Основы общей экологии

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Основы общей экологии



План лекции

1. Экология как наука о взаимоотношении живых систем с неживой природой

2. Структура и основные направления развития экологии

3. Биосфера

4. Экосистемы и основы их жизнедеятельности

5. Экологические факторы

6. Глобальные проблемы современности



1. Экология как наука о взаимоотношении живых систем с неживой природой

Слово “экология” происходит от двух греческих слов “ойкос” - дом, жилище или место обитания и “логос” - наука. То есть наука о месте обитания. Это слово и то трудное определение, которое я произнес ранее, были впервые в научную литературу введены немецким естествоиспытателем Э. Геккелем в 1866 году.

В дальнейшем ученые стали трактовать экологию как науку об условиях существования живых организмов и о взаимодействии между организмами и средой их обитания. Научной основой экологии стало учение Ч. Дарвина о борьбе организмов за существование. В это понятие он включал не только конкуренцию организмов за жизненные ресурсы, но и их реакции на различные факторы окружающей среды, посредством которых они приспосабливаются к существованию в конкретных условиях.

В развитие экологии значительный вклад внесли советские ученые Н.И. Вавилов, Е.Н. Павловский, В.Н. Сукачев, С.С. Шварц, Б.П. Колесников и ряд других. Особая заслуга принадлежит В.И. Вернадскому.

Но до последнего времени экология была сугубо биологической дисциплиной, и в сферу ее интересов входил анализ закономерностей функционирования биологических систем: биологических видов, популяций и экосистем. С середины 80-х годов нашего столетия произошло смещение акцентов: в экологию стали включать области знаний о состоянии окружающей человека природной и природно-техногенной среды.

2. Структура и основные направления развития экологии

В настоящее время область экологии как науки не имеет четких границ. Она включает в себя как классическую “биологическую экологию”, так и самые разнообразные направления, связанные с изучением воздействия человека на природу и оптимизацией взаимоотношений в системе “общество-природа”. Усилению неопределенности понятия “экология” способствует и современная мода на это слово, которое часто используется к месту и не к месту. Многие специалисты, в том числе и я, считают экологию философской наукой, формирующей особое экологическое мировоззрение и общеметодологический подход к решению проблем выживания человека, а также к решению природоохранных задач. А как и всякая философская, мировоззренческая наука экология охватывает широкий круг вопросов и тесно переплетается с рядом смежных наук, таких как биология, география, геология, физика, химия, химическая технология, генетика и другие. Поэтому в широком смысле слова - это наука о взаимосвязях различных форм жизни с окружающей средой, Предмет экологии - целостность того центрального объекта, который вычленяется в процессе рассмотрения или исследования. Иначе говоря, это наука о выживаемости природных и антропогенных систем в окружающей их среде и о выживаемости самой среды.

Принято выделять следующие основные направления современной экологии: фундаментальная (биологическая), прикладная и социальная.

Н.Ф. Реймерс в своей книге «Экология (теория, законы, правила)» выделил следующую структуру современной экологии (рис. 1).

Фундаментальная экология включает в себя следующие подразделы:

- аутоэкология - анализ действия различных факторов (температуры, света, солености воды и др.) на отдельный организм, а также изменение организмов под действием различных факторов;

- демэкология (популяционная экология) - наука о структуре и закономерностях функционирования биологических популяций, изменений популяций под действием различных факторов;

- синэкология (экология сообществ и экосистем, биоценология) - наука о структуре, закономерностях функционирования экологических систем. Частью синэкологии является глобальная экология, объект изучения которой - уникальная экологическая система, а именно вся биосфера Земли. Несколько обособленным направлением синэкологии является биогеоценология, изучающим экосистемы определенного пространственного масштаба.

Рис. 1. Структура современной экологии

Прикладная экология - это приложение знаний, полученных в рамках изучения фундаментальной экологии, к анализу системы “общество-природа”. Структура прикладной экологии еще не устоялась; обычно в ней выделяют следующие основные направления:

- промышленная экология - анализ воздействия разных отраслей промышленности (горной, металлургической, пищевой и других), коммунального хозяйства и сферы услуг на природу;

- химическая экология (экологическая токсикология) - изучение действия токсических химических веществ на организмы, популяции и экосистемы, анализ закономерностей миграции токсикантов в природных средах;

- радиоэкология - изучение миграции в природе и действия на живые организмы естественных и искусственных радиоактивных веществ;

- инженерная экология - создание различных инженерных сооружений (системы очистки промышленных выбросов и сбросов, системы доочистки питьевой воды, изменение технологических циклов производства), направленных на охрану окружающей среды и минимизации вредных последствий для здоровья людей;

