Основные категории и закономерности экологии.

Человек является частью природной системы - биосферы, с которой тесно связана его жизнедеятельность. Существование человека как биологического вида неразрывно с определенными факторами окружающей среды. Требования любого живого организма достаточно консервативны. При резком изменении этих факторов возможны нарушения в жизнедеятельности организма. Ни общественное, ни техническое совершенствование не обеспечивает возможности жизнедеятельности человека вопреки законам природы.

Изучением взаимодействия живых организмов с окружающей природной средой занимается наука экология (от греч. "эйкос" - дом, "логос" - наука). Заслуга введения термина «экология» принадлежит Эрнесту Геккелю.

Фундаментальное понятие экологии - биосфера. Согласно современным представлениям, биосфера - часть оболочек земного шара содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с данными организмами. На рисунке 1.1 обозначены основные участники биохимического цикла, включающего биогенные элементы (участвующие в строительстве тел организмов), а также вредные загрязнения, привносимые в среду в результате хозяйственной деятельности человека и оказывающие влияние на всю биосферу в целом.

Основоположник учения о биосфере В.И. Вернадский представлял ее, как термодинамическую оболочку с температурой от +50°С до -50°С и давлением около 1 атм. Эти условия обуславливают границы жизни для большинства организмов. Границы биосферы определяются областью распространения организмов в нижней части атмосферы, гидросфере и верхних горизонтах литосферы (рис. 1.2.).

Атмосфера - газовая оболочка Земли, достигающая высоты 200-300 км. На высоте более 1000 км она становится разреженной и постепенно переходит в космическое пространство. Для жизни наибольшее значение имеет тропосфера (9-17 км над земной поверхностью). Стратосфера - слой атмосферы, расположенный над тропосферой, достигающий 45-55 км от поверхности Земли. На высоте 20-25 км расположен слой озона (до 0,001%). Этот слой атмосферы имеет чрезвычайно важное биологическое значение, так как озон поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Мезосфера - слой атмосферы на высотах от 55 до 80-85 км, расположенный над стратосферой. Термосфера - слой атмосферы, расположенный над мезосферой, верхняя граница которого достигает 600-800 км. Экзосфера - внешний слой атмосферы. Отсюда атмосферные газы рассеиваются в мировое космическое пространство.

Хотя процессы, происходящие в земной атмосфере, необычайно сложны, ее химический состав сравнительно однороден: 78,1% азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона, 0,03% углекислого газа (постоянные), водород, гелий, неон и другие газы, одни из которых образуются естественным путем, другие являются результатом деятельности человека.

Гидросфера включает все воды Земли. Более 97% - морская соленая вода, около 3% - пресная (в том числе 2% ее содержится в ледниках, и только менее 1% приходится на воду, находящуюся на поверхности Земли). В состав гидросферы входят также подземные воды и влага в атмосфере. Водой покрыто 71% земной поверхности. По суше оставшиеся 29% воды распределены крайне неравномерно.

Литосфера - сфера горных пород и минералов земной коры и части верхней мантии земной коры, толщиной около 100 км. Почва находится на границе живой и неживой природы, включая часть литосферы, гидросферы и атмосферы. Мощность почвенного слоя может быть от нескольких сантиметров до нескольких метров. В некоторых местах почвенный слой отсутствует.

Живое вещество биосферы. Живое вещество (совокупность живых организмов) образует биомассу планеты и составляет около 0,01% массы земной коры. Несмотря на незначительную биомассу живых организмов, их деятельностью обусловлен химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, формирование почвенного слоя и горных пород в литосфере.

Выделяют следующие основные свойства живого вещества: 1. Способность быстро занимать "все свободное пространство". 2. Движение не только пассивное, но и активное. 3. Физическая и химическая устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти. 4. Адаптация к изменяющимся условиям жизни. 5. Феноменально высокая скорость протекания химических реакций - в тысячи раз выше, чем в неживом веществе. 6. Высокая скорость обновления.

Известно пять основных биохимических функций живого вещества: газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, биохимическая, биогеохимическая деятельность человечества. Последняя функция охватывает все возрастающие количества веществ земной коры используемых для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства.

Основная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов и осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет примерно 200 млрд. тонн сухого органического вещества. За это же время в процессе фотосинтеза на планете образуется 46 млрд. тонн органического углерода, 123 млрд. тонн кислорода.

