямого и побочного воздействия на окружающую среду химических веществ и возможные пути уменьшения их отрицательного влияния.
Т.е. химическая экология – изучает разнообразные химические процессы в окружающей среде, естественные кругообороты веществ и влияние на них деятельности человека, химические методы и средства защиты окружающей среды.
Правда, у этого термина есть и другие значения: в англоязычной литературе под химической экологией понимают изучение химических взаимодействий между видами в экосистеме (en: Chemical ecology), в русскоязычной литературе это называют экологической химией.
Роль химической экологии в общей системе экологических знаний и природоохранной деятельности весьма велика по нескольким причинам.
Во-первых
, среди факторов, нарушающих природные равновесия, химические вещества различного происхождения (чаще всего антропогенного) имеют первостепенное значение.
Во-вторых
, химические факторы более заметны и легче поддаются анализу, чем, например, изменения биологического или географического характера. Именно они легли в основу многих работ Вернадского.
В-третьих
, химическим методам и средствам (химической технологии) принадлежит ведущая роль в охране окружающей среды.
О масштабах химических изменений говорят такие примеры. Ежегодные выбросы углекислого газа составляют сейчас ~200 млрд т. Эта величина превышает способность Мирового океана к его поглощению (океан поглощает СО2 довольно медленно), что вызывает увеличение концентрации СО2 в атмосфере Земли и постепенное потепление климата на планете. Парниковый эффект, предсказанный учеными, сейчас проявляется весьма наглядно.
Широкое применение фреонов (хладонов) – простейших хлорфторуглеводородов (пропелленты для аэрозолей, холодильные жидкости) – привело к появлению «озоновых дыр», т. е. к утончению озонового слоя атмосферы, и повышению риска получить заболевания кожи. И таких примеров множество.
Основные понятия экологии: популяция
, сообщество,
экологическая ниша
(местообитание),
экосистема
. Популяцией (от лат. populus– народ) называется группа организмов, относящихся к одному виду и занимающих определенную область, называемую
ареалом
. Сообществом, или
биоценозом
, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность условий, необходимых для существования популяций, носит название
экологической ниши
. Экологическая ниша определяет положение вида в цепях питания.
Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза
.
Термин «экосистема» был введен английским экологом А. Тэнсли в 1935 году. В 1944 году В. Н. Сукачевым предложен термин «биогеоценоз», а В. И. Вернадский использовал понятие «биокосное тело». Главное значение этих понятий состоит в том, что они подчеркивают обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно-следственных связей, иначе говоря, объединение компонентов в функциональное целое. В качестве примера экосистемы можно привести озеро, лес и т. п.
Всю биосферу можно рассматривать как совокупность экосистем от океана, в котором преобладают мелкие организмы, но плотность биомассы велика, до высокого леса с крупными деревьями, но меньшей общей плотностью биомассы.
Выделяют два подхода к изучению экологической системы: аналитический, когда изучают отдельные части системы, и синтетический, рассматривающий всю систему в целом. Оба подхода дополняют друг друга. В зависимости от характера питания в экосистеме строится пирамида питания, состоящая из нескольких трофических (от греч. «трофе» – питание) уровней. Низший занимают автотрофные
(буквально: самостоятельно питающиеся) организмы, для которых характерны фиксация световой энергии и использование простых неорганических соединений для синтеза сложных органических веществ. К этому уровню относятся, прежде всего, растения. На более высоком уровне располагаются гетеротрофные (буквально: питающиеся другими) организмы, использующие в пищу биомассу растений, для которых характерны утилизация, перестройка и разложение сложных веществ. Затем идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся гетеротрофами первого порядка, т. е. животными. Экологическая пирамида, или пирамида питания, хорошо запоминается со школьных уроков биологии.
В целом в составе экосистемы выделяют три неживых и три живых компонента:
1) неорганические вещества (азот, углекислый газ, вода и др.), включающиеся в природные кругообороты;
2) органические соединения (белки, углеводы и т. д.);
3) климатический режим (температура, свет, влажность и другие физические факторы);
4) продуценты
(автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые создают пищу из простых неорганических веществ);
5) макроконсументы
– гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы;
6) микроконсументы
, или
редуценты
, – гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, «которые разрушают сложные соединения мертвой протоплазмы, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органические вещества, способные служить источниками энергии, ингибиторами или стимуляторами для других биотических компонентов экосистемы».
