Биосфера и её составляющие. Популяция и её структура. Вопросы населения, атомной энергетики и качества воды

Содержание

Вопрос 3. Биосфера и ее составляющие

Вопрос 13. Популяция, ее структура и динамика

Вопрос 23. Население Земли и пищевые ресурсы

Вопрос 33. Атомная энергетика. Влияние на окружающую среду

Вопрос 43. Нормирование качества воды в водоемах

Список используемой литературы

Вопрос 3. Биосфера и ее составляющие

Биосфера - это совокупность частей земных оболочек (лито, гидро и атмосфер), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.

Биосфера - это глобальная экосистема, она не образует сплошного слоя с четкими границами, а как бы пропитывает другие геосферы планеты, охватывая всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю атмосферы.

Литосфера - земная кора, внешняя твердая оболочка земного шара, образованная осадочными и базальтовыми породами.

Основная масса организмов, обитающих в литосфере, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров.

Гидросфера - водная оболочка Земли, составленная Мировым океаном, который занимает примерно 70,8% поверхности земного шара.

В гидросферу биосфера проникает практически на всю глубину Мирового океана.

Атмосфера - воздушная оболочка земли, состоящая из смеси газов, в которой преобладают кислород и азот.

Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего живого вещества; углекислый газ, используемый при фотосинтезе, а также озон, экранизирующий земную поверхность от жестокого ультрафиолетового излучения.

В атмосфере различают: тропосферу - примыкающий к поверхности Земли нижний слой атмосферы высотой около 15км, в который входят взвешенные в воздухе водяные пары и стратосферу - слой над тропосферой высотой около 100км. В стратосфере под действием жесткого излучения

Солнца из молекулярного кислорода образуется атомарный кислород, который затем, соединяясь с кислородом, превращается в озон, образующий озоновый слой, задерживая космические и ультрафиолетовые лучи, губительно действующие на живые организмы.

Вся совокупность живых организмов планеты - живое вещество, обладающее способностью расти, размножаться и расселяться по планете, составляет биомассу Земли. Вещество биосферы состоит из:

живого вещества - биомасса современных живых организмов;

биогенного вещества - всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;

биокостного вещества - смесей биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо и нефтеносные сланцы);

костного вещества - горных пород, минералов, осадков не затронутых прямых биохимических воздействий организмов.

Специфической особенностью биосферы является биогенный, то есть связанный с жизнедеятельностью живых организмов, круговорот веществ, в котором они (организмы) связаны в трофические сети (цепи потребления пищи). Здесь каждый вид использует определенные источники питания и вместе с тем сам служит пищевым объектом. Источники питания, количество, свойства и доступность пищи в значительной мере лимитируют распределение и численность любой популяции и во многом определяют её эволюционную судьбу.

Ежегодно в биосфере образуется примерно 230 млрд. тонн органического вещества. В большинстве случаев в каждом следующем звене трофической цепи биомасса организмов уменьшается на один порядок величины. Пока организм живет, он поддерживает гомеостаз (состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы - «гомео» - тот же, «стазис» - состояние) «вопреки» законам неорганического мира. Погасла жизнь организма (от примитивной амебы до млекопитающего) и начинаются неотвратимые физико-химические процессы распада. Поэтому равновесие между синтезом и распадом живого вещества является необходимым условием устойчивой жизни как биосферы Земли.

В устойчивой биосфере должны быть представлены три экологических категории организмов.

Продуценты, как правило, аутотрофы, то есть сами себя обеспечивают пищей. Это в первую очередь водоросли и растения, они используют внешние источники энергии (солнечную, геотермальную) и минеральных веществ для построения своих организмов. Процессы их жизни идут с накоплением рассеянного вещества и концентрацией превращенной энергии солнца или тепла Земли в химическую энергию биомассы.

Консументы - потребители, они используют по большей части уже произведенную органику, то есть растения, насекомых, животных. В своих клетках они преобразуют старые и создают новые органические вещества (белки, липиды, ферменты и другие), а в окружающую среду выделяют шлаки.

Редуценты необходимы для обратного процесса - деполимеризации белков и других, сложных по структуре и составу органических соединений в более простые формы, которые могут быть использованы продуцентами, наряду с неорганическими материалами.

Реальными зонами, в которых происходит биогенный круговорот веществ, являются биоценозы или экосистемы.

Биоценозом называют совокупность (набор) разных видов организмов, которые сосуществуют в данных географических и климатических условиях. Разнообразию географических условий Земли соответствуют различные биоценозы, с различными или похожими видовыми составами организмов. В каждом из биоценозов существуют вариации видов в пределах биологических родов, это обеспечивает как внутривидовой естественный отбор, так и межвидовый, в процессах конкуренции за пищевые ресурсы. Одновременно это обеспечивает устойчивость биоценоза - если что-то случится с одним из видов, и он исчезнет, его место займет близкородственный.

Множество биоценозов тоже гарантия устойчивости на уровне всей биосферы. Геологические или климатические катастрофические изменения могут «вывести из строя» один или несколько из миллионов биоценозов, но биофонд будет сохранен в других, это поддержит круговорот органических веществ и поможет восстановить со временем равновесие.

Каждая экосистема представляет из себя весьма сложную по взаимосвязям организмов систему. Нет абсолютно вредных, как и абсолютно полезных животных, птиц, насекомых и бактерий. Все определяется количественной соразмерностью составляющих элементов, то есть оптимальностью экосистемы, которая поддерживается в биосфере естественным путем. Замена биосферы подобной искусственной средой, управляемой техническими средствами, представляется утопией: просто слишком велик тот объем информации, который потребуется перерабатывать одновременно.