- медицинская экология - анализ влияния различных неблагоприятных факторов на здоровье населения;

- сельскохозяйственная экология - изучение функционирования искусственных экологических систем (поля, сады, агроландшафты), оптимизация управления такими системами;

- охрана окружающей среды - комплексная дисциплина, направленная на разработку мер по снижению отрицательных последствий деятельности человека (разработка природоохранных законодательных актов и экономических механизмов рационального природопользования, развитие сети особо охраняемых природных территорий); включает в себя также экологическую экспертизу (разработка заключений о состоянии природных комплексов), экологическое прогнозирование (создание прогнозов развития ситуаций при различных сценариях воздействия), экологическое нормирование (разработка нормативов предельных экологических нагрузок, экологический мониторинг (разработка систем постоянного слежения за изменением природных комплексов).

Социальная экология рассматривает разнообразные аспекты взаимодействия человеческого социума и природы (частичное перекрывание с охраной окружающей среды); включает в себя экологическую психологию и экологическую социологию (анализ восприятия человеком и обществом природы), экологическое воспитание и экологическое образование (формирование экологического мышления и поведения).

Развитие экологии в настоящее время продолжается. И главной целью этого развития является решение главной экологической проблемы на Земле - это сохранение жизни. Решение же экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. И теоретическим фундаментом всей природоохранной деятельности является наука экология. Только знание экологических законов - законов развития природных и социальных процессов - позволит поладить с природой и разрешить социальные конфликты. Природоохранные мероприятия не обоснованные научно, бесполезны, а часто даже вредны, так как могут входить в противоречие с законами природы.

3. Биосфера

Известно, что планета Земля биосферой, в которой существует и активно идет жизнь. То есть биосфера - это и есть то пространство, в котором сосредоточена жизнь и на которое распространяются законы экологии. Термин “биосфера” (биос-жизнь, спераз-шар) введено в биологию французским натуралистом Ж.-Б. Ламарком в 1803 году, а затем в геологию для обозначения области земной поверхности, населенной жизнью, австрийским геологом Эдуардом Зюс в 1875 г. Основы же учения о биосфере были заложены выдающимся ученым В.И. Вернадским. В своей книге «Биосфера», вышедшей в 1926 году, он рассматривал биосферу как единое термодинамическое пространство, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды. Но понятие “термодинамическое пространство” для вас еще трудно воспринимается. Поэтому определим понятие биосферы проще:

Биосфера - это пространство, в котором сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие живого с неорганической средой, то есть это, в общем-то, экологическое пространство. Отсюда на основе этого учения был сформирован системный подход к рассмотрению экологических проблем.

В биосфере Земли В.И. Вернадский выделил семь различных и в тоже время взаимосвязанных видов веществ:

живое вещество - совокупность всех живых организмов;

биогенное вещество - уголь, нефть и др.;

косное вещество - минералы, глины и др.;

биокосное вещество - почвы, природные воды, илы;

радиоактивные вещества - радий, уран, торий и др.;

рассеянные атомы (химические элементы);

вещества космического происхождения - метеориты, пыль, протоны, нейтроны, электроны.

Всю совокупность живых организмов на планете он назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Биогенное вещество создается и перерабатывается живым веществом. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (горючие полезные ископаемые). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.

Косное вещество по Вернадскому - это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Биокосное вещество - особая категория веществ биосферы. Оно создается в биосфере одновременно живыми организмами и косным веществом, представляя системы динамического равновесия того и другого. Живое вещество в биокосном играет ведущую роль. Биокосные системы - почвы, вода, коры выветривания, донные отложения, свойства которых и генезис зависят от длительности воздействия живого вещества.

Появление жизни по Вернадскому - закономерный процесс самоорганизации материи, приведший к появлению стабильных форм ее существования, способных не только поддерживать себя, но и воспроизводить самих себя.

Организмы при этом представляют собой особые автономные вторичные системы динамических равновесий в первичном термодинамическом поле Земли. А живое вещество может рассматриваться как одна из независимых переменных энергетического поля планеты.

Обычно биосферу подразделяют на три геосферы: газовую оболочку, т.е. атмосферу, водную - гидросферу и твердую - литосферу.

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Литосфера - это часть земной коры. Вертикальная мощность поля существования жизни ограничивается в атмосфере протяженностью в 6 км. В этом поле наблюдаются положительные температуры и могут существовать хлорофилсодержащие растения. Нижний предел существования жизни в литосфере ограничивается дном океана (примерно до глубины 11 км) и температурой 100^оС - эта температура обнаруживается уже на глубине 6 км. Фактически жизнь в литосфере распространяется до глубины 3-4 км. Область жизни в атмосфере исчезает полностью за озоновым слоем на высотах 10-50 км.

