Таким образом, предметом изучения экологии является система “организмы плюс среда их обитания”, причем среда, преобразованная самими организмами и, в частности, человеком.
ЧАСТЬ 1. ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ
ТЕМА 1. НАУКА ЭКОЛОГИЯ
1. Предмет экологии.
2. Цели и задачи экологии.
3. Методология изучения экологии.
4. Структура и отрасли экологии.
5. Концепции и подходы в экологии.
6. Основные проблемы.
ПРЕДМЕТ ЭКОЛОГИИ
«Экология – это наука о взаимных связях и взаимном влиянии живых организмов и окружающей их среды».
Термин “Экология” предложил в 1866 году немецкий биолог Эрнст Геккель. Этот термин образован от греческих слов: “oikos” – дом, жилище, родина и “logos” – учение, наука и в буквальном переводе означает “наука о среде обитания”.
Э. Геккель дал такое определение экологии: “Экология – это познание экономики природы, одновременное исследование взаимоотношений всего живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно неантогонистические и антогонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Ч. Дарвином как условия борьбы за существование”.
Таким образом, предметом изучения экологии является система “организмы плюс среда их обитания”, причем среда, преобразованная самими организмами и, в частности, человеком.
В последние десятилетия, когда угроза глобального экологического кризиса коснулась всего человечества, произошел взрывообразный рост обеспокоенности и общественного интереса к экологической проблематике. Если до 60-х годов XX столетия на экологию смотрели, главным образом, как на один из разделов биологии, то сейчас она вышла за ее рамки, переросла в новую интегрированную дисциплину, связанную с естественными, инженерно-техническими и гуманитарными науками. Важность и актуальность экологических проблем для судеб человечества столь велика, что для их решения необходима мобилизация всех отраслей знаний, накопленных человечеством. Происходит взаимопроникновение и взаимообогащение целями, идеями и методами между такими науками, как: науки о Земле, математика, физика, химия, классическая экология, вычислительная техника, теория больших систем, экономика, социология, политология, юриспруденция, этика, философия, медицина и др.
Процесс проникновения идей и задач экологии в другие области знания (физика, химия, математика) получил название экологизации. Экология становится интегральной гипернаукой (“природа не знает факультетов”).
Расширение предмета экологии привело к появлению новых ее определений. Авторитетный американский эколог Юджин Одум дает такое определение (1986 г.): “Экология – междисциплинарная область знания об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе в их взаимосвязи”.Экология приобретает роль всеобъемлющего мировоззрения и превращается в учение о выборе путей выживания человечества.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ
Целью экологииявляется изучение законов функционирования экологических систем всех уровней и биосферы в целом в условиях природопреобразующей деятельности человечества и выработка тактики и стратегии поведения человечества в целях оптимизации функционирования этих систем.
На основании представленной цели сформулированы следующие задачи экологии:
1) всеобъемлющая диагностика состояния природы планеты и ее ресурсов;
2) определение порогов выносливости экологических систем по отношению к антропогенной нагрузке;
3) выработка критериев оптимальности функционирования экологических систем;
4) изучение обратимости и путей восстановления антропогенных нарушений экологических систем;
5) разработка прогнозов изменений в биосфере и состояний окружающей человека среды при разных сценариях политического, экономического и социального развития человечества;
6) отказ от дискредитировавшей себя природопокорительной идеологии и формирование идеологии и методологии экоцентризма, направленной на экологизацию экономики, производства, политики и образования.
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ
В целом все экологические проблемы модно свести к двум видам:
1. проблема роста численности населения Земли и ограниченности ресурсов;
2.проблема растущего загрязнения окружающей человека и природной среды.
Обширная экологическая проблематика имеет ряд особенностей, среди которых могут быть названы:
1) объем и интенсивность антропогенного (от гр. anthropos – человек, genos – происхождение) воздействия на природу и окружающую человека среду в XX веке стали слишком велики и приблизились к пределу устойчивости биосферы, а по некоторым параметрам и превзошли его;
2) природа отвечает на возрастающее антропогенное давление часто непредвиденными реакциями (мутации и т.п.);
3) человек оказывается в ловушке противоречия между своей биологической сущностью и нарастающим отчуждением от природы;
4) для биосферы характерен естественный круговорот веществ и энергии, человек же в своей хозяйственной деятельности часто разрушает замкнутые циклы, превращая их в линейные тупиковые цепи, заканчивающиеся отходами и загрязнением, которые не могут быть вовлечены в естественный круговорот (человек извлекает из биосферы ресурс, использует его на 10 %, а остальные 90 % в форме “грязи” возвращает в биосферу);
5) большинство экологических проблем носит феноменологический характер, т.е. человечество столкнулось с ними впервые, а цена ошибки в решении очень велика.