Чтобы быть устойчивым явлением планетарного масштаба, Жизнь объективно требует разнообразия видов организмов, разнообразия форм и уровней живой природы. На это обращал особое внимание русский академик, геохимик В.И.Вернадский, который разработал учение о биосфере как глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических процессов определяется живым веществом.

Особое место в биосфере занимает человек, разумная деятельность которого в масштабах биосферы способствует превращению последней в ноосферу (мыслящую оболочку). На этом этапе эволюция биосферы происходит под определяющим воздействием человеческого сознания в процессе производственной деятельности людей.

Ноосфера - это не что-то внешнее по отношению к биосфере, а новый этап в её развитии, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы.

Важно отметить что, любая система развивается за счет окружающей её среды. Выше отмечалось, что в основе биосферы находятся продуценты - растения. Они используют энергию, источником которой является космическая среда - солнечная система. Генофонд растений является бесценным достоянием не отдельной республики или союза государств, а всего настоящего и будущего человечества. Поэтому сохранение эндемиков - это забота о сохранение генофонда базиса биоценозов и биосферы.

Вопрос 13. Популяция, ее структура и динамика

Популяцией называют группу особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющих одну территорию. Согласно определению С.С.Шварца, популяция Ї это элементарная группировка организмов определенного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды.

Слово «популяция» происходит от латинского populus Ї народ, население. Популяциям свойственен рост, развитие, способность поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях (то есть у популяции есть определенные генетические и экологические характеристики).

В экологии популяцию рассматривают как основной элемент любого сообщества живых организмов и характеризуют такими признаками, как плотность и численность, возрастная и половая структура, рождаемость и смертность, пространственное размещение. В ней происходят основные эволюционные процессы, закрепляются адаптивные признаки, позволяющие организмам приспособиться к конкретным условиям обитания.

Устойчивое существование различных видов животных и растений требует наличия определенных экологических условий и нужных ресурсов. При перемещении из одной местности в другую и условия, и ресурсы могут меняться, причем эти изменения происходят, отнюдь не согласованно. Некоторые факторы могут меняться плавно (например, температура при продвижении с юга на север), другие Ї вовсе не меняться (например, содержание диоксида углерода в воздухе) или меняться скачкообразно (как это, допустим, происходит с изменениями состава и структуры почв). Все это приводит к тому, что подходящие для того или иного вида местообитания формируются в пространстве как бы в виде отдельных «островков». Виды заселяют эти «островки» своими популяциями. Особи популяции, размножаясь, осваивают подходящие местообитания. В этом состоит своеобразие биологических видов Ї они существуют в форме популяций.

Степень изоляции популяций зависит от способности вида к расселению, миграции, географических условий. Один вид речного окуня может обитать в различных пресных водоемах и образовывать разные популяции. Все ели в лесу образуют единую популяцию и изолированы от представителей своего вида в другом лесу. Популяции одного и того же вида могут быть отделены друг от друга четкими границами. Для водных организмов, например, такие границы, как правило, проходят по береговым линиям водоемов. У некоторых видов, однако, границы между популяциями нечеткие, размытые (например, у видов растений и животных, обитающих в наземно-воздушной среде и имеющих широкое географическое распространение). Таковы серая ворона или заяц-русак, встречающиеся в различных местообитаниях.

Каждая популяция имеет определенную структуру: возрастную (соотношение особей разного возраста), сексуальную (соотношение полов), пространственную (колонии, семьи, стаи и т.п.). Кроме того, каждая популяция, обитающая в том или ином месте, имеет определенную численность и амплитуду колебаний этой численности. Структура популяции, ее численность и динамика численности определяется экологической нишей данного вида, а именно: соответствием условий местообитания (т.е. режима факторов среды) требованиям (т.е. толерантности), слагающих популяцию организмов.

Поэтому, прямо или косвенно влияя на животный и растительный мир, человек всегда воздействует на популяции, меняет их параметры и структуру, зачастую нарушая их соответствие реальным режимам экологических факторов. В ряде случаев это может привести к гибели популяции. Типичный пример - резкое снижение численности многих животных, которые ныне занесены в Красную книгу и рассматриваются как исчезающие или находящиеся на грани уничтожения. Их крайне низкая численность исключает возможность случайного (в статистическом смысле) скрещивания, а значит, и не дает материала для естественного отбора. Крайний случай - это уничтожение (геноцид) вида, особенно если вид состоит из одной популяции. Так произошло со стеллеровой коровой, странствующим голубем, европейским быком - туром.

Важнейшее свойство популяций Ї самовоспроизводство. Даже несмотря на пространственную разобщенность, популяции способны неограниченно долго поддерживать свое существование в данном местообитании. Они являются устойчивыми во времени и пространстве группировками особей одного вида. К стайке рыб или воробьев не применим термин «популяция». Такие группы могут легко распадаться под влиянием внешних факторов или смешиваться с другими. Иными словами, они не способны устойчиво воспроизводить сами себя. Это под силу лишь крупным группам, обладающим основными свойствами вида и представленным всеми категориями слагающих его особей. Таковы, например, все особи окуня в озере или все сосны в лесном массиве.

Очевидно, что наборы условий в различных местообитаниях могут несколько различаться. Под влиянием разных условий в отдельных популяциях могут возникать и накапливаться свойства, отличающие их друг от друга. Это может проявляться в небольших отклонениях строения организмов, принадлежащих к разным популяциям, их физиологических показателей (вспомните о явлении акклиматизации) других характеристик.