Но мы не будем вдаваться в подробности существования экзотических форм жизни. Это удел биологов. Наша задача накормить, напоить, одеть, обуть и облагородить человека без значительного ущерба окружающей среде. Для существования человека, для осуществления его потребностей существует так называемая биогеосфера или пленка жизни. Это высоты до 3 км, вглубь земли до 10 м и вглубь моря до 100 м. Но это предельные высоты и глубины, в общем-то, экзотика. Вас, в первую очередь, должно интересовать то, что находится на поверхности Земли в городе, поселке, деревне или возле их. Здесь должны быть точки приложения вашего труда, направленного, как я уже говорил, на то, чтобы накормить, напоить, одеть, обуть и облагородить человека. То есть создать ему комфортные условия, которые не дает природа в естественном виде.

Положение человека в биосфере двояко. Как биологические объекты, люди зависят от физических факторов среды и связаны с питанием, дыханием, обменом веществ. Человеческий организм имеет свои приспособительные возможности, которые выработались в ходе биологической эволюции. Изменение физической среды обитания отражается на здоровье и работоспособности людей. В отклоняющихся от оптимальных условиях среды человек затрачивает много сил и средств на создание и поддержание комфортных условий. Однако, главной особенностью является взаимодействие человека с окружающей средой через создаваемую им культуру. Этим человек отличается от всех других видов живых организмов.

Но, создавая все более современную технику, технологию и материалы, люди стараются создать среду обитания, по возможности не зависящую от капризов природы. Однако, человек, будучи творческим существом, тем не менее сам является творением природы в буквальном смысле этого слова и остается неотделимой частью природных сообществ, если, конечно, придерживаться теории Ч. Дарвина об эволюции живой природы, а не инопланетной природы человека. То есть человеку нужно постоянно в своей деятельности искать золотую середину, а это удел в первую очередь технологов, чтобы эта деятельность была экологичной. То есть, как мы говорили в первой лекции, чтобы ваше производство из положительного не перешло в негативное отношение к биосфере.

При этом вам следует учитывать, что жизнь человеческого организма возможна только в определенных условиях: состав атмосферы, температура, структура солнечного излучения, наличие и чистота воды и пищи и др. На ряду с этим производство продуктов питания почти на 100% зависит от природных ресурсов - почвы и водных экосистем (гидропоника и искусственные системы дают незначительное количество продуктов питания). Особое значение для жизни человека имеет количество пресной воды, которая является природным ресурсом и важнейшей составной частью биосферы - самым удивительным минералом, как назвал ее профессор А.М. Черняев в своей книге “Поэзия и проза воды”. Ключевую роль в жизнеобоспечении играют и природные источники энергии, тоже являющиеся составной частью биосферы. В настоящее время уже отчетливо обозначилась ограниченность данного вида природных ресурсов. Это же можно сказать о запасах пресной воды и о плодородии почвенного слоя Земли. Есть еще один фактор, который надвигается на человека - это перенаселение Земли. Но многие из перечисленных факторов в России еще остро не чувствуются. Но мы живем на одной планете и придет время, когда придется потесниться.

Техническая мощь человечества достигла масштабов, соизмеримых с биосферными процессами. Человеческая деятельность на планете изменяет климат, влияет на химический состав атмосферы и мирового океана. Таким образом, с вхождением человечества в индустриальную стадию своего развития возникла угроза разрушения всех элементов биосферы - атмосферы, гидросферы и литосферы. В первую же очередь это касается наиболее чувствительного к условиям существования биосферного слоя - биогеосферы.

Но уже сейчас вместе с техническим оснащением растет и научная вооруженность человеческого общества. Одним из успехов естествознания ХХ века явилось осознание неразрывного диалектического единства природы и общества, необходимости перехода от концепции господства человека над природой к концепции взаимодействия с ней. В результате этого Вернадским было разработано учение о ноосфере - сфере разума.

Смысл учения заключается в следующем. Появление Человека на Земле означало новый огромный шаг в эволюции планеты. Его активность многократно ускоряет все эволюционные процессы, темпы которых быстро растут по мере развития производительных сил и технической вооруженности. Дальнейшее неконтролируемое, ненаправляемое развитие людей таит в себе опасности, которые трудно предвидеть. Именно поэтому однажды наступит время, когда дальнейшая эволюция планеты, а следовательно, и человеческого общества должна направляться Разумом. Биосфера станет постепенно превращаться в сферу Разума - ноосферу.