Взаимодействие автотрофных и гетеротрофных компонентов – один из самых общих признаков экосистемы, хотя часто эти организмы разделены в пространстве, располагаясь в виде ярусов: автотрофный метаболизм наиболее интенсивно протекает в верхнем ярусе – «зеленом поясе», где наиболее доступна световая энергия, а гетеротрофный метаболизм преобладает внизу, в почвах и отложениях, – «коричневом поясе», в котором накапливается органическое вещество.
Экология показала, что живой мир – не простая совокупность существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимодействий. Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой. Интенсивность метаболизма в экосистеме и его относительная стабильность определяются в значительной мере потоком солнечной энергии и перемещением химических веществ.
Отдельные организмы не только приспособлены к физической среде, но и своим совместным действием в рамках экосистемы приспосабливают геохимическую среду к своим биологическим потребностям. Из простых веществ, содержащихся в море, в результате деятельности животных (кораллов и др.) и растений построены целые острова. Состав атмосферы также регулируется организмами.
В создании кислорода атмосферы и органических веществ главную роль играет фотосинтез, который протекает по такой схеме:
углекислый газ + вода + солнечная энергия (в присутствии ферментов, связанных с хлорофиллом) = глюкоза + кислород.
Этот процесс преобразования части солнечной энергии в органическое вещество путем фотосинтеза называют «работой зеленых растений». Таким образом производятся не только углеводы (глюкоза), но и аминокислоты, белки и другие жизненно важные соединения.
Три функции сообщества в целом – продукция, потребление и разложение – тесно связаны друг с другом. Считая микроорганизмы «примитивными», человек не может существовать без микробов. «Разложение, … происходит благодаря энергетическим превращениям в организме и между ними. Этот процесс абсолютно необходим для жизни, так как без него все питательные вещества оказались бы связанными в мертвых телах и никакая новая жизнь не могла бы возникать… Однако гетеротрофное население биосферы состоит из большого числа видов, которые, действуя совместно, производят полное разложение». Наиболее устойчивым продуктом разложения является гумус, необходимый почве для роста растений.
Сбалансированность продуцирования и разложения – основное условие существования всего живого в биосфере. Отставание утилизации вещества, произведенного автотрофами, не только обеспечивает построение биологических структур, но и обусловливает существование кислородной а. В результате увеличивается содержание углекислого газа в атмосфере, который подобно стеклу поглощает инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, создавая так называемый парниковый эффект. Люди оказываются как бы в гигантском парнике со всеми вытекающими отсюда последствиями для глобального климата.
«Среднеглобальная температура атмосферы у поверхности Земли около 15 оС. За последний 1 миллион лет она изменялась в пределах 5 оС похолодания и 2 оС потепления. При изменении среднеглобальной температуры на 10 оС, т. е. в 1,5 раза от современного уровня, скорее всего, будет нацело нарушено действие принципа Ле Шателье–Брауна – биота как бы сама себя «съест», так как процессы обмена веществ, усиливаясь, приведут не к сопротивлению изменениям в окружающей биоту среде, а к быстрой самодеструкции биосферы» (Н. Ф. Реймерс. Надежды на выживание человечества: концептуальная экология. М., 1992, с. 63). Потенциальные опасности данного процесса – таяние полярных льдов и установление тропического климата на всей Земле.
Все это свидетельствует о том, как важно учитывать тонкие механизмы биосферы – «машины», которую надо знать и, по крайней мере, не мешать ее работе.
Экосистемы подобно организмам и популяциям способны к саморегулированию, противостоя изменениям и сохраняя состояние равновесия. Но для того, чтобы эти механизмы нормально функционировали, необходим период эволюционного приспособления к условиям среды, который называется адаптацией. Деятельность же современного человека такова, что изменения происходят быстрее, чем природа способна эволюционировать.
В отличие от энергии, которая, будучи однажды использованной организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества же циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из девяноста с лишним элементов, встречающихся в природе, около сорока нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и возвращается в нее другими бактериями и т.п.
Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего бесполезногоили вредного; даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например азот.
Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии[1]
.
В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Еще большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная, на сегодня, по отношению к биосфере.
На химическом уровне особенно ярко, на уровне исследуемых механизмов, проявляется вклад деятельности человека в природные процессы. На современном этапе развития антрапогенные факторы в круговороте многих веществ, в том числе и токсичных для человека, сопоставимы с природными, а порой и превосходят их.