Таким образом, популяции, как и отдельные организмы, обладают изменчивостью. Как и среди организмов, среди популяций невозможно найти двух полностью тождественных. Изменчивость - важнейший фактор эволюции. Популяционная изменчивость повышает внутреннее разнообразие вида. Это, в свою очередь, повышает устойчивость вида к локальным (местным) изменениям условий жизни, позволяет ему проникать и закрепляться в новых для себя условиях и районах. Можно сказать, что существование в форме популяций обогащает вид, обеспечивает его целостность и постоянное самоподдержание основных видовых свойств.

Популяции, обитающие в различных участках видового ареала (общей области распространения вида), не живут изолированно. Они взаимодействуют с популяциями других видов, образуя вместе с ними биотические сообщества, Ї целостные системы еще более высокого уровня организации. В каждом сообществе популяция данного вида играет отведенную ей роль, занимая определенную экологическую нишу и совместно с популяциями других видов обеспечивая устойчивое функционирование сообщества.

Экологи, изучающие экологические системы, рассматривают популяции в качестве их основных элементов. Именно благодаря функционированию популяций создаются условия, способствующие поддержанию жизни. Не отдельными организмами, а именно популяциями определяется характер и степень использования различных видов ресурсов. От популяций зависит круговорот веществ, энергетический обмен между живой и неживой природой. Совместная деятельность популяций определяет многие важные свойства биотических сообществ и экологических систем.

На основании сказанного можно дать более широкое определение популяции. Популяция Ї относительно изолированная группировка организмов одного вида, обладающая способностью к самоподдержанию видовых свойств и выполняющая определенную роль в сообществе живых организмов.

Популяция обладает не только биологическими свойствами составляющих ее организмов, но и собственными, которые присущи только этой группе особей в целом. Как и отдельный организм, популяция растет, совершенствуется, поддерживает сама себя. Однако групповые свойства, например обилие, рождаемость, смертность, возрастной состав, могут характеризовать, только популяцию в целом и не применимы к отдельным ее особям.

Составляющие популяцию организмы связаны друг с другом различными взаимоотношениями: они совместно участвуют в размножении, они могут конкурировать друг с другом за те или иные виды ресурсов, могут поедать друг друга или вместе обороняться от хищника. Внутренние взаимоотношения в популяциях очень сложны. Поэтому реакции отдельных особей на изменения тех или иных экологических факторов и популяционные реакции часто не совпадают.

Гибель отдельных организмов (например, от хищников) может улучшить качественный состав популяции (гибнут слабые, остаются сильные), повысить ее способность к самоподдержанию численности. Здесь мы сталкиваемся с одним очень важным правилом, применимым к экологическим объектам, состоящим из многих элементов, связанных друг с другом различными взаимоотношениями: о состоянии экологического объекта (будь то популяция, сообщество или экосистема) не всегда можно судить по состоянию его отдельных элементов.

Такие популяционные характеристики, как обилие, рождаемость, смертность, возрастной состав, называются демографическими показателями. Знание их очень важно для понимания законов, управляющих жизнью популяций и предугадывания происходящих в них постоянных изменений. Изучение демографических показателей имеет большое практическое значение. Так, при заготовках древесины очень важно знать скорость восстановления леса, чтобы правильно планировать интенсивность рубок. Некоторые популяции животных используются для получения ценного пищевого или пушного сырья. Изучение других популяций (например, мелких грызунов, среди которых циркулируют возбудители опасных для человека заболеваний) важно с медико-санитарной точки зрения.

Пространственная структура популяции. Определяется особенностями расселения популяции на территории. Часто отдельные особи образуют скопления, группы, стаи, «семьи». С помощью специальных сигналов они отмечают занимаемый участок, изгоняя вторгшихся конкурентов. У птиц для этого служит пение, у млекопитающих - выделение пахучих веществ или экскрементов. У кочующих животных имеются определенные маршруты миграции.

При резком возрастании численности иногда происходит массовая миграция особей, влекущая за собой изменение пространственной структуры популяции или вытеснение конкурирующей популяции другого вида.

Рождаемость. Это свойство характеризует способность популяции к воспроизведению, частоту появления новых особей за единицу времени (число детенышей, отложенных яиц, икринок у животных, семян и спор у растений). Рождаемость определяется скоростью возрастания численности популяции в реальных условиях.

Эта способность зависит от множества факторов: соотношения в популяции самцов и самок, количества половозрелых особей, плодовитости, числа поколений в году, обеспеченности кормом, влияния погодных условий и др. Низкая плодовитость, характерная для тех видов, которые проявляют большую заботу о потомстве, и, наоборот, высокая плодовитость говорит о плохих условиях выживания. Например, рыба - луна, которая совершенно не заботится о своем потомстве, откладывает порядка 300 млн. икринок. Такие заботливые родители, как горбуша и корюшка откладывают 1500 и 100 икринок, соответственно. Они охраняют икру и личинки от вредных внешних воздействий и от уничтожения ее хищниками. Некоторые насекомые способны давать 2-3 поколения в год, т.е. 2-3 раза в году откладывают яйца в количестве нескольких сотен; мышевидные грызуны, с периодом беременности около месяца и коротким периодом становления половой зрелости, дают 5-6 поколений; крупные теплокровные животные вынашивают плод несколько месяцев, достигают способности к воспроизводству на 3-4-й год и рождают всего 1-2 детенышей. Бактерии и простейшие, размножающиеся делением, повторяют этот акт многократно в течение нескольких часов.

Смертность. Характеризуется числом особей, умерших за определенный период, т. е. скоростью уменьшения численности популяции. Гибель особей на разных стадиях развития неодинакова. У большинства видов смертность в раннем возрасте всегда бывает выше, чем у взрослых особей. Смертность рыб на стадии икринок и мальков значительно выше, чем среди взрослых особей. Однако встречаются и такие виды, у которых смертность приблизительно одинакова во всех возрастах или преобладает у особей старших возрастов.