Трудность современного восприятия нового состояния биосферы заключается в том, что в создающейся переходной биосферно-ноосферной общности, которую принято называть техносферой, уже нет первозданной исторически сложившейся организованности биосферы и еще нет новой организованности ноосферы. В техносфере утрачена часть присущих биосфере свойств авторегулирования, хотя свои основные параметры она сохраняет. В связи с этим хозяйственная и социально-культурная деятельность человека, общества, всего человечества рассматривается научным и обыденным сознанием как глобальный экологический фактор, отрицательно действующий на окружающую среды и даже разрушающий ее.

4. Экосистемы и основы их жизнедеятельности

Для того, чтобы понять - на сколько наши действия вредят биосфере мы не можем изучать ее всю. Поэтому биосфера как бы делится на отдельные частички, которые называются экосистемами. Экосистема (экологическая система) - это сообщество определенной группы организмов (биота или биоценоз), рассматриваемое во взаимодействии с физической средой его обитания (экотопом). Иными словами, это совокупность живых организмов и среды их обитания, связанных причинно-следственными связями, обменом веществ и энергии. Понятие экосистема ввел английский ученый А. Тенсли в 1935 году. Сторонники системного подхода для обозначения природных комплексов использовали и другие термины: биокосное тело (В.И. Вернадский, 1944 год), холон (А. Каспер, 1969 год) и др. А в 1940 году советский ученый А.Н. Сукачев ввел понятие биогеоценоз, которое иногда употребляют как экосистема. Биогеоценоз - однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов в динамическом взаимодействии между ними (обменом веществ и энергии). Но здесь появились новые понятия, такие как сообщество, биоценоз, биота.

Биота или биоценоз - совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих участок суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособленностью в условиях окружающей среды.

Сообщество - все популяции живых организмов, занимающие определенный участок и взаимодействующие друг с другом.

Популяция - совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

Особь - наименьшая неделимая единица биологического вида, подверженная действию факторов эволюции.

Вид - естественная биологическая единица, всех членов которой связывает воедино участие в общем генофонде.

Гомеостаз - способность биологической системы к авторегуляции при изменении условий среды.

Экосистема может иметь гигантские размеры (например, море, Уральские горы и др.) или крошечное сообщество живых существ в дождевой луже или в лабораторной колбе. Границы между отдельными экосистемами условны, все зависит от выбора пространственного и временного масштабов рассмотрения, а это определяется установками и задачами исследования. В экологии сообществ и экосистем развиваются 2 основных направления:

- структурное - анализ структуры сообществ (количество видов или групп, количественное соотношение между ними), их классификация, распределение в пространстве, временная динамика;

- функциональное - анализ потоков вещества и энергии, изменение сообществами абиотической среды на функционирование сообществ.

Распространены два основных взгляда на сообщество:

- органицизм - сообщество - это “сверхорганизм”, обладающий большой степенью целостности, границы между сообществами достаточно четкие;

- редукционизм - целостность сообществ невелика, структура сообществ определяется взаимодействием популяций; резких границ между сообществами нет.

Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов: абиотическими - компонентами неживой природы и биотическими - компонентами живой природы.

Абиотические компоненты (или экотоп) - это следующие основные компоненты неживой природы:

неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.);

воздушная, водная или твердая среда обитания;

климатический режим и др.

Биотические компоненты состоят из трех функциональных групп организмов:

Рис. 2. Биотические компоненты экосистемы

Первая группа организмов - продуценты или автотрофные организмы (греческие auto - сам, trophe -пища) - создают органическое вещество из простых неорганических веществ с использованием энергии света (фотоавтотрофы) или энергии химических связей (хемотрофы).

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества - углеводы или сахара:

СО₂ + Н₂О = (СН₂О)n + О₂

Хемотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H2O + Q₁

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + Q₂

Химическая энергия, выделившаяся при этих реакциях, используется бактериями для восстановления углекислого газа до углеводов.

Вторая группа организмов - консументы (латинское consume - потребитель) первого, второго, третьего порядков или гетеротрофные организмы (греческие heteros - другой, trophe - пища) - потребляют готовое органическое вещество, но не доводят его до разложения до простых минеральных составляющих (животные, часть микроорганизмов, паразитические растения). Эти организмы используют органические вещества, которые создали продуценты, в качестве источника и питательного материала и энергии. Они делятся на фаготрофов (греческое phagos - пожирающий) и сапротрофов (греческое sapros - гнилой).

Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные - макроконсументы. Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.