Важным аспектом воздействия человека на окружающую среду является также появление новых веществ, зачастую также токсичных. В настоящее время известно более 10 млн. искусственных соединений, примерно 120 тыс. находятся в применении и около 10 тыс. производятся в количествах более 500 кг/год. В результате в биосфере циркулирует большое число ксенобиотиков
с высокой токсичностью, а порой — и супертоксиканты (для них ПДК не имеет смысла — они опасны при любой концентрации). Кроме того, превращение химических соединений в окружающей среде может приводить к образованию новых веществ различной степени токсичности и, следовательно, к усложнению экологической ситуации. В результате всех этих процессов организмы сталкиваются с неизвестными ранее факторами (например, соединения со связью C-Cl), с концентрацией ранее рассеянных элементов.
Следует условно разделить химические соединения, используемые в живой природе (для связи между организмами и поступающие из организмов в окружающую среду) и вещества окружающей среды как естественного, так и антрапогенного происхождения.
В каждом биогеохимическом цикле
различают два фонда элемента: резервный и обменный (подвижный).
Резервный — большая масса медленно движущихся веществ, содержащих данный элемент в составе, в основном, абиотического
компонента. Фонд размещен за пределами живых организмов — во внешней среде.
Обменный (подвижный) — меньшая масса вещества (по сравнению с массой резервного фонда), для которой характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.
Иногда резервный фонд называют «недоступным» фондом, а активно циркулирующий фонд — «доступным».
Если говорить о биосфере в целом, то биогеохимические циклы можно разделить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере
или
гидросфере
(водный ресурсы) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Разделение биогеохимических циклов на круговороты газообразных веществ и осадочные циклы основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот и кислород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических (или же и тех и других) фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения. Например, избыток СО2, накопившегося в каком-либо месте в связи с усиленным окислением или горением, обычно быстро рассеивается атмосферными потоками. Кроме того, усиленное образование углекислоты компенсируется ее потреблением растениями и превращением в карбонаты — в морях. Поэтому, циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами можно считать в глобальном масштабе хорошо «забуференными», т.к. их способность возвращаться к исходному состоянию велика.
Самоконтроль циклов с резервным фондом в литосфере затруднен — они легко нарушаются в результате местных флуктуаций, что связано с малой подвижностью резервного фонда. Явление «забуференности» в этом случае не выражено.
Циклы функционируют под действием биологических и геологических факторов. Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает ей, в известной мере, устойчивость — постоянный количественный состав по различным химическим элементам в ней.
В связи с хозяйственной деятельностью человечества и вовлечением в окружающую среду огромного числа техногенных продуктов этой деятельности, возникают проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. Эти нарушения связаны как с изменением баланса в циклах, так появлением новых химических соединений, ранее отсутствующих в естественных процессах. Так, циклы некоторых элементов (например, азота, серы, фосфора, калия, тяжелых металлов) превратились в настоящее время в природно-антрапогенные, характеризующиеся значительной незамкнутостью, что приводит к накоплению их и, соответственно к изменению их воздействия на экосистемы.
Рассеивание промышленных выбросов в атмосфере или гидросфере далеко не полностью устраняет проблемы загрязненности. В настоящее время это скорее ведет к переносу загрязнений на другие территории. Трансграничный перенос
загрязнений ведет к расширению экологически проблемных территорий, глобализирует экологический кризис.
Большая часть загрязнений выбрасывается в атмосферу и гидросферу, а уже через них затрагивает и литосферу.
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
Конспект по опытно-экспепементальной деятельности «Живая вода» для детей старшей группы.
ЗНАКОМСТВО СО СВОЙСТВАМИ ВОДЫ (ЭКСПЕРЕМЕНТЫ) -КОНСПЕКТ ЗАНИТИЯ ДЛЯ ДЕТЕЙ ЗПР.
Конспект НОД на тему: «Волшебница – вода» в старшей группе.
Знакомство со свойствами воды.
Картотека игр и экспериментов с водой старшая и подготовительная группа. ИГРЫ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПЕСКОМ В СТАРШЕЙ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ГРУППЕ.КАРТОТЕКА ИГР И ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ВЕТРОМ И ВОЗД.
Цель: закреплять знания о лете, играх детей летом, познакомить детей с правилами безопасного поведения на воде, воспитывать чувство осторожности, ответственного поведения за свою жизнь и жизнь окружаю.
Картотека игр и экспериментов с водой старшая и подготовительная группа. ИГРЫ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПЕСКОМ В СТАРШЕЙ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ГРУППЕ.КАРТОТЕКА ИГР И ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ВЕТРОМ И ВОЗД.
Источник