В частности, выделяют следующие:
1. комплекс энергетических проблем;
2. демографическая проблема;
3. недостаток экологически чистых продуктов питания и питьевой воды;
4. парниковый эффект;
5. проблема озонового слоя;
6. кислотные дожди;
7. эвтрофирование водоемов;
8. деградация наземных экологических систем;
9. экологические заболевания (злокачественные новообразования, иммунодефицит, аллергии);
10. отсутствие последовательной экологической политики;
11. уменьшение биоразнообразия (исчезновение видов представителей флоры и фауны).
ПОНЯТИЕ ЭКОСИСТЕМЫ
Основным фундаментальным понятием и объектом в экологии является экосистема. В настоящее время в научной литературе сформировалось несколько определений экосистемы.
Экологическая система или экосистема –это пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.
Любая экосистема состоит из двух частей (двух блоков): биотической и абиотической.
Биотическая часть экосистемы (биота) или биоценоз (от гр. bios – жизнь, koinos – сообщество) образована совокупностью всего входящего в нее живого вещества, т.е. флоры, фауны и микроорганизмов.
Основной функциональной единицей биоценоза является популяция.
Популяция – это совокупность разновозрастных особей одного вида, обменивающихся генетической информацией, объединенных общими условиями существования, необходимыми для поддержания численности в течение длительного времени: общность ареала, происхождения, свободное скрещивание и т.д. Популяция характеризуется рядом признаков, носителями которых является именно популяция (группа), но не отдельные особи, такими как: плотность, рождаемость, смертность, возрастная структура, половая структура, пространственная структура, динамика численности и т.д.
Совокупность популяции разных видов, которые функционируют в определенном пространстве, образуют биоценоз.
Абиотическая часть экосистемы (экотоп) или биотоп (от гр. bios – жизнь, topos – место) – образована совокупностью всего входящего в нее неживого вещества с его свойствами, т.е. неживое органическое и неорганическое вещество почвы, вода, воздух, энергия, информация.
Экосистема ‑ это биотоп + биоценоз. При этом, экосистема является не простой механической совокупностью биотопа и биоценоза, а биотоп и биоценоз взаимосвязаны в экосистеме, активно воздействуют друг на друга, образуя взаимозависимое единство и находясь при этом в относительно устойчивом состоянии. Сообщество организмов и физическая среда развиваются и функционируют как единое целое, как система.
Любое единство, включающее все организмы, населяющие данную область, и взаимодействующее с физической средой таким образом, что внешний поток энергии и информации создает определенное видовое разнообразие, обмен веществ между биотической и абиотической частями внутри системы и определенную трофическую структуру (цепи питания), представляет собой экологическую систему или экосистему.
Термин "экосистема" был предложен английским экологом Артуром Тенсли в 1935 году, но само представление об экосистеме возникло значительно раньше. В качестве синонима термина "экосистема» в научной литературе используются термины:
– биогеоценоз (для сухопутных экосистем) (В.Н. Сукачев, 1944 г.);
– биокосное тело (В.И. Вернадский, 1944 г.);
– холон (А. Костлер, 1969 г.).
СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМЫ
Структурная схема (блочная модель) экосистемы, предложенная российским экологом Владимиром Николаевичем Сукачевым, графически изображена на рис.1.
Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием четырех основных составляющих:
1) биотопа;
2) биоценоза;
3) потока вещества, энергии и информации, пронизывающего экосистему;
4) круговорота веществ внутри экосистемы.
С точки зрения теории систем экосистемы относятся к типу открытых, т.е. обмениваются с внешней средой и веществом, и энергией, и информацией.
Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Ценность этого понятия в его универсальности – оно приложимо как к относительно простым искусственным экосистемам (аквариум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и к сложным естественным (озеро, лес, океан, биосфера). В частном случае конкретная экосистема может и не содержать одного или более блоков, входящих в структурную схему (рис.1). Например, различают водные и наземные экосистемы. Все они образуют на поверхности планеты густую пеструю мозаику.
