Екологія i природа

10

1. Екологія, природа, природні ресурси.

Екологія (грец. oikos -- будинок, дім; грец. лпгпт -- наука) -- один з розділів біології, який досліджує взаємовідносини між біотичними та соціальними цілісностями та їхнім середовищем.

Приромда (термін є частковою калькою латинського слова natыra -- від лат. nat -- родити, породжувати) -- матеріальний світ, Всесвіт основний об'єкт вивчення науки.

В побуті слово «природа» часто вживається у значенні природне середовище, в якому живе людина (все, що нас оточує, за винятком створеного людиною). Відомо, що природа - єдина і неподільна, а сучасне господарство - результат взаємодії природи і суспільства.

Природні ресурси - компоненти природи, які використовуються, як засоби виробництва і предмети споживання. До них належать: сприятливі кліматичні умови, ґрунти, рослини, тварини, мінеральна сировина, води. Також вони поділяються на мінеральні, енергетичні води, земельні, біологічні, кліматичні, рекреаційні.

2. Природа, складові частини природи

Повітря, вода, земля, люди, рослини, тварини, планети, Сонце, зорі - увесь матеріальний світ, який оточує нас, називається природою. Природа перебуває у безперервній зміні або русі: рухаються планети і зорі, річки змінюють свої русла, сніг навесні тане, рослини й тварини ростуть і розвиваються. Людина вносить у природу зміни завдяки своєму розуму і праці. Вона побудувала міста і села, фабрику й заводи, зорала й засіяла поля, винайшла різні машини. Внаслідок пізнання людиною природи виникли науки. Вивчаючи зміни в природі, вчені встановили, що всі вони відбуваються закономірно, тобто завжди існує яка-небудь причина явища. Наприклад, причиною падіння на Землю різних предметів є притягання їх Землею; зміна дня і ночі на Землі пояснюється рухом Землі навколо своєї осі; одна з причин виникнення вітру - нерівномірне нагрівання повітря.

Мета наук про природу - відкрити, вивчити її закони і використати їх для потреб людини. Науки про природу увесь час розвиваються. Ми все повніше і глибше пізнаємо закони природи й знаходимо їм дедалі більше практичних застосувань. Є декілька наук які вивчають природу - це природа, астрономія, хімія, фізика, географія, ботаніка, зоологія. Усі вони пов'язані між собою.

Відомо, що природа - єдина і неподільна, а сучасне господарство - результат взаємодії природи і суспільства. Отже, суспільство, господарство і природа взаємопов'язані, зв'язок цей має глобальний характер, стан і доля кожного зі компонентів - взаємозалежні. Це порівняно проста теза є відправною щодо розуміння низки глобальних проблем. На жаль, протягом тисячоліть людина посилено втручалася в природу, не дбаючи про підтримку в ній рівноваги. Особливо ускладнилися відносини суспільства і природи в ХХ ст., коли в процесі науково-технічної революції різко зріс антропогенний вплив на навколишнє середовище. Через різке збільшення кількості населення, інтенсивну індустріалізацію та урбанізацію на планеті господарські навантаження стали перевищувати здатність екологічних систем до самоочищення і відновлення. У відносинах людини і природи настала криза, яка викликала екологічні проблеми.

Екологічні проблеми мають економічний, соціальний та технічний аспекти. Це стосується, наприклад, проблеми раціонального використання мінеральних ресурсів у промисловості, розвитку енергетики, використання земельних ресурсів і виробництва продовольства, використання ресурсів Світового океану.

Глобальні проблеми забезпечення життєдіяльності і якості життя людини випливають з усвідомлення того, що вона є головною цінністю планети Земля. Тому поряд із упорядкуванням і стабілізацією демографічних процесів людство має вирішити проблеми забезпечення життєдіяльності (продовольство, житло, енергія, знаряддя праці, тощо) та якості життя (добробут, освіта, культура, охорона здоров'я та ін.).

3. Біосфера, компоненти біосфери

У буквальному перекладі термін “біосфера” означає сферу життя й у такому змісті він уперше був введений у науку в 1875 р. австрійським геологом і палеонтологом Едуардом Зюсом (1831 - 1914). Однак задовго до цього під іншими назвами, зокрема "простір життя", "картина природи", "жива” оболонка Землі" і т.п., його зміст розглядався багатьма іншими натуралістами.

