Экология: проблемы и решения

23.03.89 астероид размером с современный  авианосец пересек орбиту Земли  в точке, которую Земля прошла примерно 6 ч назад. Это столкновение могло для Земли оказаться катастрофическим.

По инициативе Американского института  аэронавтики и астронавтики (HAСA) и Центрального аэрогидродинамического института им. Жуковского (ЦАГИ, Москва) прошли международные семинары (1995–1996), посвященные системе защиты Земли от столкновений с астероидами. В результате сформирован международный инициативный комитет, состояний из ядерщиков, ракетчиков, астрономов с задачей разработки проекта защиты Земли от опасных космических объектов.

Контрольные вопросы

1. Предположения о происхождении Вселенной
2. Некоторые данные о планете Земля.
3. Геологическая история планеты Земля (палеоклимат, распределение тепла и влаги на поверхности Земли, формирование лика Земли)
4. Биологическая эволюция.
5. В. И. Вернадский об эволюции биосферы.
6. Генетический код.
7. Эволюция животного и растительного миров.
8. Природные катастрофические явления, их краткая характеристика.
9. Космические явления.

Биоэкология

Биоэкология (в первоначальном толковании этого термина) изучает отношения  организмов (особей, популяций) между  собой и окружающей средой и включает экологию особей (аутэкологию), популяционную экологию (демэкологию) и экологию сообществ (синэкологию).

В настоящее время описано 500 тыс. видов насекомых и около  
40 тыс. видов грибов.

На протяжении многих сотен тысяч  лет человек оказывал негативное влияние на природу (1–2 тыс. лет тому назад были истреблены: мамонт, гигантский олень и шерстяной носорог). За последние 300 лет исчезли 36 видов млекопитающих, 94 вида птиц, а исчезновение беспозвоночных и растений плохо поддаются оценке и насчитываются тысячами.

Классификация органического мира. Первые организмы на Земле были гетеротрофами, использующими в качестве источников питания и энергии вещества, созданные другими организмами. Они быстро исчезли бы, если бы не появились автотрофы, которые синтезируют органические вещества, а гетеротрофы их потребляют. При этом происходит расщепление органических веществ, которые используются автотрофами и в результате возникает круговорот веществ и энергии между организмами, населяющими экосистему.

Растения синтезируют органические соединения, используя солнечную энергию и питательные вещества из почвы и воды. Эти соединения служат строительным материалом для образования тканей и источником энергии, необходимой для поддержания функций растений. Для высвобождения запасенной химической энергии гетеротрофы разлагают органические соединения на исходные неорганические компоненты: оксид углерода, воду, нитраты, фосфаты и др., завершая тем самым круговорот веществ в окружающей среде.

Взаимодействие организмов с внешней средой происходит путем обмена веществ и энергии: питание, дыхание, выделение экскрементов.

Следовательно, по способу питания  все организмы подразделяются на автотрофы и гетеротрофы. К автотрофам относится большая часть растений, осуществляющих превращение неорганических веществ в органические (фотосинтез, хемосинтез). К гетеротрофам относятся животные и большая часть микроорганизмов, которые самостоятельно не синтезируют органические вещества и используют их в готовом виде.

Гетеротрофы по современной классификации делятся на три категории: некротрофы, убивающие объект питания; биотрофы, питающиеся за счет других организмов (паразиты, кровососы и др.); сапротрофы, питающиеся мертвой органикой. Человек, как биологический вид, принадлежит к числу некротрофов.

По механизму превращения неорганических веществ в органические автотрофы  подразделяются на фототрофы, использующие фотосинтез, к которым относятся  зеленые растения, сине-зеленые водоросли  и др.; и хемотрофы, использующие хемосинтез, т. е. окисление аммиака и сернистого водорода, к которым относятся бактерии.

По способу питания и механизму  превращения энергии все живые  вещества подразделяются на:

доядерное “надцарство” — это  дробянки: бактерии, архибактерии, цианеи (сине-зеленые водоросли);

ядерное “надцарство” — это растения (низшие водоросли и высшие растения), грибы (миксомицеты-слизевики и высшие грибы) и животные (простейшие – одноклеточные и многоклеточные животные).