Рисунок 1 - Структурная схема (блочная модель) экосистемы.
Примеры экосистем:
1. Естественные (природные):
а) микроэкосистемы (лесная кочка, лужица);
б) мезоэкосистемы (роща, степь, озеро);
в) макроэкосистемы (тайга, океан).
2. Искусственные (антропогенные): сельскохозяйственное поле, городской парк, искусственное водохранилище, город.
Особенностью искусственных экосистем является то, что они не могут длительно сохранять свое состояние без поддержания его человеком, т.е. без внесения извне значительной энергии.
Самая крупная и наиболее близкая к идеалу "самообеспечения" экосистема, известная науке, – это биосфера, которая включает все живые организмы Земли, находящиеся в постоянном взаимодействии с физической средой Земли, в результате чего эта система, через которую проходит поток вещества, энергии и информации от Солнца, из космоса и из недр Земли, находится в состоянии устойчивого динамического равновесия.
Экосистема – понятие весьма широкое. Его главное значение для экологической теории состоит в том, что оно подчеркивает обязательное наличие материальных, энергетических и информационных взаимоотношений, взаимозависимостей и причинно-следственных связей между отдельными блоками, иначе говоря, объединения блоков в функциональное целое. Экосистема является основной функциональной единицей экологии.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Экологическими факторами называются важные для жизни организма компоненты окружающей среды, с которыми он неизбежно сталкивается.
Экологические факторы могут быть необходимы или вредны для живых существ, способствовать или препятствовать жизнедеятельности.
Совокупность экологических факторов, обуславливающих рост, развитие, выживание и воспроизводство потомства организмами образует условия существования.
Экологические факторы могут быть классифицированы по различным признакам.
1. По расположению источника фактора относительно границы экосистемы принято различать внешниеивнутренниефакторы.
• Внешниефакторы воздействуют на экосистему, но не испытывают непосредственного обратного действия (солнечная радиация, атмосферное давление, ветер и т.п.).
• Внутренниефакторы связаны со свойствами самой экосистемы и образуют ее состав (пища, концентрации веществ, состав воздуха, численность популяции и т.п.).
2. По изменению во времени (динамике) различают факторы:
· периодические (смена времени суток, времен года, приливно- отливные явления и т.п.);
· действующиебез строгой периодичности (погодные явления, наводнения, ураганы, землетрясения и т.п.);
· факторы направленного действия, изменяющиеся в одном направлении (потепление или похолодание климата, заболачивание территорий и т.п.).
3.В соответствии соструктурой экосистемы, содержащей абиотическую и биотическую части (рис.1), в ней могут быть выделены два класса факторов, определяющих ее состояние:
• абиотические факторы;
• биотические факторы.
Особый класс составляют антропогенные факторы, характеризующие различные воздействия человека на неживую и живую природу.
Абиотические факторы в соответствии со структурой биотопа разделяются на климатические, географические, эдафические и гидрологические.
- Климатическиефакторы характеризуют физико-химические свойства атмосферы. К ним относятся: температура, влажность, давление, скорость движения, степень ионизации воздуха, освещенность. Климатические факторы имеют первостепенное значение, т.к. именно от этих факторов, в первую очередь, зависит географическое распространение видов животных и растений на земной поверхности. Газовый состав воздуха, содержание посторонних газов, примесей, пыли и т.п., вообще говоря, не являются климатическими факторами, но характеризуют состояние атмосферного воздуха.
- Географическиефакторы (географическая широта, продолжительность дня и ночи, рельеф местности).
- Эдафическиефакторы (от гр. edaphos – почва) характеризуют физико-химические свойства почвы. К ним относятся: состав, структура и влажность почвы. Эдафические факторы важны для наземных животных и особенно обитателей почвы, а также для всех растений.
- Гидрологическиефакторы (от гр. hydor – вода) характеризуют физико-химические свойства воды. К ним относятся: температура, содержание солей, газов (в первую очередь кислорода и углекислого газа), микроэлементов, течение, волнение и т.д. Гидрологические факторы являются определяющими для рыб и других водных организмов.