Спочатку під усіма цими термінами малася на увазі тільки сукупність живих організмів, що живуть на нашій планеті, хоча іноді і вказувався їхній зв'язок з географічними, геологічними і космічними процесами, але при цьому скоріше зверталася увага на залежність живої природи від сил і речовин неорганічної природи. Навіть автор самого терміна "біосфера" Э.Зюсс у своїй книзі "Лик Землі", опублікованої майже тридцять років після введення терміна (1909 р.), не зауважував зворотного впливу біосфери і визначав її як "сукупність організмів, обмежену в просторі і в часі й на поверхні Землі".

Першим з біологів, що ясно вказав на величезну роль живих організмів в утворенні земної кори, був Ж.Б.Ламарк (1744 - 1829). Він підкреслював, що всі речовини, що знаходяться на поверхні земної кулі й утворюючі його кору, сформувалися завдяки діяльності живих організмів.

Факти і положення про біосферу накопичувалися поступово в зв'язку з розвитком ботаніки, ґрунтознавства, географії рослин і інших переважно біологічних наук, а також геологічних дисциплін. Ті елементи знання, що стали необхідними для розуміння біосфери в цілому, виявилися зв'язаними з виникненням екології, науки, що вивчає взаємини організмів і навколишнього середовища. Біосфера є визначеною природною системою, а її існування в першу чергу виражається в круговороті енергії і речовин при участі живих організмів.

Дуже важливим для розуміння біосфери було встановлення німецьким фізіологом Пфефером (1845 - 1920) трьох способів харчування живих організмів:

- автотрофне - побудова організму за рахунок використання речовин неорганічної природи;

- гетеротрофне - будівля організму за рахунок використання низькомолекулярних органічних сполук;

Біосфера (у сучасному розумінні) - своєрідна оболонка Землі, що містить усю сукупність живих організмів і ту частину речовини планети, що знаходиться в безупинному обміні з цими організмами.

Біосфера охоплює нижню частину атмосфери, гідросферу і верхню частину літосфери.

Атмосфера - найбільш легка оболонка Землі, що граничить з космічним простором; через атмосферу здійснюється обмін речовини й енергії з космосом.

Атмосфера має кілька шарів:

- тропосфера - нижній шар, що примикає до поверхні Землі (висота 9-17 км). У ньому близько 80% газового складу атмосфери і уся водяна пара;

- стратосфера;

- ноносфера - там “жива речовина” відсутня.

Переважні елементи хімічного складу атмосфери: N₂ (78%), O₂ (21%), CO₂ (0,03%).

Гідросфера - водяна оболонка Землі. У наслідок високої рухливості вода проникає повсюдно в різні природні утворення, навіть найбільш чисті атмосферні води містять від 10 до 50 мгр/л розчинних речовин.

Переважні елементи хімічного складу гідросфери: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, S, C. Концентрація того чи іншого елемента у воді ще нічого не говорить про те, наскільки він важливий для рослинних і тваринних організмів, що живуть у ній. У цьому відношенні ведуча роль належить N, P, Si, що засвоюються живими організмами. Головною особливістю океанічної води є те, що основні іони характеризуються постійним співвідношенням у всьому обсязі світового океану.

Літосфера - зовнішня тверда оболонка Землі, що складає з осадових і магматичних порід. В даний час земною корою прийнято вважати верхній шар твердого тіла планети, розташований вище сейсмічної границі Мохоровичича. Поверхневий шар літосфери, у якому здійснюється взаємодія живої матерії з мінеральної (неорганічної), являє собою ґрунт. Залишки організмів після розкладання переходять у гумус (родючу частину ґрунту). Складовими частинами ґрунту служать мінерали, органічні речовини, живі організми, вода, гази.

Переважні елементи хімічного складу літосфери: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. Поступово ідея про тісний взаємозв'язок між живою і неживою природою, про зворотний вплив живих організмів і їхніх систем на навколишні їх фізичні, хімічні і геологічні фактори усе наполегливіше проникала у свідомість вчених і знаходила реалізацію в їхніх конкретних дослідженнях. Цьому сприяли і зміни, що відбулися в загальному підході натуралістів до вивчення природи. Вони усе більше переконувалися в тім, що відособлене дослідження явищ і процесів природи з позицій окремих наукових дисциплін виявляється неадекватним. Тому на рубежі ХІХ - ХХ ст. у науку усе ширше проникають ідеї цілісного, підходу до вивчення природи, що у наш час сформувалися в системний метод її вивчення.