Чем сильнее у животных развит инстинкт заботы о потомстве, тем ниже смертность молоди. Отсутствие заботы о потомстве может компенсироваться за счет большой плодовитости особей (рыбы, земноводные, некоторые насекомые).

Факторы смертности очень разнообразны. Она может быть вызвана влиянием абиотических факторов (низкие и высокие температуры, ливневые осадки и град, избыточная и недостаточная влажность и др.), биотическими факторами (отсутствие корма, инфекционные заболевание, враги и т.д.), в том числе и антропогенными (загрязнение окружающей среды, уничтожение животных, вырубка деревьев и др.). Учитывая в тех или иных практических задачах численность популяции, всегда имеют дело с выжившими на данный момент времени особями. Поэтому фактической характеристикой состояния популяции является выживаемость. Под выживаемостью понимается доля особей в популяции, доживших до определенного момента времени или до возраста размножения.

Рождаемость и смертность регулируют численность популяции и ее возрастной состав.

Возрастная структура популяции. Определяется соотношением особей разного возраста, которое также колеблется. В стабильной популяции рождаемость равна смертности, численность популяции почти не меняется, разновозрастные группы находятся примерно в одинаковом соотношении. В растущих популяциях рождаемость превышает смертность, и численность увеличивается.

Половая структура. Определяется соотношением полов, количеством самцов и самок в популяции. Популяции разных видов неоднородны по своему половому составу. Например, у морских котиков, тюленей в гареме каждого самца находится большое количество самок. У животных, образующих пары, соотношение полов приблизительно равное.

Основные параметры популяции - ее численность и плотность.

Численность популяции Ї это общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Оно никогда не бывает постоянно и зависит от соотношения интенсивности размножения (плодовитости) и смертности. В процессе размножения происходит рост популяции, смертность же приводит к сокращению ее численности.

Для измерения численности популяций, к примеру, рыб, которые недоступны для прямого наблюдения, или популяции организмов, обитающих в почве, живущих в труднодоступных условиях, а также совершающих значительные и нерегулярные миграции, наилучшим показателем, который можно использовать для измерений популяционного обилия, является плотность.

Плотность популяции определяется количеством особей (либо биомассы) на единицу площади или измеряется в единице объема, занимаемого популяцией. Например, 150 растений сосны на 1 га или 0,5 г циклопов в 1 м 3 воды характеризует плотность популяции этих видов. Измерением плотности пользуются и в тех случаях, когда важнее знать не общую численность популяции в тот или иной момент времени, а ее динамику, то есть ход изменений численности во времени.

Плотность популяции неустойчива и колеблется в различные годы и сезоны. Она зависит от миграции особей, климатических условий, смертности, наличия ресурсов. В отдельные годы может наблюдаться вспышка численности какой-либо популяции.

Изменение численности особей в популяции влияет на плотность. Если плотность изменяется в практически постоянном объеме стации, увеличение численности особей возможно лишь до определенного предела, который допускает емкость экологической ниши. В конкретный момент времени численность особей в популяции отражает ее рождаемость и смертность. В зависимости от соотношения этих показателей говорят о балансе популяции. Если рождаемость выше, чем смертность, то популяция численно растет и наоборот. Численность и плотность популяции - не случайные величины. Они предопределены не только режимами экологических факторов в данное время, но и популяции, предыдущих поколений в том или ином сообществе. Принято говорить, что объем популяции определяется стациальной (стация - местообитание) емкостью экосистемы для представителей популяции данного вида или емкостью места локализации экологической ниши. Колебания численности живых организмов, населяющих ту или иную экологическую систему, имеют очень важное значение для человека, поскольку многие животные и растения являются объектами его хозяйственной деятельности или причиной какого-либо ущерба.

Наилучшим образом популяцию как группу организмов характеризует обилие. Мерой обилия может быть общая численность организмов в популяции. Однако измерение этих показателей применительно ко многим животным связано с большими трудностями. Для измерения обилия популяций испытано много различных методов. К наиболее распространенным из них можно отнести следующие методы:

1. Полный учет обилия популяции, возможный иногда для крупных хорошо заметных животных (например оленей, пасущихся в открытых районах тундры, или тюленей, собирающихся на период размножения в большие группы).

2. Метод пробных площадок, состоящий в подсчете организмов на небольших участках (площадках), разрезах или в малых объемах и последующего перенесения результатов подсчетов на всю область распространения популяции.

3. Метод мечения и повторного отлова (для подвижных животных). Общее количество меченых животных известно (Т). Долю, которую эти животные составляют в популяции, можно определить, взяв произвольную выборку (С) из популяции и определив в ней долю меченых (R) особей, то есть отношение (R/C). Общая численность популяции (N) в этом случае может быть просчитана на основе простой пропорции: T/N = R/C. Методы мечения используют также для определения пространственного размещения особей популяций, путей их миграций, ряда других популяционных показателей.

4. Методы без взятия проб (применим к неподвижным организмам, например, к деревьям). Таков метод случайных точек. От каждой из точек, произвольно выбранных в различных местах леса, измеряют расстояние до ближайших к ним деревьев. Это расстояние измеряется по всем четырем направлениям. Плотность деревьев на единицу площади вычисляется по формуле, учитывая среднее расстояние между стволами.

Мерой обилия могут также являться и показатели, отнесенные не к единице пространства, а к единице времени, например число птиц, отмеченных в течение часа, или количество рыб, выловленных за сутки. По сути, эти показатели отличаются от плотности лишь размерностью. И те и другие являются относительными показателями и называются индексами численности. Динамика популяции. Гомеостаз. Численность популяций зависит от многих факторов. Благоприятные климатические условия, наличие достаточного количества пищи, ослабление хищничества приводят к росту плодовитости и рождаемости, увеличению численности. И наоборот, нехватка корма, увеличение конкуренции, неблагоприятные условия уменьшают численность. Изменение численности организмов во времени называют динамикой популяции.