Такое деление основано на закономерностях  эволюционного развития и клеточного строения организмов. Непрерывность эволюции говорит о том, что термодинамические условия на Земле достаточно устойчивы на протяжении 3,9 млрд лет и важнейшими факторами выступают наследственность, изменчивость, естественный отбор.

Большая часть организмов относится к аэробным, т. е. живущим в кислородной среде, и только некоторые микроорганизмы относятся к анаэробным, т. е. обитающим вне кислородной среды.

В биологической среде имеет  место полный замкнутый цикл, включающий рождение ® развитие ® отмирание ® утилизацию ® рождение. Перенос энергии и вещества в биосфере осуществля6ется на основе пищевых-трофических цепей. Каждая цепь состоит из последовательного ряда организмов, каждый из которых является источником жизни для последующих.

По отношению к трофическим  цепям (связям) организмы экосистемы подразделяются на продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты (самопитающиеся) — производители первичной продукции, т. е. организмы-автотрофы (пурпурные бактерии и сине-зеленые водоросли, где основным процессом обмена является фотосинтез, и бактерии, где основным процессом обмена является хемосинтез). Продуценты обеспечивают органическим веществом все живое население Земли.

Консументы — организмы гетеротрофы, потребляющие органические вещества, созданные продуцентами (животные, большинство микроорганизмов и насекомоядные растения (частично)).

Редуценты — восстановители, деструкторы, т. е. организмы, разлагающие органические вещества и превращающие их в неорганические, усваимые другими организмами (бактерии, грибы, сапрофаги, некрофаги и др.). Редуценты являются завершающим звеном в биологическом круговороте веществ.

Итак, экосистема представляет собой  любое непрерывно меняющееся единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее  с окружающей средой таким образом, что поток энергии создает определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы.

Следует отметить, что живой природе  свойственно существование иерархии систематических единиц и основной таксономической категорией является вид — основная единица эволюции. Это целостная система, компонентами которой являются особи, популяции. Образуемые ими структуры вступают во взаимодействие, в результате которого проявляются новые качества, не присущие ни одному из компонентов. Центральное место в системе вида занимает популяция, так как эволюционирующей системой являются не отдельные организмы, а популяция. Популяция — это совокупность организмов одного вида, находящихся в сходных условиях, т. е. занимающих определенные экологическую нишу и ареал.

Любое изменение свойств природной  среды соответствует адаптированности особей. Генетические исследования показывают, что природные популяции обладают колоссальным запасом изменчивости.

Вид в среде, где он обитает, занимает определенное место, которое обусловлено его потребностями в пище, территории и связано с воспроизводством. Такое место называется экологической нишей.

Огромные поверхности, на которых  флора, созданная несколькими доминирующими видами, в сочетании со специфической фауной называется биомом. В биомы включают леса, тундры, прерии, саванны, пустыни, горные леса — все это близко или совпадает с понятием ландшафтной провинции. Кроме того, в биомы включены и континентальные водные бассейны, где флора и фауна различаются в зависимости от географических районов. Океанические воды в это понятие не входят.

Синтетическая теория эволюции — основное достижение биологии ХХ в. Синтез генетики и классического дарвинизма и создание синтетической теории эволюции могут быть отнесены к числу основных достижений биологии XX в., которая характеризуется 10 постулатами.

1. Популяция — наименьшая эволюционизирующая единица;

2. Основной фактор эволюции — естественный отбор случайных и мелких мутаций;

3. У вида, популяции должен быть  общий предок, т. е. эволюция носит дивергентный характер;

4. Каждая систематическая единица  (вид, род, семейство) должна  иметь единственный корень, т. е. классификация производится на родстве, а не на сходстве;

5. Эволюция носит постепенный  и длительный характер;

6. Вид — генетическая, замкнутая система, а поэтому поток генов возможен только внутри вида;

7. Макроэволюция за пределами  вида прекращается, т. е. имеет место путь микроэволюции;

8. Вид состоит из множества  популяций;

9. Изменчивость носит случайный  характер;

10. Эволюция непредсказуема.

Академик Н.И. Вавилов отмечал  неслучайный характер изменчивости вида и возможность его канализированности, т. е. эволюция, начавшаяся случайно, далее канализируется, направляется и адаптируется к внешним условиям. Следовательно, происходит изменение вида.

В. Н. Сукачевым (1942) введено понятие биогеоценоз, под которым понимается однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамического взаимодействия между ними (обмен вещества и энергии).