Результати такого підходу негайно позначилися при дослідженні загальних проблем впливу біотичних, чи живих, факторів на абіотичні, чи фізичні, умови. Так, виявилося, наприклад, що склад морської води багато в чому визначається активністю морських організмів. Рослини, що живуть на піщаному ґрунті, значно змінюють її структуру. Живі організми контролюють навіть склад нашої атмосфери. Число подібних прикладів легко збільшити, і усі вони свідчать про наявність зворотного зв'язку між живою і неживою природою, у результаті якої жива речовина значною мірою змінює лик нашої Землі. Таким чином, біосферу не можна розглядати у відриві від неживої природи, від якої вона, з однієї сторони залежить, а з іншого боку - сама впливає на неї. Тому перед натуралістами виникає задача - конкретно досліджувати, яким образом і якою мірою жива речовина впливає на фізико-хімічні і геологічні процеси, що відбуваються на поверхні Землі й у земній корі. Тільки подібний підхід може дати ясне і глибоке представлення про концепцію біосфери.

5. Фотосинтез, результати фотосинтезу

У цей час відомо, що фотосинтез проходить дві стадії, але тільки одна з них - на світлі. Докази цього процесу вперше були отримані в 1905 році англійським фізіологом рослин Ф.Ф. Блэкліном, що досліджував вплив освітленості й температури на обсяг фотосинтезу.

На підставу експериментів Блэклін зробив наступні висновки.

1. Є одна група світлозалежних реакцій, які не залежать від температури. Обсяг цих реакцій у діапазоні низької освітленості міг зростати зі збільшенням освітленості, але не зі збільшенням температури.

2.Є друга група реакцій, залежних від температури, а не від світла. Виявилося, що обидві групи реакцій необхідні для здійснення фотосинтезу. Збільшення обсягу тільки однієї групи реакцій збільшує обсяг усього процесу, але тільки до того моменту, поки друга група реакцій не почне втримувати першу. Після цього необхідно прискорити другу групу реакцій, щоб перші могли проходити без обмежень.

Таким чином, було показано, що обидві стадії світлозалежні: «світлова й темнова». Важливо пам'ятати, що темнові реакції нормально проходять на світлі й мають потребу в продуктах світлової стадії. Вираз «темнові реакції» просто означає, що світло не бере участь в них участь.

Обсяг темнових реакцій зростає зі збільшенням температури, але тільки до 30^о, а потім починає падати. На підставі цього факту припустили, що темнові реакції каталізуються ферментами, оскільки обмін ферментативних реакцій, таким чином, залежить від температури. У наслідок виявилося, що даний висновок був зроблений неправильно.

На першій стадії фотосинтезу (світлові реакції) енергія світла використається для утворення АТР (молекула аденозин-трифосфата) і високоэнергетичних переносників електронів. На другій стадії фотосинтезу (темнові реакції) енергетичні продукти, що утворилися у світлових реакціях, використаються для відновлення до простого цукру (глюкози).

Процес фотосинтезу усе більше й більше залучає до себе увагу вчених. Наука близька до найважливішого питання - штучного створення за допомогою світлової енергії коштовних органічних речовин із широко розповсюджених неорганічних речовин. Проблема фотосинтезу посилено розробляється ботаніками, хіміками, фізиками й іншими фахівцями.

Останнім часом уже вдалося штучно одержати синтез формальдегіду й цукристих речовин з водяних розчинів карбонатної кислоти; при цьому роль поглинача світлової енергії грали замість хлорофілу карбонати кобальту й нікелю. Недавно синтезована молекула хлорофілу.

Успіхи науки в області синтезу органічних речовин завдають нищівного удару по ідеалістичному навчанню - віталізму, що доводив, що для утворення органічних речовин з неорганічних необхідна особлива «життєва сила» і що людина не зможе синтезувати складні органічні речовини.

Фотосинтез у рослинах здійснюється в хлоропластах. Він включає перетворення енергії (світловий процес), перетворення речовини (темновий процес). Світловий процес відбувається в гілакоїдах, темновий - у стромі хлоропластів.

Фотосинтез - єдиний процес у біосфері, ведучий до збільшення її вільної енергії за рахунок зовнішнього джерела. Запасена в продуктах фотосинтезу енергія - основне джерело енергії для людства.