К абиотическим факторам относят также физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующее излучение. Абиотические факторы могут быть охарактеризованы количественно и доступны для объективного измерения.
Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия на конкретный организм других организмов, населяющих общую среду обитания. Биотические факторы принято разделять на внутривидовые и межвидовые, антогонистические и неантогонистические.
- Внутривидовые биотические факторы действуют внутри данного вида в популяции. К ним относятся:
а) демографические факторы (численность и плотность популяции, продолжительность жизни особей, плодовитость, смертность и т.п.);
б) этологические факторы, т.е. поведенческие, играющие значительную роль у животных с развитой психикой (контакты между членами семьи, группы, стада, популяции, отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или, наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения, иерархии в стаде или в популяции и т.п.).
- Межвидовые биотические факторы действуют между представителями разных видов, населяющих одну экосистему. К ним относятся:
а) антогонистические:
1. хищничество ( +, – );
2. паразитизм ( +, –);
3. конкуренция ( – , – );
б) неантогонистические:
1. симбиоз (от гр. symbiosis – сожительство), (+, +) – это обоюдовыгодные, но не обязательные взаимоотношения разных видов организмов;
2. мутуализм (от лат. mutuus – взаимный), (+, +) – взаимовыгодные и обязательные для роста и выживания отношения организмов разных видов;
3. комменсализм (от лат. commensalis – сотрапезник), (+, 0) – взаимоотношения, при которых один из партнеров извлекает выгоду, а другому они безразличны;
4. нейтрализм (0, 0) – взаимоотношения, при которых организмы практически не оказывают влияния друг на друга.
ТЕМА 3. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ.
1. Характеристика и состав биосферы.
2. Биотическая структура экосистем.
3. Пищевые цепи.
Для того чтобы иметь возможность прогнозировать последствия воздействия хозяйственной деятельности человечества на природную среду, следует знать характер взаимодействия животного и растительного мира с неживой природой и изучить “опыт” природных сообществ, которые в течение миллиардов лет своего существования умели избавляться от отходов жизнедеятельности, не загрязняя среду обитания благодаря замкнутому кругообороту вещества.
ПИЩЕВЫЕ ЦЕПИ
В биологической структуре экосистем к числу важнейших взаимоотношений между организмами относятся пищевые. Можно проследить бесчисленные пути вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другим, тот – третьим и т.д. Ряд таких звеньев называется пищевой цепью. Но в экологической системе практически все пищевые цепи соединены между собой и образуют сложную цепь пищевых взаимоотношений. Продуценты, консументы и редуценты – разные уровни этой общей цепи. Эти уровни называются трофическими, что означает пищевые.
Пищевые цепи – это путь однонаправленного потока высокоэффективной солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Пищевые цепи – это также движение питательных веществ от продуцентов к консументам и, далее, к редуцентам и обратно к продуцентам.
Движение энергии в экосистемах осуществляется двумя типами пищевых сетей – пастбищной и детритной. В первой участвуют продуценты и консументы, во второй – редуценты.
Все организмы,пользующиеся одним видом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню. Продуценты – к первому уровню, первичные консументы, питающиеся продуцентами, ‑ ко второму трофическому уровню, хищники – к третьему и т.д.
Солнечная энергия по мере прохождения по цепям питания в соответствии со вторым законом термодинамики теряет свое качество, постепенно превращаясь в низкоэффективную тепловую энергию. Энергия, полученная живыми организмами, используется на каждом трофическом уровне для строительства собственной биомассы и на клеточное дыхание, в результате которого органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду:
C6H12O6 + 6O2 = 6СО2 + 6Н2О + Q
Этим уравнением и уравнением фотосинтеза характеризуется “малый круг” углеродного цикла, являющийся составной частью круговорота элементов в биосфере.
По мере движения энергии по пищевой цепи количество высококачественной энергии снижается. В среднем около 1% энергии высокого качества расходуется на построение собственной биомассы на каждом трофическом уровне и около 10% передается на следующий трофической уровень.
Указанные соотношения известны в экологии, как “правило одного процента” и “правило десяти процентов”, а схема движения энергии по трофическим уровням получила название экологической пирамиды энергетических потоков. Каждый трофический уровень в ней изображается прямоугольником, у которого длина большей стороны пропорциональна количеству энергии, накопленной на этом уровне единицей объема в единицу времени. Поскольку количество энергии по мере движения по пищевой цепи убывает, экологическая пирамида имеет вид треугольника с вершиной, обращенной вниз.