Существуют ограничивающие факторы, которые приводят количество особей каждого вида к оптимальному значению, совместимому со средой его обитания. Например, если при очень благоприятных условиях популяция дает вспышку размножения, то начинают складываться условия конкуренции между особями. Тогда для популяции выгодно, чтобы часть особей перестала размножаться и рост численности замедлился. Такие механизмы в природе работают очень четко. Нередка и противоположная картина: если чрезмерно расплодились хищники или мало корма, то популяция резко сокращается. Тогда включаются механизмы, стимулирующие размножение. Идет процесс саморегуляции - популяция всегда стремится достичь оптимального уровня своей численности. Мы сталкиваемся с этим в реальной жизни. Например, ведем борьбу с грызунами с помощью ядов. Стопроцентного уничтожения вредителей никогда не удается достичь. Кто-то засел в норе, кто-то был за пределами зон обработки. И вот эти уцелевшие единичные представители через некоторое время, усиленно размножаясь, восстанавливают численность популяции. Следовательно, всегда существует предельно высокая (К) и низкая (М) численность и плотность популяции, переступить которые для популяции невозможно, рис. 2.

Рисунок 2 - Некоторые типы динамики популяций: А - j-образная кривая экспоненциального роста; Б - s-образная (логистическая) кривая; В - экспоненциальный рост и такое же падение численности; М и К - нижний и верхний пределы возможной численности

В этом случае возможны два варианта дальнейшей динамики данной популяции:

1. Численность стабилизируется и в целом ее динамика будет характеризоваться так называемой логистической (S - образной) кривой (рис. 2.5.Б).

Скорость роста численности популяции в этом случае определится следующим выражением:

dN / dt = rN [( K-N ) / K],

где [( К-N ) / K] - «сопротивление среды» (совокупность факторов, препятствующих неограниченному росту численности популяции).

2. После достижения предела К наступает массовая гибель особей, возвращающая численность популяции к некоторому нижнему пределу, после чего нарастание может начаться вновь (рис. 2.5.В).

Подобные колебания численности около среднего значения (предельной биотической нагруженности среды) типичны для многих животных.

Периодические колебания связаны с регулярными измерениями факторов среды, сезонными ритмами.

В отдельные годы могут происходить вспышки численности, при этом величина популяции увеличивается в 20-40 раз без определенной периодичности.

Так возникают популяционные волны (рис.3). Важной особенностью популяции является способность к естественному регулированию плотности. Это обеспечивается особыми механизмами, поддерживающими численность популяций на определенном уровне.

Способность популяции к саморегулированию для поддержания численности на определенном уровне называется гомеостазом популяции.



Рисунок 3 - Колебания численности рыси и зайца-беляка

Обычно популяция находится в состоянии динамического равновесия, которое достигается за счет чередования положительных и отрицательных обратных связей.

При возрастании численности уменьшаются запасы пищи, организмы находятся в неблагоприятных условиях, что приводит к их массовой гибели и падению плодовитости, т. е. к сокращению популяции. Рост ее численности прекращается, пищевые ресурсы восстанавливаются, что влечет за собой повторный рост популяции. Кроме того, при повышении плотности возрастает вероятность распространения инфекционных заболеваний, приводящих к гибели части особей. При высокой плотности растений они испытывают давление со стороны «соседей» (нехватка воды, света).

В результате происходит гибель части организмов, т. е. процесс «самоизреживания».

Итак, тип динамики популяции отражает соответствие требований организма реальным условиям окружающей среды. Антропогенные воздействия способны существенно влиять на динамику популяций, отклоняя сложившиеся исторически типы от установившейся нормы.

Таким образом, все живые организмы существуют только в форме популяций. Изучение структуры и динамики популяций имеет большое практическое значение.

Не зная закономерностей жизнедеятельности популяций, нельзя обеспечить разработку научно обоснованных инженерных мероприятий по рациональному использованию и охране природных ресурсов.

Вопрос 23. Население Земли и пищевые ресурсы

Сегодня главная проблема человечества - это ограниченные ресурсы на фоне быстрого роста населения Земли. Рост населения опережает процессы восстановления ресурсов Земли. Человечество уже сейчас при численности населения в 6 млрд. человек находится в фазе ресурсного кризиса. Ресурсов не только не хватает на всех, но они еще распределены очень неоднородно.

Кроме того, рост населения является критическим фактором угрозы окружающей среде. Чем больше нас, тем больше мы разрушаем, загрязняем и потребляем.

Согласно современным археологическим данным, в начале неолита (порядка 10000 лет назад) на планете жило около 10 миллионов человек.

Во время Христа население Земли составляло ~300 млн. чел.,

В 1650 году, условному началу промышленной революции, на Земле, по оценкам, было примерно 500 млн. человек.

Более достоверные статистические данные о населении Земли можно найти примерно с 1800 года, они показывают, что за последние почти два столетия население возрастало с ускорением.

На первое удвоение численности потребовалось 2500 лет, на второе - 2000, на третье - 1500, ... , на восьмое - 100 лет (с 1850 по 1950 годы численность возросла с 1,25 миллиарда человек до 2,5 миллиардов), девятое -37 лет (в 1987 году нас было 5 миллиардов). Если продолжить эту тенденцию, то следующее удвоение до 10 миллиардов ожидается где-то в 2010 году, в 2100 году ожидается около 54 миллиардов.