Щорічно в результаті фотосинтезу на Землі утвориться 150 млрд. тонн органічної речовини й виділяється близько 200 млн. тонн вільного кисню.

Круговорот кисню, вуглецю й інших елементів, що утягують у фотосинтез, підтримує сучасний склад атмосфери, необхідний для життя на Землі.

Оскільки зелені рослини являють собою безпосередню або опосередковану базу харчування всіх інших гетеротрофних організмів, фотосинтез задовольняє потребу в їжі всього живого на нашій планеті. Він - найважливіша основа сільського й лісового господарства. Хоча можливості впливу на нього ще не великі, але все-таки й вони, у певній мірі використаються. При підвищенні концентрації вуглекислого газу в повітрі до 0,1% (проти 0,3% у природній атмосфері) вдалося, наприклад, підвищити врожайність огірків і помідорів втроє.

Зелена рослина здатна не тільки використати вуглекислий газ і створювати цукор, але й перетворювати азотні з'єднання, і з'єднання сірки в речовини, що складають його тіло. Через кореневу систему рослина одержує розчинені в ґрунтовій воді іони нітратів і переробляє їх у своїх клітинах в амінокислоти - основні компоненти всіх білкових з'єднань. Компоненти жирів також виникають із з'єднань, що утворяться в процесах обміну речовин й енергії. З жирних кислот і гліцерину виникають жири й масла, які служать для рослини, головним чином, запасними речовинами.

6. Структура в біосфері: продуценти, консументи, редуценти.

Трофічна структура передбачає розподіл організмів на продуценти, консументи та редуценти, які в конкретних екосистемах формуються за рахунок популяцій багатьох видів.

Продуценти (автотрофи, виробники) - це організми, що створюють (продукують) органічну речовину з неорганічної (води, вуглекислого газу та мінеральних солей) за рахунок сонячної енергії в процесі фотосинтезу. Утворена глюкоза (виноградний цукор), є вихідною речовиною для інших органічних спо-лук. Ці сполуки рослини використовують для підтримки обміну ре-човин та для побудови суб-станції власного тіла (фітомаса). При цьому енергія втрачається під час дихання та від-дачі тепла. Лише незначна частина світло-випромінювання - променевої енергії пере-творюється на хімічну енергію. Продуценти здатні самостійно створювати і забезпечувати себе органічною речовиною і виконують роль накопичувачів органічної речовини. До продуцентів належать зелені рослини.

Консументи (гетеротрофи) - це організми, що одержують енергію за рахунок харчування автотрофами чи іншими консументами. Вони залежать від автотрофів, оскільки для живлення потребують багатих на енергію речовин, щоб із них будува-ти субстанцію свого тіла (зоомаса). Гетеротрофи використовують енергію хімічних зв'язків органічних речовин, яка була акумульована автотрофами. Части-на енергії втрачається через дихання. Консументи розрізняють за порядками:

- консументи 1-го порядку - це росли-ноїдні тварини, наприклад рослиноїдні комахи.

- консументи 2-го порядку - поїдають консументів 1-го порядку (хижаки), наприклад ящірки, жаби, комахоїдні птахи тощо.

- консументи 3-го порядку - можуть живитися консументами 2-го порядку. Часто ними є хижі звірі, птахи.

Редуценти - це мікроорганізми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументів до простих сполук - води, вуглекислого газу, мінеральних солей, замикаючи таким чином колообіг речовин у біосфері; це - мікроорганізми (бактерії та гриби), які є гетеротрофнимидеструкторами. Їхню діяльність підтримують в екосистемі багато маленьких безхребетних тварин (рівноногі ракоподібні, кліщі, личинки комах):

- тварини-сапрофаги живляться мертвою органічною субстанцією;

- копрофаги поїдають тва-ринні екскременти, при цьому бактерії та гриби, які на них оселяються, становлять важливу частину харчування;

- некрофаги - мертвоїди.

Праця деструкторів закінчує колообіг речо-вин утворенням СО₂, NН₄, Н₂S, СН₄, Н₂ та іонів, таких як РО₄^3-,С1^-, Na⁺, К⁺, Са²⁺ та ін.

Продуценти та деструктори самі створю-ють короткий колообіг. У довгому коло-обігу між ними знаходяться консументи.