В экологии известны еще два вида пирамид ‑ пирамиды численностей и биомасс. Пирамиды биомасс характеризуют содержание сухих органических веществ на каждом трофическом уровне. Размер каждого слоя в пирамиде пропорционален сухой массе всех организмов, обитающих на единице площади (объема) каждого уровня определенной экосистемы. Для большинства наземных экосистем суммарная биомасса снижается по мере возрастания трофических уровней, в водных экосистемах биомасса фитопланктона (продуцент) может быть меньше биомассы зоопланктона.
Накопление растениями химической энергии можно считать полезной работой. Скорость, с которой накапливается химическая энергия в биомассе, называется чистой первичной продуктивностью. Она определяется, как разность между скоростью накопления энергии и скоростью использования части этой энергии в процессе клеточного дыхания.
Пищевая пирамида
ТЕМА 4.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ.
1. Закон минимума Либиха.
2. Закон толерантности Шелфорда.
3. Законы Б. Коммонера.
4. Правило Ле Шателье - Браун.
5. Закон экологической сукцессии.
6. Закон гомеостаза.
7. Закон квантитативной компенсации.
ЗАКОН МИНИМУМА Ю. ЛИБИХА.
В 1840 году немецкий химик Юстус фон Либих, выращивая растения на синтетических средах, обнаружил, что для нормального роста растения необходимо определенное число и количество химических элементов и соединений. Одни из них должны находится в среде в очень больших количествах, другие в малых, а третьи вообще в виде следов. И, что особенно важно: одни элементы не могут быть заменены другими. Среда, содержащая все элементы в изобилии, кроме одного, обеспечивает рост растения лишь до того момента, пока количество последнего не будет исчерпано. Рост ограничивается, таким образом, нехваткой единственного элемента, количество которого было ниже необходимого минимума. Этот закон, сформулированный Ю. Либихом применительно к роли химических эдафических факторов в жизни растений и названный им законом минимума, имеет, как выяснилось позже, универсальный экологический характер и играет важную роль в экологии
Закон минимума: «Если все условия окружающей среды оказываются благоприятными для рассматриваемого организма за исключением одного, проявленного недостаточно (значение которого приближается к экологическому минимуму), то в этом случае это последнее условие, называемое лимитирующим фактором, приобретает решающее значение для жизни или смерти рассматриваемого организма, а, следовательно, его присутствия или отсутствия в данной экосистеме».
ЗАКОНЫ Б. КОММОНЕРА
Законы Барри Коммонера в большей степени могут быть названы аксиомами – поговорками, чем законами, но сам ученый назвал их законами экологии. Они носят системный характер и звучат так:
1) все связано со всем;
2) все должно куда-то деваться;
3) ничто не дается даром;
4) природа знает лучше (иногда последний закон излагают в такой редакции: “Природа знает лучше человека, что лучше человеку.”).
ПРАВИЛО ЛЕ ШАТЕЛЬЕ – БРАУН
Это правило было сформулировано применительно к неравновесным химическим реакциям, но оказалось справедливым и для экосистем, которые также являются неравновесными. Оно звучит так: «При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется».
ЗАКОН ГОМЕОСТАЗА
Гомеостаз (гр. homos – тот же, одинаковый, stasis – состояние) – это способность экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды. В основе гомеостаза лежит принцип обратной связи.
Взаимодействие круговоротов веществ, потоков энергии и информации в больших экосистемах, особенно климаксных, создает самокорректирующийся гомеостаз, для поддержания которого не требуется внешнего управления.
Экосистемы имеют кибернетическую природу и характеризуются развитыми информационными сетями. В экосистеме затруднительно структурно выделить вход, выход и петлю обратной связи. В отличии от созданных человеком кибернетических устройств, управляющие функции экосистем диффузны и находятся внутри нее, а не направлены из вне. Информационные сети в экосистемах опосредуются химическими, физическими и биотическими процессами. В число управляющих механизмов на уровне экосистемы входят, например, такие субсистемы, как микробное население, субсистема “хищник – жертва” и многие другие. Равновесие в экосистемах обеспечивается, в частности, избыточностью организмов, выполняющих одинаковые функции.