Третья группа организмов - редуценты (латинское reducens - возвращающий) или деструкторы - превращают органическое вещество в простые неорганические соединения. К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) - микроконсументы. живой неживой природа экосистема биосфера

Экосистемы, кажущиеся свободными от внешнего мира, в конечном счете, зависят от определенного внешнего фактора - солнечного света или очень редко от получения энергии за счет химических превращений. Солнечная энергия, воспринятая когда-то растениями, продолжает свой круговорот по всей экосистеме в виде органической материи. В конце цепи стоит редуцент, питающийся как растениями, так и животными. Он снова расщепляет пищу на первоначальные составные части - воду, углекислый газ и минеральные соли. В итоге в этот очень сложный круговорот включается и человек. Если факторы, обеспечивающие жизнедеятельность экологической системы, оказываются нарушенными, то произойдет заметное отклонение от установившегося равновесия, что может привести к катастрофе всей экосистемы.

Таким образом, устойчивость экосистем и их совокупности, то есть биосферы, зависит от следующих факторов.

- Биосфера использует внешние источники - солнечную энергию и энергию разогрева земных недр - для поддержания жизнедеятельности окружающей среды. Постоянное использование определенного количества энергии и ее рассеивание в виде тепла создали тепловой баланс в биосфере. Нарушение его может привести к смерти живых существ, которые могут существовать только в определенном тепловом диапазоне.

- Биосфера как совокупность экосистем использует вещества (преимущественно легкие биогенные элементы - водород, углерод, азот, фосфор, калий, кислород) в основном в форме круговоротов. Биогеохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных веществ. Поэтому большинство предприятий по производству пищевых продуктов можно организовать без сброса загрязняющих веществ в окружающую среду.

- В биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Конкурентные и хищнические отношения между ними способствуют установлению равновесия и спасают от угрозы со стороны внутренних факторов. У многих видов развиты защитные реакции от болезней, механизм которых изучен не до конца. Генофонд дикой природы - бесценный дар, возможности которого использованы в малой степени.

- Практически все закономерности, характерные для живого, имеют адаптивное значение. Биосистемы вынуждены приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям жизни. Если темп изменений условий жизни превышает адаптивные возможности систем, то они погибают.

- Саморегуляция, или поддержание численности популяции, зависят от совокупности абиотических и биотических факторов.

5. Экологические факторы

Итак, мы определили, что экология это наука о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой. А теперь настало время дать понятие, что такое окружающая среда.

Окружающая среда - это совокупность всех экологических факторов, прямо или косвенно влияющих на организмы.

Но здесь возникло новое понятие - экологический фактор.

Экологический фактор - любое условие, воздействующее на состояние, развитие, возможности выживания и развития организмов. Экологические факторы можно классифицировать по следующим направлениям:

По отношению к жизни:

- абиотические - совокупность физико-химических условий среды (газовый состав воздуха, химизм воды и почвы, давление, влажность, плотность среды, радиационные условия и т.д.)

- биотические - взаимоотношения данного организма с другими организмами (потребление, конкуренция, паразитизм и т.д.)

по происхождению:

природные - не связанные с человеком;

- антропогенные (антропические) - воздействия, оказываемые человеком (промышленность, сельское хозяйство, транспорт, рекреация (отдых), промысел и т.д.)

по критерию исчерпаемости:

- условия - абиотические факторы, которые ни один организм не может сделать недоступным для других (температура, соленость воды и т.д.)

- ресурсы - факторы, количественно уменьшающиеся в процессе жизни организма (становятся недоступными для других организмов) - пища, биогенные элементы и т.д.

Рис. 3. Зависимость жизнедеятельности от интенсивности экологического фактора

В отношении действия факторов на организмы справедлив закон толерантности Шелфорда: для каждого вида существуют минимальные и максимальные значения фактора среды (зона толерантности), за пределами которых он не может существовать. Обычно зависимость “благополучие организма (численность, рост, размножение) - фактор имеет вид параболы (рис. 3). Это один из примеров нелинейности поведения экосистем.

6. Глобальные проблемы современности

Глобальная проблема - это проблемы всего человечества, которые можно решить только на общечеловеческом уровне и нельзя решить локально или регионально. Это относится в первую очередь к проблеме загрязнения окружающей среды. Потому что загрязнение в локальном месте, например на Урале, в конечном итоге рано или поздно дойдет до каждого человека на Земле. Поэтому будут мужчины в Западной Европе в среднем жить по 74 года зависит и от вас. Будете вы вести свое производство с применением экологически чистых технологий, грамотно и правильно, то и сами проживете дольше и другим дадите жить. Получите вы троечное образование, будете вести технологический процесс так себе, то и сами хорошо жить не будете и другим не дадите. Но это эмоции. Ну а теперь более подробно рассмотрим эти глобальные проблемы. Выделяют следующие:

Энергетические - Казавшиеся неистощимыми такие источники энергии, как нефть, газ, уголь, тают буквально на глазах. Ископаемое топливо при современных объемах энергопотребления, по разным оценкам, в среднем иссякнет приблизительно через 150 лет, в том числе нефть - через 40 лет, газ - через 50, уголь - через 400 лет. Освоение новых месторождений становится все более трудным: за ним приходится идти все дальше на север и восток. Устремляться все глубже в недра Земли. Понятно, что стоимость их разработки повышается. Грозит ли людям энергетический голод? Анализ показывает, что катастрофы можно избежать, если не повторять ошибок прошлого и искать альтернативные источники энергии.