Как видно из табл.1, увеличение от одного миллиарда человек до двух миллиардов произошло за 104 года, прирост следующего миллиарда жителей Земли произошел за 36 лет, последующего - за 16 лет, от 4 до 5 млрд. человек народонаселение всех стран увеличилось за 9 лет. График динамики населения Земли приведен на рис. 4.

Рисунок 4 - Динамика роста населения Земли

Ежедневно рождаются еще 250 тысяч человек, которых нужно накормить и предоставить жилье. Если эта тенденция сохранится, то, по прогнозам, уже в 2030 году население Земли достигнет 9 млрд человек.

Трудно представить себе, что будет дальше, и если человечество не найдет конструктивного решения проблемы, пищевой кризис - реальная перспектива.

Уже сейчас продовольственная проблема на нашей планете сильно беспокоит ученых. Некоторые народы уже почувствовали эту проблему в полную силу.

Ученые посчитали, что на Земле могут жить, не испытывая голода и не принося вреда природе, только 5 миллиардов человек. Тогда как нас уже сейчас более шести.

При этом регионы с наибольшей плотностью населения часто не совпадают с местами, где сельское хозяйство наиболее развито. Например, в странах Европы, Северной Америки, Австралии, где производится до 60% пищевых ресурсов, проживает всего 30% населения Земли, тогда как для Восточной Азии это соотношение составляет соответственно 28 и 53%.

Существует проблема перенаселенности определенных территорий. Она определяется соотношением плотности населения с имеющимися на данной территории ресурсами, необходимыми для существования. Например, плотность населения Нидерландов, страны с высоким уровнем развития сельского хозяйства, составляет более 1000 человек на 1 км2, тогда как для многих стран Африки, находящихся на грани голода, этот показатель не превышает 100.

Производство продовольствия для прокорма всего населения мира - одна из многих проблем пищевых ресурсов.

Другой важной проблемой является качество пищи, наличие в ней необходимых организму белков, витаминов и минералов. Кроме того, нужны обширные складские помещения под пищевые продукты, что уберечь ресурсы от гниения и вредителей.

Продовольственная проблема имеет глобальный характер и в силу своей гуманистической значимости, и в силу своей тесной связи со сложной задачей преодоления социально-экономической отсталости бывших колониальных и зависимых государств. Неудовлетворительное обеспечение продовольствием значительной части населения развивающихся стран является не только тормозом прогресса, но и источником социальной и политической нестабильности в этих государствах и мире в целом. Действительно, многие из развивающихся стран настолько бедны, а условия международной торговли для них так неблагоприятны, что зачастую им ничего не остается, как продолжать вырубать редкие леса, позволять скот вытаптывать пастбища, допускать перенос «грязных» производств и т. д., не заботясь о будущем. Именно в это заключается первопричина таких процессов как опустынивание, обезлесение, деградация почв, сокращение видового состава фауны и флоры, загрязнение воды и воздуха.

Бедственное положение большинства развивающихся стран стало крупнейшей общечеловеческой, общемировой проблемой.

Высказываются оптимистические надежды на научно-технический прогресс, который якобы может «обогатить» сельскохозяйственные угодья, повысить урожайность растений, создать оазисы в пустынях и так далее. Однако, расчеты специалистов, проведенные еще в 1990 году, показали, что в лучшем случае объем пищевых ресурсов Земли можно удвоить, но не более того. Все определяется количеством солнечной энергии, попадающей на земную поверхность.

Вопрос 33. Атомная энергетика. Влияние на окружающую среду

Энергия, выделяющаяся в ядерных реакциях, в миллионы раз выше, чем та, которую дают обычные химические реакции (например, реакция горения), так что теплотворная способность ядерного топлива оказывается неизмеримо большей, чем обычного топлива. Преимущества атомных электростанций (АЭС) перед тепловыми и гидроэлектростанциями очевидны: нет отходов, газовых выбросов, нет необходимости вести огромные объемы строительства, возводить плотины и хоронить плодородные земли на дне водохранилищ.

Пожалуй, более экологичны, чем АЭС, только электростанции, использующие энергию солнечного излучения или ветра. Но они пока маломощны и не могут обеспечить потребности людей в электроэнергии. И, хотя по сравнению с обычными электростанциями атомная энергетика более благоприятное с экологической точки зрения решение, все же и она оказывает определенное отрицательное воздействие на окружающую среду.

Стоpонники и пpотивники атомной энеpгетики pезко pасходятся в оценках ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Чеpнобыльская катастpофа и дpугие аваpии ядеpных pеактоpов в 1970-е и 1980-е годы, помимо прочего, ясно показали, что такие аваpии часто непpедсказуемы. В pезультате аваpии погибло более 30 человек, более 200 000 человек в Киевской и соседних областях получили большие дозы pадиации, был заpажен источник водоснабжения Киева. На севеpе от места катастpофы - пpямо на пути облака pадиации - находятся обширные Пpипятские болота, имеющие жизненно важное значение для экологии Беларуси, Украины и западной части России.

Аварии на объектах атомной энергетики - самый больной вопрос эксплуатации АЭС. Однако несмотря на их тяжесть, в целом вероятность таких аварий невелика. С момента появления атомной энергетики произошло не более трех десятков аварий, и лишь в четырех случаях имел место выброс радиоактивных веществ в окружающую среду. Однако масштабы загрязнений, сопутствующих таким авариям, часто приобретают глобальный характер.

До Чернобыльской катастрофы все, что связано с применением атомной энергии (даже в мирных целях) было окружено завесой секретности. Неудивительно, что многие критические ситуации в этой области стали известны человечеству только через 30-40 лет, в 90-х годах XX века... Вот только один из примеров этого ряда. 29 сентября 1957 года на комбинате «Маяк» вышла из строя система охлаждения бетонной емкости, где собирались жидкие отходы с высокой радиоактивностью. В результате произошел взрыв, и радиоактивные вещества попали в атмосферу. Они рассеялись и осели на территории Челябинской, Свердловской и Тюменской области. Длина радиоактивного следа достигла 200 км, ширина - 8-9 км. По счастливой случайности, след прошел по малонаселенной местности.