Существование систем немыслимо без связей. Последние делят на прямые и обратные. Прямой называют такую связь, при которой один элемент (А) действует на другой (В) без ответной реакции. Примером такой связи может быть действие древесного яруса леса на случайно выросшее под его пологом травянистое растение или действие солнца на земные процессы. При обратной связи элемент B отвечает на действие элемента А. Обратные связи бывают положительными и отрицательными. И те, и другие играют существенную роль в экологических процессах и явлениях.
Положительная обратная связь ведет к усилению процесса в одном направлении. Пример ее ‑ заболачивание территории, например, после вырубки леса. Снятие лесного полога и уплотнение почвы обычно ведет к накоплению воды на ее поверхности. Это, в свою очередь, дает возможность поселяться здесь растениям-влагонакопителям, например, сфагновым мхам, содержание воды в которых в 25-30 раз превышает вес их тела. Процесс начинает действовать в одном направлении: увеличение увлажнения ‑ обеднение кислородом ‑ замедление разложения растительных остатков ‑ накопление торфа ‑ дальнейшее усиление заболачивания.
Отрицательная обратная связь действует таким образом, что в ответ на усиление действия элемента А увеличивается противоположная по направлению сила действия элемента В. Такая связь позволяет сохраняться системе в состоянии устойчивого динамического равновесия. Это наиболее распространенный и важный вид связей в природных системах. На них прежде всего базируется устойчивость и стабильность экосистем. Пример такой связи ‑ взаимоотношение между хищником и его жертвой. Увеличение численности жертвы как кормового ресурса, например, полевых мышей для лис, создает условия для размножения и увеличения численности последних. Они, в свою очередь, начинают более интенсивно уничтожать жертву и снижают ее численность. В целом численность хищника и жертвы синхронно колеблется в определенных границах. Второй пример: в истории биосферы имели место явления локального увеличения содержания углекислого газа в атмосфере, например, при извержении вулканов. За этим следовало повышение интенсивности фотосинтеза и связывание углекислоты в органическом веществе, а также более интенсивное поглощение ее океаном. Третий пример. В природе закономерны периодические повышения уровней почвенно-грунтовых вод. За этим следует увеличение их контакта с корневыми системами растений, повышение расходования на испарение растительностью (транспирацию) и возвращение уровней грунтовой воды в исходное состояние.
На рисунке 2. представлена качественная зависимость стабильности экосистем от интенсивности факторов внешней среды.
Действие гомеостатических механизмов имеет предел, по достижении которого усиливающиеся положительные обратные связи приводят к гибели экосистемы. “Гомеостатическое плато” имеет ряд уровней. По мере увеличения внешнего фактора в пределах “гомеостатического плато”, система хотя и продолжает осуществлять управление, но при этом устанавливаются новые равновесия на другом уровне, и система может оказаться неспособной к возвращению на тот же уровень, что и раньше.
Рисунок 2 - Качественная зависимость стабильности экосистем от интенсивности факторов внешней среды.
Устойчивость экосистем в экологии означает свойство системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния равновесия. Различают два типа устойчивости: резистентную и упругую.
Резистентная устойчивость (лат. resistentia – сопротивляемость) – способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции.
Упругая устойчивость – способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и (или) функции.
Экосистема обычно имеет преобладающим либо один, либо другой тип устойчивости, а иногда они исключают друг друга.
Новые, молодые экосистемы, особенно искусственные (например, создаваемые современным сельским хозяйством), обычно подвержены более резким колебаниям и менее способны противостоять внешним возмущениям по сравнению со зрелыми естественными экосистемами, компоненты биоценоза которых имели возможность приспособиться друг к другу. Подлинно надежный гомеостатический контроль устанавливается только после периода эволюционного приспособления, что имеет место в климаксных экосистемах.
Человек – самое могущественное существо, способное изменять функционирование экосистем. Человеческий мозг до сих пор опирался в основном на положительную обратную связь, управляя природой и властвуя над ней. Это привело к развитию техники и росту эксплуатации ресурсов. Но этот процесс в конце концов приведет к снижению качества человеческой жизни и разрушению окружающей среды, если не будут найдены пути адекватного управления с помощью отрицательной обратной связи.