Демографический взрыв - численность человечества растет экспоненциально и экспоненциально увеличивается нагрузка на природу. (рис. 4) Земля уже с трудом выдерживает это бремя. Это заставляет вводить различные механизмы регуляции рождаемости. Но это для нас, откровенно, не очень понятная проблема. Мы самая большая страна в мире, а численность ее населения находится на 4-6 месте (Япония и Бразилия имеют население по некоторым данным больше чем в России). К тому же численность населения сокращается. Но я уже говорил вам, что мы живем на одной планете и что наступит момент, когда придется потесниться.

Продовольственная проблема. Эта проблема неизбежно связана с прогрессирующим ростом населения. Зона, где большинство населения страдает от голода и недоедания, протянулась по обе стороны экватора и включает многие страны Азии, Латинской Америки и особенно Африки. Специалисты ООН считают, что число голодающих около 500 млн. человек. По другим данным это число составляет 1 млрд. человек.

Рис. 4. Рост населения на планете за последние два столетия

Еще большее число людей недоедают, т.е. испытывают недостаток в рационе питания необходимых питательных веществ (белков, жиров, витаминов, микроэлементов, солей). Эксперты Всемирной организации здравоохранения полагают, что 50% детской смертности (до 5 лет) в Латинской Америке связано с плохим питанием. Прослеживается четкая связь между смертностью новорожденных и недостатком в рационе питания животных белков. Не лучше продовольственная обстановка в странах СНГ. Голода пока нет, но дефицит важнейших элементов в питании существует во многих районах бывшего СССР.

Кислотные дожди. Одним из видов загрязнения атмосферы, не признающим государственных границ, являются оксиды серы и азота. Во многих страна (вначале в Скандинавии, а затем в США, Канаде, Северной Европе, Японии и др.) ученые обнаружили, что дождевая вода, казалось бы, самая чистая в природе, содержит большое количество кислоты. Из химии же известно, что при растворении в воде оксидов серы, азота и других образуются соответствующие кислоты. В то же время предотвращение последствий кислотных дождей - это непростая проблема. Поэтому эту проблему легче предотвратить, чем затем с ней бороться. Для этого на предприятиях, выбрасывающих в атмосферу ангидриды, необходимо улучшить системы очистки отходящих газов.

Исчерпаемость ресурсов - ресурсы, в первую очередь энергетические и биологические, исчерпаемы. Многие из них не восстанавливаются. Если потребление ресурсов будет продолжаться современными темпами, то их хватит очень ненадолго. Например, Россия находится на первом месте в мире по запасам черных и бурых углей. Но при современном потреблении их хватит не более чем на 300 лет. Нефти и газа нам хватит на 40-50 лет. Структура природных ресурсов приведена на рис. 5

Проблема озонового экрана Суть ее состоит в том, что ряд физических и химических агентов способствуют убыли этого газа, составляющего экран на высотах 17-22 км над поверхностью Земли. Озон защищает планету от жестких ультрафиолетовых лучей. Механизм образования озона разработан Чемпеном (1930 г.)



Рис. 5. Основные типы природных ресурсов

В соответствии с ним озон возникает при воздействии жесткой ультрафиолетовой солнечной радиации с длинами волн менее 290 нм на двухатомный кислород. При этом часть молекул последнего распадается на атомы, которые взаимодействия с О₂, образуют озон.

О₂ + h ( 290 нм) = О^о + О^о,

О^о + О₂ = О₃

Молекула озона, взаимодействуя с квантом ультрафиолетового излучения, поглощает его, образуя двухатомный и атомарный кислород

О₃ + h = О^о + О₂

Атомарный кислород вновь взаимодействует с двухатомным кислородом и возмещает озон. Но этот механизм в последнее время, возможно, находится под угрозой, так как, начиная с 1985 года, появляются данные, что в атмосфере есть пространства с заметно пониженным содержанием озона. Полагают, что основной причиной утончения озонового слоя, помимо различных физико-географических факторов, служит наличие в атмосфере значительных количеств галогеноуглеродов, которые использовались в производстве и быту в качестве хладагентов, пенообразователей, растворителей и т.д. Их выбросы в атмосферу в 1985 году превысили 1,4 млн. т. Галогеноуглероды под действием света активно разрушаются в верхних слоях атмосферы с образованием атомарного хлора:

CF₂Cl₂ + h = Cl + CF₂Cl

Наличие атомарного хлора обуславливает возникновение каталитической реакции разрушения озона:

О₃ + Cl = ClO + О₂

О^о + ClO = Cl + О₂

Уничтожение озона в цепных реакциях с участием ХФУ (фреонов) весьма опасно, так как длина цепей велика - одна молекула любого из них разрушает тысячи молекул озона, а в озоновой дыре над Антарктидой уровни ClO в 20-50 раз выше, чем в любом другом месте планеты.