В последующие годы была проведена глубокая вспашка полей с захоронением загрязненной почвы на глубину более полуметра. Постепенно и очень медленно эти земли возвращаются в сельскохозяйственный оборот. Воздействие этого выброса на здоровье людей оценить довольно трудно, поскольку в этих районах действуют многочисленные металлургические и химические предприятия, загрязняющие атмосферу оксидами серы.

Но, даже если атомная электростанция работает идеально и без малейших сбоев, ее эксплуатация неизбежно ведет к накоплению радиоактивных веществ. Поэтому людям приходится решать очень серьезную проблему, имя которой - безопасное хранение отходов.

Отходы любой отрасли промышленности при огромных масштабах производства энергии, различных изделий и материалов создают огромной проблемой. Загрязнение окружающей среды и атмосферы во многих районах нашей планеты внушает тревогу и опасения. Речь идет о возможности сохранения животного и растительного мира уже не в первозданном виде, а хотя бы в пределах минимальных экологических норм.

Радиоактивные отходы образуются почти на всех стадиях ядерного цикла. Они накапливаются в виде жидких, твердых и газообразных веществ с разным уровнем активности и концентрации. Большинство отходов являются низкоактивными: это вода, используемая для очистки газов и поверхностей реактора, перчатки и обувь, загрязненные инструменты и перегоревшие лампочки из радиоактивных помещений, отработавшее оборудование, пыль, газовые фильтры и многое другое. Газы и загрязненную воду пропускают через специальные фильтры, пока они не достигнут чистоты атмосферного воздуха и питьевой воды. Ставшие радиоактивными фильтры перерабатывают вместе с твердыми отходами. Их смешивают с цементом и превращают в блоки или вместе с горячим битумом заливают в стальные емкости.

Труднее всего подготовить к долговременному хранению высокоактивные отходы. Лучше всего такой «мусор» превращать в стекло и керамику. Для этого отходы прокаливают и сплавляют с веществами, образующими стеклокерамическую массу. Рассчитано, что для растворения 1 мм поверхностного слоя такой массы в воде потребуется не менее 100 лет. В отличие от многих химических отходов, опасность радиоактивных отходов со временем снижается. Большая часть радиоактивных изотопов имеет период полураспада около 30 лет, поэтому уже через 300 лет они почти полностью исчезнут. Так что для окончательного удаления радиоактивных отходов необходимо строить такие долговременные хранилища, которые позволили бы надежно изолировать отходы от их проникновения в окружающую среду до полного распада радионуклидов. Такие хранилища называют могильниками.

Высокоактивные отходы долгое время выделяют значительное количество теплоты. Поэтому чаще всего их удаляют в глубинные зоны земной коры. Вокруг хранилища устанавливают контролируемую зону, в которой вводят ограничения на деятельность человека, в том числе бурение и добычу полезных ископаемых. Предлагался еще один способ решения проблемы радиоактивных отходов - отправлять их в космос. Действительно, объем отходов невелик, поэтому их можно удалить на такие космические орбиты, которые не пересекаются с орбитой Земли, и навсегда избавиться радиоактивного загрязнения. Однако этот путь был, отвергнут из-за опасности непредвиденного возвращения на Землю ракеты-носителя в случае возникновения каких-либо неполадок.В некоторых странах серьезно рассматривается метод захоронения твердых радиоактивных отходов в глубинные воды океанов. Этот метод подкупает своей простотой и экономичностью. Однако такой способ вызывает серьезные возражения, основанные на коррозионных свойствах морской воды. Высказываются опасения, что коррозия достаточно быстро нарушит целостность контейнеров, и радиоактивные вещества попадут в воду, а морские течения разнесут активность по морским просторам.

Эксплуатация АЭС сопровождается не только опасностью радиационного загрязнения, но и другими видами воздействия на окружающую среду. Тепловое загрязнение экологических систем вокруг АЭС, пожалуй, наиболее актуальная и настоятельно требующая решения проблема. Атомные электростанции производят значительный избыток тепла - в полтора-два раза выше, чем от тепловых электростанций. При работе АЭС возникает необходимость охлаждения отработанного водяного пара. Самым простым способом является охлаждение водой из реки, озера, моря или специально сооруженных бассейнов. Вода, нагретая на 5-15 °С, вновь возвращается в тот же источник. Но этот способ несет с собой опасность ухудшения экологической обстановки в водной среде в местах расположения АЭС. Большее применение находит система водоснабжения с использованием градирен, в которых охлаждение воды происходит за счет ее частичного испарения и охлаждения. Небольшие потери пополняются постоянной подпиткой свежей водой. При такой системе охлаждения в атмосферу выбрасывается огромного количество водяного пара и капельной влаги. Это может привести к увеличению количества выпадающих осадков, частоты образования туманов, облачности. В последние годы стали применять систему воздушного охлаждения водяного пара. В этом случае нет потерь воды, и она наиболее безвредна для окружающей среды. Однако такая система не работает при высокой средней температуре окружающего воздуха. Кроме того, себестоимость электроэнергии существенно возрастает.