Человек относится к гетеротрофам. Несмотря на могущество современной техники, он нуждается в ресурсах жизнеобеспечения, т.е. чистом воздухе, воде, пище, различных видах энергии. Существование человека возможно только при сохранении регулирующих механизмов, которые позволяют биосфере приспособиться к некоторым антропогенным воздействиям. Стремясь снизить уровень загрязнения окружающей его среды, человек должен в равной степени стремиться к сохранению механизмов саморегуляции, поддерживающих естественные системы жизнеобеспечения планеты, т.е. к сохранению установившегося в природе экологического равновесия. Последнее не всегда достигается только снижением уровня загрязнения и экономным использованием природных ресурсов.
ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ
В целях защиты атмосферы от загрязнения применяют следующие экозащитные мероприятия:
– экологизация технологических процессов;
– очистка газовых выбросов от вредных примесей;
– рассеивание газовых выбросов в атмосфере;
– соблюдение нормативов допустимых выбросов вредных веществ;
– устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планировочные решения и др.
Экологизация технологических процессов – это в первую очередь создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных загрязняющих веществ. Кроме того необходима предварительная очистка топлива или замена его более экологичными видами, применение гидрообеспыливания, рециркуляция газов, перевод различных агрегатов на электроэнергию и др.
Актуальнейшая задача современности – снижение загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами автомобилей. В настоящее время ведется активный поиск альтернативного, более «экологически чистого» топлива, чем бензин. Продолжаются разработки двигателей автомобилей, работающих на электроэнергии, солнечной энергии, спирте, водороде и др.
Очистка газовых выбросов от вредных примесей. Нынешний уровень технологий не позволяет добиться полного предотвращения поступления вредных примесей в атмосферу с газовыми выбросами. Поэтому повсеместно используются различные методы очистки отходящих газов от аэрозолей (пыли) и токсичных газо- и парообразных примесей (NО, NО2, SO2, SO3 и др.).
Для очистки выбросов от аэрозолей применяют различные типы устройств в зависимости от степени запыленности воздуха, размеров твердых частиц и требуемого уровня очистки: сухие пылеуловители (циклоны, пылеосадительные камеры), мокрые пылеуловители (скрубберы и др.), фильтры, электрофильтры (каталитические, абсорбционные, адсорбционные) и другие методы для очистки газов от токсичных газо- и парообразных примесей.
Рассеивание газовых примесей в атмосфере – это снижение их опасных концентраций до уровня соответствующего ПДК путем рассеивания пылегазовых выбросов с помощью высоких дымовых труб. Чем выше труба, тем больше ее рассеивающий эффект. К сожалению, этот метод позволяет снизить локальное загрязнение, но при этом проявляется региональное.
Устройство санитарно-защитных зон и архитекгурно-планировочные мероприятия.
Санитарно-защитная зона (СЗЗ) – это полоса, отделяющая источники промышленного загрязнения от жилых или общественных зданий для защиты населения от влияния вредных факторов производства. Ширина этих зон составляет от 50 до 1000 м в зависимости от класса производства, степени вредности и количества выделяемых в атмосферу веществ. При этом граждане, чье жилище оказалось в пределах СЗЗ, защищая свое конституционное право на благоприятную среду, могут требовать либо прекращения экологически опасной деятельности предприятия, либо переселения за счет предприятия за пределы СЗЗ.
Архитектурно-планировочные мероприятия включают правильное взаимное размещение источников выброса и населенных мест с учетом направления ветров, выбор под застройку промышленного предприятия ровного возвышенного места, хорошо продуваемого ветрами и т. д.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ
Антропогенное воздействие на гидросферу проявляется в загрязнении и истощении вод.
Загрязнение вод – привнесение или возникновение в них новых (обычно не характерных для них) вредных химических, физических, биологических компонентов.
Загрязнение вод может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным). Естественное загрязнение вод вызвано природными процессами. Например, загрязнение вод в результате извержения вулканов, водной и ветровой эрозии, абразии (разрушения) берегов, засоление пресных вод солеными и т.д. Антропогенное загрязнение связано с поступлением загрязняющих веществ в гидросферу в результате деятельности человека.
Наиболее распространено химическое и биологическое загрязнения, в меньшей степени радиоактивное, механическое и тепловое.
Химическое загрязнение – загрязнение вод неорганическими и органичес