Международное сообщество, обеспокоенное сложившимся положением, приняло в 1985 году Венскую конвенцию, по которой обязало к 1986 году в два раза производство фреонов, а к 2010 году - ликвидировать полностью.

Следует отметить, что не все специалисты разделяют тревогу по поводу проблемы озоновых дыр. Президент международного фонда «Экология человека» академик А.Капица утверждает, что фреоны не разрушали и не разрушают озоновый слой. В подтверждении приводится факт, что 80% выбросов фреонов происходит в Северном полушарии Земли, а основная озоновая дыра располагается над Антарктидой.

Изменение глобальных характеристик биосферы, в том числе глобальное загрязнение окружающей среды - Об этом мы и поговорим сегодня. Выделяют три вида антропогенных нагрузок на природу:

- эксплуатация ресурсов,

- механические нарушения - прямые отчуждения территории под свалки, хранилища, инженерные сооружения, техногенные катастрофы,

- загрязнение - привнесение дополнительного вещества или энергии. О видах загрязнения мы уже говорили в начале лекции, когда записывали план лекции.

Загрязнение - привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных физико-химических и биологических веществ, агентов, оказывающих вредные воздействия на природные экосистемы и человека.

Выделяют. Естественное загрязнение, возникшее в результате мощных природных процессов без какого-либо влияния человека. К естественным источникам загрязнения относятся вулканы, выбрасывающие сернистый ангидрид, фтор, тяжелые металлы; просачивание нефти из земной коры в гидросферу; продуцирование биотой определенного вида загрязнителей, например, на болотах продуцируется так называемый диоксин, действие которого может вызывать онкологические заболевания.

Антропогенное загрязнение - являющееся результатом деятельности человека, иногда по масштабам воздействия превосходящее естественное. К антропогенным источникам относятся: промышленные предприятия, выбрасывающие огромное число загрязнителей; транспорт, выбрасывающий свинец, оксиды азота и углерода; сельское хозяйство, загрязняющее в первую очередь воду ядохимикатами и удобрениями; техногенные аварии, выбрасывающие залпом огромные количества промышленных отходов, нефти и газа; население, сбрасывающее в свалки и водоемы бытовые отходы.

Различные типы загрязнения подразделяются на три основных: физическое, химическое, биологическое (см. рис. 8).

Физическое загрязнение связано с изменением физических, температурно-энергетических, волновых и радиационных параметров внешней среды. Так тепловое воздействие проявляется в ухудшении режима земной поверхности (термокарст, солифлюкция, наледи и др) и условий жизни людей. Источниками теплового загрязнения в пределах городской территории служат: подземные газопроводы промышленных предприятий (140-160^оС), теплотрассы (50-150^оС), сбросные коллекторы и коммуникации (35-45^оС), плохая термоизоляция домов и т.д.

Рис. 8. Основные типы загрязнения окружающей среды

Сюда относятся воздействие шума и электромагнитное излучение, причем источником последнего служат высоковольтные линии электропередач, электроподстанции, антенны радио и телепередающих станций, а в последнее время текже микроволновые печи, компьютеры и радиотелефоны. Установлено, что при длительном воздействии электромагнитных полей у здоровых людей повышается утомляемость, головные боли, чувство апатии и др.

Тепловое загрязнение. К тепловому загрязнению относится микроклимат города - в нем всегда теплее чем за городом. Это приводит к нарушению биологических циклов, повышенной влажности, тянет к себе жителей лесов и полей. А так ли это хорошо. Вот пример с дикими утками, которые плавают возле моста по Белинского. Но они же не выведут потомства, а в конце концов их просто уничтожат жадные голодные жители. А нашествие мышей? А бешенные лисы? Я уж не говорю о том, что в этих условиях вирусы живут гораздо дольше. В литературе приводится пример города, построенного на вечной мерзлоте. Мерзлота тает. Город начинает разрушаться. Но тает не только под городом, но и рядом. А оттаявшая мерзлота - это каша, на которой ничего не растет, т.е. идет опустынивание. В данном случае приводится пример с городом Норильском.