Понятие биоценоз введено К. Мёбиусом (1877). Биоценоз — это сосуществование растений, животных и микроорганизмов, находящихся в разных отношениях: постоянное или временное сожительство, совместное сосуществование, симбиоз (постоянное или длительное сожительство организмов разных видов, приносящее им взаимную пользу), паразитизм.

Косная среда получила название биотоп, под которым понимают не только вещества, но и физико-химические факторы (температура, влажность, свет, химический состав и др.).

Совокупность биогеоценозов, находящихся  в динамическом равновесии и связанных между собой геохимическими циклами, перемещением воды и растворов, флуктуациями климата и деятельностью человека, — это биота (Н.В. Тимофеев-Ресовский).

Частью биотопа является почва (педосфера), являющаяся не основной, а  производной составляющей биотопа, так как образовалась при взаимодействии литосферы, атмосферы, гидросферы и живого вещества. Почвы следует рассматривать как особое природное образование, обладающее уникальным свойством — плодородием.

Физико-химические факторы, действующие на живые организмы. Среди физико-химических факторов, действующих на живые организмы выделяют климатические факторы, почвенные факторы и факторы водной среды.

Климатические факторы представляют собой климат в регионе (макроклимат) и местный климат (мезоклимат). К основным климатическим факторам относятся температура, влажность и свет.

Температура. В общем случае любой вид способен существовать только в пределах определенного интервала температур. Клетки всех живых организмов способны жить с учетом свойств протоплазмы в узком интервале температур от 0 до +50 °С. Но некоторые организмы, обладающие специальными приспособлениями, могут выносить экстремальные температуры в течение длительного времени.

Влажность. На протяжении длительного времени развитие живой природы проходило в водной среде, поэтому влажность очень важна для живого вещества. Влажность — это количество водяного пара в воздухе, г/м³. На практике используют понятие относительной влажности воздуха, как процентное отношение реального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре и измеряется гигрометром или психрометром. Наиболее простым показателем измерения влажности является количество осадков, мм/см², помесячно и в целом за год (например, в Центральной Европе в среднем за год выпадает 803 л/м² за год. Это количество воды распределяется следующим образом: 111 мм испаряется с почвы и других поверхностей и 289 мм — растениями; 304 мм стекает в водоемы; 112 мм проникает в грунтовые воды.

Свет. По своему воздействию на живую материю свет уступает воздействию температуры и влажности, но он необходим живой природе, так как служит для нее источником энергии. Так, хлорофилоносные растения, если не считать некоторых бактерий, являются организмами, синтезирующими органические вещества из воды, минеральных солей и углекислого газа при помощи лучистой энергии. Все остальные живые вещества в своем питании прямо или косвенно зависят от этих растений.

Свет — это электромагнитные излучения, лежащие в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной частях света. Ультрафиолетовые лучи несут много энергии и обладают высоким фотохимическим действием. Хлорофилоносные растения сильнее всего поглощают лучи, лежащие в красной и сине-фиолетовой частях спектра. Остальные лучи отражаются от поверхности растений, придавая им зеленую окраску.

В водной среде поглощаются красные  и синие лучи, поэтому в верхних  слоях зеленые и бурые водоросли, а на глубине — красные водоросли, поглощающие зеленые лучи. Предельная глубина фотосинтеза 150 м.

Большое значение имеет интенсивность  света, с которой связано развитие живых организмов. Наибольшее экологическое значение имеет смена дня и ночи, что способствует развитию свето- и темнолюбивых животных и растений.

К вторичным климатическим  факторам относятся ветер, изменения атмосферного давления, ионизация окружающего воздуха перед грозой, высота над уровнем моря, определяющие режим проживания живых организмов.

Почвенные факторы — это совокупность физических и химических свойств почвы, способных оказывать экологическое воздействие на живые организмы.

К основным свойствам почвы относятся физическая структура (наклон, глубина, гранулометрия), ее химический состав и наличие циркулирующих веществ — газов (условия аэрации), воды, органических и минеральных веществ в форме ионов.

Важнейшей характеристикой является влажность почвы, которая зависит от физических и химических свойств почвы, частицы которой, в зависимости от их размеров, содержания органических веществ способны удерживать различное количество воды. Такая вода недоступна растениям, но она определяет их жизнь.