"Вихрь жизни" (В.И. Вернадский) захватывает освобожденные при гниении микроорганизмами элементы, поступающие в литосферу, гидросферу и атмосферу и вновь включает их в круговорот веществ. Таким образом, в биосфере происходит полный рециклинг материи - вторичное использование атомов, постоянный процесс движения и перераспределения вещества, определяющий даже формирование литосферы за счет осадочных горных пород под влиянием живого вещества.

Структурная и функциональная организация экосистем. Экологические закономерности проявляются на уровне особи, популяции, биоценоза, экосистемы. Экосистема - это динамическое, устойчивое сообщество растений, животных, микроорганизмов, находящихся в постоянном взаимодействии с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. Экосистема состоит из двух компонентов. Один из них – биоценоз, сообщество живых организмов, другой – биотоп, пространство, занимаемое биоценозом.

Под средой обитания понимают природные тела и явления передачи материи, энергии, информации, с которыми организмы находятся в прямых или косвенных взаимоотношениях. Отдельные элементы среды, на которые организмы реагируют приспособительными реакциями (адаптациями) носят названия экологических факторов. Различают: абиотические факторы (климатические, атмосферные, почвенные); биотические (совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие); антропогенные (связанные с деятельностью человека).

Среда обитания человека представляет собой сложное переплетение взаимодействующих естественных и антропогенных факторов (рис. 1.3). Это система физических, химических, биологических, психосоциальных, культурных и техногенных факторов, которые влияют на жизнедеятельность человека. Качество среды складывается из качества отдельных компонентов природы (атмосферного воздуха и климата, природных вод, почвенного покрова, эстетики ландшафта), хозяйственно-бытовых элементов (производство, жилище, коммунальное благоустройство) и социально-экономических условий (уровень доходов, образование).

Круговорот веществ в биосфере происходит при взаимодействии различных организмов, связанных между собой в пищевых трофических цепях (рис. 1.4). В основе пищевых цепей лежит наличие двух основных типов питания. Автотрофы извлекают необходимые для жизни химические вещества из окружающей среды и при помощи фотосинтеза превращают их в органическое вещество. Гетеротрофы питаются готовыми органическими веществами, разлагая их до углекислого газа, воды и минеральных солей.

У каждой группы организмов своя специализация в обеспечении условий совместного проживания. Продуценты (производители ) - организмы-автотрофы представляют собой комплекс растений, являющиеся источником питательных веществ. Консументы (потребители) - организмы-гетеротрофы, потребляющие органические вещества. Редуценты (восстановители) - организмы, разлагающие органические вещества (бактерии, грибы,простейшие животные). Каждый живой организм существует в окружении множества других, вступая с ними в разнообразные отношения.

Находящиеся в неживой природе вредные вещества, продвигаясь по пищевым цепям, постепенно накапливаются в последующих уровнях пищевой пирамиды. Чем выше пищевой уровень организма, тем больше ему угрожают содержащиеся в пище вредные вещества (рис. 1.5).

Существуют экосистемы разных рангов: микросистемы (небольшой водоем, капля воды); мезоэкосистемы (лес, река, пруд); макросистемы (океан, континент). Наиболее крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга. Совокупность всех экосистем Земли называют биосферой.

Экосистемы характеризуются рядом общих свойств: способностью осуществлять круговорот веществ; производить биологическую продукцию; противостоять внешним воздействиям.

Общие закономерности функционирования экосистем. Интенсивность жизнедеятельности организмов определяется правилом лимитирующих факторов: фактор, находящийся в избытке или недостатке, оказывает отрицательное влияние. Например, урожай может погибнуть как при засушливом, так и при слишком дождливом лете.

У каждого живого организма по отношению к различным экологическим факторам существуют пределы выносливости, между которыми располагается экологический оптимум – наиболее благоприятный диапазон изменения факторов (рис. 1.6).

В разных условиях существования живые организмы занимают определенные экологические ниши. Экологическая ниша – совокупность всех факторов и ресурсов среды, в пределах которой может существовать вид в природе. Способность вида заселять различную среду, характеризующуюся большими или меньшими изменениями экологических факторов, носит название экологическая валентность. Вид с низкой экологической валентностью стенотопный способен выносить лишь ограниченные изменения фактора. В противоположном случае вид называют эвритопным.

Лимитирующие факторы ограничивают возможность проявления силы действия других факторов, в том числе находящихся в оптимуме. Например, недостаток одного вещества не компенсируется избытком всех остальных. Если в почве отмечается недостаток фосфора растения будут нормально развиваться только до тех пор, пока не усвоят весь фосфор, несмотря на полноценный состав почвы по другим минеральным и органическим компонентам.