Кроме этого сброс теплых вод вызывает понижение концентрации кислорода и углекислоты. Это изменяет структуру экосистем, что может вызвать исчезновение многих видов рыб, растений и животных.

Но тепловое загрязнение может привести к глобальному потеплению. А это таяние льдов и повышение уровня мирового океана. Но этот процесс идет не только за счет теплового загрязнения, но и за счет, так называемого парникового эффекта. Есть и другое направление движения нашей средней температуры. В сторону похолодания. А происходит это за счет того, что идет помутнение нашей атмосферы, лучи солнца хуже проникают на Землю. А это ведет к похолоданию. То есть срабатывает принцип Ле-Шателье. Всякая система борется с внешним воздействием в сторону его уменьшения.

Химическое загрязнение - увеличение количества химических компонентов определенной среды, а также проникновение в нее химических веществ, не свойственных ей или в концентрациях превышающих норму. По расчетам специалистов, в настоящее время в природной среде содержится от 7 до 8,6 млн. химических веществ, причем их арсенал ежегодно пополняется еще 250 тыс. новых соединений. По оценке Всемирной организации здравоохранения, в мире около 600 млн. человек подвержены воздействию атмосферы с повышенной концентрацией диоксида серы и более 1 млрд. - с вредной для здоровья концентрацией взвешенных веществ.

Действующий фактор - химическое взаимодействие веществ с живыми организмами. Выбрасываемые при производстве химические вещества называются полютантами. Их так же могут называть загрязнителями и загрязняющими веществами. Так же применимо выражение токсикант - вещество, оказывающее токсичное действие. Источники загрязнения делятся на антропогенные и естественные.



Основные виды загрязняющих химических веществ:

- газообразные: углекислый газ, угарный газ, органические соединения (бензопирены, формальдегиды и т.д.), сернистый ангидрид, сероводород, оксиды азота (например, веселящий газ), аммиак и другие;

- твердые: тяжелые металлы, кальций, органические соединения (пестициды, хлор и фторорганические и др.), классические яды (например, цианиды, которые используются не только для отравления людей, но и при добыче золота);

- жидкие: к ним относятся все перечисленные мною вещества в растворенной форме, а также нефть, фенолы диоксины.

К химическому относится также и радиоактивное загрязнение. Его специфика заключается в том, что очень низкие концентрации химических веществ оказывают сильное биологическое действие из-за излучения. Различают естественные радионуклиды (например углерод 14, калий 40 и др.) и искусственные (стронций 90, цезий 137, иод 131, плутоний 239 и др.), а также альфа, бетта и гамма излучатели.

Источники радиоактивного загрязнения: продукты испытаний ядерного оружия, выбросы радиоактивных веществ во время аварий (Чернобыль, ВУРС и т.д.), плановые и аварийные выбросы предприятий атомной энергетики, выбросы в атмосферу и водные объекты радиоактивных веществ с предприятий атомной промышленности во время нормальной эксплуатации, привнесенная радиоактивность - завезенная к нам с урановыми концентратами и радиоактивными отходами. По поводу добычи и производства радиоактивных веществ я могу прочитать не одну лекцию, потому что бывал на этих предприятиях, в этих урановых городах, и участвовал в испытаниях различных методов добычи урана. Если у кого-то есть вопросы, то задавайте их в конце лекции.

Остановимся еще на основных механизмах действия излучения:

- прямое поражение клетки - разрыв ее мембраны, гибель клетки - лучевая болезнь;

- встраивание в ДНК, повреждение ее и последующая мутация - образование раковых опухолей; появление мутантов грибов, животных и т.д.

- образование свободных радикалов химически активных соединений, которые вызывают повреждение клеток.

- Различные группы организмов по различному реагируют на радиоактивность: наиболее устойчивы бактерии, менее - членистоногие, далее идут птицы; самые чувствительные - млекопитающие, в том числе человек.

Биологическое загрязнение - случайное или связанное с деятельностью человека проникновение в эксплуатируемые экосистемы и технологические устройства чуждых им растений, животных и микроорганизмов; часто оказывает негативное влияние при массовом размножении пришлых видов. Особенно загрязняют среду предприятия, производящие антибиотики, ферменты, вакцины, сыворотки, кормовой белок и др., т.е. предприятия промышленного биосинтеза, в выбросах которых присутствуют живые клетки микроорганизмов. К биологическому загрязнению можно отнести преднамеренную и случайную интродукцию, чрезмерную экспансию живых организмов. Так, в городах наличие свалок, несвоевременная уборка бытовых отходов приводит к численному росту синантропных животных: крыс, насекомых, голубей, ворон и др.

Размещено на Allbest.Ru