Все сказанное свидетельствует о том, что использование энергии ядерного деления оказалось гораздо сложнее, чем предполагалось вначале. Радиация - грозная и опасная сила, но при должном отношении с ней вполне можно работать. Ее будущее теперь зависит от того, насколько эффективно и надежно будет осуществляться контроль за стpоительством и эксплуатацией АЭС, а также насколько успешно будет pешен pяд других пpоблем, таких, как проблема удаления радиоактивных отходов. Специалисты, которые могут наиболее квалифицированно оценить достоинства и возможности использования ядерной энергетики, считают, что человечеству уже не обойтись без энергии атома. Ядерная энергетика - один из наиболее перспективных путей утоления энергетического голода человечества в условиях энергетических проблем, связанных с использованием ископаемого горючего топлива. Но, только после того как будут решены многочисленные технические и экологические проблемы и вопросы безопасности. Но для решения проблем топливной базы атомной энергетики и обезвреживания радиоактивных и иных отходов потребуются объединенные усилия всего человеческого общества.

Вопрос 43. Нормирование качества воды в водоемах

Нормирование качества воды рек, озер и водохранилищ проводят в соответствии с «Санитарными правилами и нормами «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» СанПиН 2.1.5.980-00» (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 22.06.2000). Санитарными правилами установлены гигиенические нормативы состава и свойств воды в водных объектах для двух категорий водопользования.

1. К первой категории водопользования относится использование водных объектов или их участков в качестве источника питьевого и хозяйственно-бытового водопользования, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.

2. Ко второй категории водопользования относится использование водных объектов или их участков для рекреационного водопользования. Требования к качеству воды, установленные для второй категории водопользования, распространяются также на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест. Действующие нормы о предельно допустимых концентрациях химических веществ в воде водных объектов, утв. Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 30.04.2003 N 78.

Качество воды водных объектов должно соответствовать требованиям, указанным в таблице 1.

Таблица 1 - Общие требования к составу и свойствам воды водных объектов в контрольных створах и местах питьевого, хозяйственно-бытового и рекреационного водопользования

		Категории водопользования
№	Показатели	Для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, а также для водоснабжения пищевых предприятий	Для рекреационного водопользования, а также в черте населенных мест
1	Взвешенные вещества*	При сбросе сточных вод, производстве работ на водном объекте и в прибрежной зоне содержание взвешенных веществ в контрольном створе (пункте) не должно увеличиваться по сравнению с естественными условиями более чем на
		0,25 мг/дм3	0,75 мг/дм3
		Для водных объектов, содержащих в межень более 30 мг/дм3 природных взвешенных веществ, допускается увеличение их содержания в воде в пределах 5 %. Взвеси со скоростью выпадения более 0,4 мм/с для проточных водоемов и более 0,2 мм/с для водохранилищ к спуску запрещаются
2	Плавающие примеси	На поверхности воды не должны обнаруживаться пленки нефтепродуктов, масел, жиров и скопление других примесей
3	Окраска	Не должна обнаруживаться в столбике
		20 см	10 см
4	Запахи	Вода не должна приобретать запахи интенсивностью более 2 баллов, обнаруживаемые:
		непосредственно или при последующем хлорировании или других способах обработки	непосредственно
5	Температура	Летняя температура воды в результате сброса сточных вод не должна повышаться более чем на 3°С по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет
6	Водородный показатель (рН)	Не должен выходить за пределы 6,5--8,5
7	Минерализация воды	Не более 1000 мг/дм3, в т. ч.: хлоридов - 350; сульфатов - 500 мг/дм3
8	Растворенный кислород	Не должен быть менее 4 мг/дм3 в любой период года, в пробе, отобранной до 12 часов дня.
9	Биохимическое потребление	Не должно превышать при температуре 20 °С
	кислорода (БПК5)	2 мг О2/дм3	4 мг О2/дм3
10	Химическое потребление кислорода (бихроматная	Не должно превышать:
	окисляемость), ХПК	15 мг О2/дм3	30 мгО2/дм3
11	Химические вещества	Не должны содержаться в воде водных объектов в концентрациях, превышающих ПДК или ОДУ
12	Возбудители кишечных инфекций	Вода не должна содержать возбудителей кишечных инфекций
13	Жизнеспособные яйца гельминтов (аскарид, власоглав, токсокар, фасциол), онкосферы тениид и жизне-способные цисты патогенных кишечных простейших	Не должны содержаться в 25 л воды
14	Термотолерантные колиформные бактерии**	Не более 100 КОЕ/100 мл **	Не более 100 КОЕ/100 мл
15	Общие колиформные	Не более
	бактерии **	1000 КОЕ/100 мл**	500 КОЕ/100 мл
16	Колифаги **	Не более
		10 БОЕ/100 мл**	10 БОЕ/100 мл
17	Суммарная объемная активность радионуклидов при совместном присутствии***	(Ai / YBi) l

Примечания.

* Содержание в воде взвешенных веществ неприродного происхождения (хлопья гидроксидов металлов, образующихся при обработке сточных вод, частички асбеста, стекловолокна, базальта, капрона, лавсана и т. д.) не допускается.

** Для централизованного водоснабжения; при нецентрализованном питьевом водоснабжении вода подлежит обеззараживанию.

*** В случае превышения указанных уровней радиоактивного загрязнения контролируемой воды проводится дополнительный контроль радионуклидного загрязнения в соответствии с действующими нормами радиационной безопасности;

Ai - удельная активность i-го радионуклида в воде;

YBi - соответствующий уровень вмешательства для i-го радионуклида (приложение П-2 НРБ-99).

Содержание химических веществ не должно превышать гигиенические предельно допустимые концентрации и ориентировочные допустимые уровни веществ в воде водных объектов, утвержденные в установленном порядке (ГН 2.1.5.689-98, ГН 2.1.5.690-98 с дополнениями).

При отсутствии установленных гигиенических нормативов водопользователь обеспечивает разработку ОДУ или ПДК, а также метода определения вещества и/или продуктов его трансформации с нижним пределом измерения <= 0,5 ПДК.