Правило взаимоприспособленности гласит, что в природе нет и не может быть "плохих" и "хороших" видов, все они необходимы для ее нормального развития. В связи с этим уничтожение одного из видов живых существ, входящих в экосистему, может привести к ее полному уничтожению и тяжелым экологическим последствиям для человека. Примером может служить "война" воробьям, поедавшим зерно на полях, объявленная в Китае в 50-е годы ХХ столетия. Воробьи были уничтожены, но размножились насекомые вредители. Для борьбы с ними пришлось закупать воробьев за рубежом.

Одно из условий устойчивости биосферы - разнообразие ее частей. Биологическое разнообразие жизни находится сейчас в большей степени опасности, чем когда-либо в прошлом. Главным образом это связано с уничтожением тропических лесов, лесов умеренного пояса, осушение болот, разрушение коралловых рифов. Изучение биологических систем тропических лесов, которые включают от 50 до 90% всех видов флоры и фауны мира, прогнозировать, что при нынешнем уровне потерь на протяжении следующих 25 лет исчезнет до 15% существующих на Земле видов.

Тенденция последних 20 лет показывают ускоренное разрушение биологических систем. Усиление загрязнения побережий во многих регионах приводит к снижению улова морской рыбы.

По мере того, как сообщества изменяются или уничтожаются, биосистемы теряют возможность выполнять полезные функции, такие как очистка воды, регенерация почвы, защита побережья, регулирование температуры, поддержание пищевых цепей и утилизация отходов, контроль за состоянием атмосферы. Все эти изменения ставят под угрозу глобальную безопасность человечества.

Катастрофические последствия может иметь резкое изменение человеком экологических факторов, особенно если не учитываются отдаленные результаты цепных реакций. Под цепной реакцией понимаем последовательность природных явлений, каждое из которых влечет за собой изменение других, связанных с ним явлений. Например, вырубка леса в бассейне реки вызывает высыхание малых рек, снижение уровня грунтовых вод, уровня воды в реке и озере, что в свою очередь приводит к недостатку воды в городе, гибели рыбы, развитию синезеленых водорослей.

Из-за множественности и слабой изученности связей между природными объектами окончательные последствия воздействия на экосистемы могут проявиться через несколько десятилетий самым неожиданным образом. Во многих случаях отрицательные экологические и экономические последствия в будущем значительно превосходят тот положительный эффект, ради которого осуществлялось это воздействие.

Биосфера является саморегулирующейся системой, способной компенсировать малые возмущения. В норме любой экосистеме присуще устойчивое состояние - гомеостаз, характеризующееся динамическим равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением вещества и энергии.

Любая экосистема подвергается внешним воздействиям, стремящимся вывести ее из равновесия. Действует закон внутреннего динамического равновесия, согласно которому вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем и биосферы в целом взаимосвязаны и любое изменение одного из показателей вызывает изменение всех других. Эти изменения происходят в соответствии с принципом Ле Шателье: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, в ней возникает движение, ослабляющее воздействия. Изменения происходят в направлении, обеспечивающем сохранение общей суммы вещества, энергии, устойчивости.

Таким образом, экосистемы сопротивляются воздействиям, нарушающим их стабильность, но если антропогенная нагрузка превысит способности природы к самоочищению и самовосстановлению, то принцип Ле Шателье перестает действовать.

Особое место занимают антропоэкологические системы – сообщества людей, находящихся в динамической взаимосвязи со средой и использующие эти связи для удовлетворения собственных потребностей. Антропоэкологические системы различаются в зависимости от численности и характера организации человеческих популяций. Важнейшими современными антропологическими системами являются города, сельские поселения, транспортные коммуникации.

Антропоэкологические системы отличаются от природных экосистем наличием в их составе человеческих сообществ, которым принадлежит доминирующая роль в развитии всей системы. Человек в среде обитания является объектом действия экологических факторов и сам является важным экологическим фактором. Отличительная черта человека, как экологического фактора, заключается в осознанности, целенаправленности и массированности воздействия на природу. Энергообеспеченность, техническая вооруженность людей создает предпосылки для заселения любых экологических ниш. Человечество – единственный вид, имеющий всесветное распространение, что превращает его в экологический фактор с глобальным влиянием.

Масштаб воздействия человека на природу стал действительно планетарным, а по количественному эффекту деятельность человека стала превосходить многие естественные процессы и приводить к тяжелым экологическим последствиям. Антропогенное влияние распространяется на все важнейшие составляющие биосферы.