Ян Мархоцкий
Основы экологии и энергосбережения

© Мархоцкий Я. Л., 2014

© Оформление. УП «Издательство „Вышэйшая школа“», 2014

Предисловие

Человек еще очень мало знает о среде, в которой он живет (особенно о механизмах, которые ее формируют и охраняют). Раскрытие этих механизмов – одна из важнейших задач современной экологии.

С экологическими проблемами теснейшим образом связана энергетическая проблема: так, топливно-энергетический баланс планеты состоит в основном из загрязнителей биосферы – нефти, угля, газа. В связи с этим главной задачей энергетики является получение энергии из альтернативных возобновляемых источников, которые в меньшей степени будут загрязнять внешнюю среду.

Современные экологические знания и знания по энергосбережению являются диалектическим единством в системе «человек – общество – природа». Эти знания содержат природоведческие и общественно-гигиенические, технико-технологические, медицинские и морально-этические системы взаимодействия общества и природы.

Экология проникла практически во все отрасли знаний. При этом она рассматривается не только как самостоятельная дисциплина, но и как мировоззрение, призванное объединять все науки, технологические процессы и сферы деятельности людей.

Наряду с экологическим образованием существенное внимание уделяется экологическому воспитанию, с которым связывается бережное отношение к природе, культурному наследию, социальным благам.

Целью изучения экологии и энергосбережения является:

• формирование у студентов представления об отношении живых организмов между собой и с окружающей средой;

• изучение основных принципов функционирования экосистем;

• разработка мероприятий по улучшению среды обитания людей и предотвращению нежелательных изменений биосферы;

• изучение основных нормативно-правовых документов по энергосбережению;

• характеристика топливно-энергетических ресурсов, способов получения и преобразования энергии, основных направлений энергосбережения и экологических проблем современной энергетики.

В связи с этим студентам необходимо изучить вопросы, касающиеся:

• учения о биосфере и экологических факторах среды;

• основных принципов функционирования экосистем;

• биосферы и влияния ее на жизнедеятельность флоры и фауны;

• глобальных экологических проблем современности и взаимодействия человека и природы;

• взаимосвязи между компонентами и элементами природы;

• норм и правил поведения человека в окружающей природной среде, охраны природы.

Считаю своим долгом выразить признательность рецензентам за советы и замечания, способствующие улучшению пособия.

Автор

Глава 1. Экология как наука

1.1. Историческое развитие экологии

Еще античными мыслителями и философами рассматривались взаимоотношения между живыми организмами и окружающей природной средой. Например, Аристотель классифицировал животных по образу жизни и способу питания. В сочинениях Гиппократа содержатся сведения о влиянии факторов среды на здоровье людей.

Еще на заре развития цивилизации экология приобрела практическое значение; по-видимому, она одна из древнейших наук. Целенаправленное преобразование природной среды уходит в глубокую древность, например:

• подсечное земледелие, т. е. вырубка лесов и использование освободившихся земель для выращивания культурных растений;

• создание систем искусственного орошения посевов.

Интерес к среде своего обитания был свойствен человеку всегда, так как от качества этой среды зависело не только благополучие семьи, рода, племени, но и само их существование.

В средние века господство схоластики ослабило интерес к изучению природы. Однако в эпоху Возрождения великие географические открытия снова возродили исследования ученых. В XVII–XVIII вв. экологические сведения встречались в работах зоологов, путешествующих натуралистов. В эпоху Возрождения человек начал открывать новые природные территории. Благодаря экспедициям знаменитых путешественников того времени – Христофора Колумба, Васко да Гама и других мореплавателей в рационе питания современных людей появились такие продукты, как картофель, томаты, кофе, чай, рис, кукуруза, пряности, рыба, морепродукты, экзотические овощи и плоды.

В 1749 г. шведский естествоиспытатель Карл Линней (1707–1778) опубликовал диссертацию «Система природы», где изложил свои взгляды на взаимоотношения живых организмов и влияние на их жизнь условий внешней среды. Заслуга К. Линнея в том, что он впервые последовательно для каждого вида растений, животных и микроорганизмов применил двойную (бинарную) номенклатуру – первое латинское название означало название рода, второе – видовую принадлежность.

Существенное влияние на формирование экологических взглядов имели работы автора первого эволюционного учения французского естествоиспытателя Жана Батиста Ламарка (1744–1829). Он выделял влияние «внешних обстоятельств» в качестве одной из наиболее важных причин эволюции животных и растений.

Экологическое направление в изучении географии растений заложили труды немецкого путешественника и географа Александра Гумбольдта (1769–1859). Растительность в биосфере распределена в соответствии с географической зональностью. В сходных географических условиях у растений разных таксономических групп вырабатываются сходные «физиономические» формы, т. е. создается одинаковый внешний облик. По распределению и соотношению этих форм можно судить о специфике физико-географической среды.

Значительный вклад в экологическое мышление внесли труды русского зоолога К. Ф. Рулье (1814–1858), которого по праву считают основоположником экологии животных. Его ученик Н. А. Северцов (1827–1885) издал монографию «Периодические явления в жизни зверей и птиц» (1855), не утратившую своего значения до наших дней.

Благодаря работам английского естествоиспытателя Чарльза Дарвина (1809–1882) развитие биологических наук обрело научную основу. В 1859 г. появился труд Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора», который положил начало целой эпохе в развитии биологии и послужил мощной основой для становления экологического направления. В науке появились и закрепились идеи постепенного преобразования одних видов в другие путем естественного отбора на основе борьбы за существование.

В 1866 г. немецкий биолог Эрнст Геккель (1834–1919) написал свою книгу «Общая морфология организмов», в которой было дано первое определение экологии: «Под экологией мы подразумеваем общую науку об отношениях организмов к окружающей среде, куда мы относим все условия существования в широком смысле этого слова. Они имеют частично органическую, частично неорганическую природу». Исходя из идей Ч. Дарвина, Э. Геккель дал развернутую характеристику этой отрасли знаний.

В программной речи «О пути развития и задаче зоологии», произнесенной в 1869 г., Э. Геккель сказал: «Под экологией мы подразумеваем науку об экономии, домашнем быте животных организмов. Она исследует общие отношения животных как к их неорганической, так и к органической среде, их дружественные и враждебные отношения к другим животным и растениям, с которыми они вступают в прямые и непрямые контакты, или, одним словом, все те запутанные взаимоотношения, которые Ч. Дарвин условно обозначил как борьбу за существование».

Однако термин «экология» получил признание у научной общественности только в конце XIX в. В начале XX в. оформились и начали развиваться экологические школы ботаников, зоологов, гидробиологов и т. д. На III Ботаническом конгрессе в Брюсселе в 1910 г. экология растений официально разделилась на экологию особей (аутэкологию) и экологию сообществ (синэкологию). Это деление распространилось на общую экологию и экологию животных.

В 1913–1920 гг. вышли экологические труды В. Шелфорда, Ч. Адамса, С. А. Зернова. Создавались экологические научные общества, журналы; экологию стали преподавать в высших учебных заведениях. Исследования многих выдающихся ученых, таких, как Г. Ф. Морозов, А. Д. Тенсли, Р. Линдеман, Ю. Одум и др., позволили создать совокупность знаний, идей, концепций, законов, которые являются фундаментом экологии.

Во второй половине XX в. экология как наука развивается особенно бурно, поскольку антропогенные изменения окружающей среды приобрели такие размеры, что человек (прямо или косвенно) сам стал их жертвой, а именно:

• бурный рост населения и увеличение урбанизированных площадей;

• загрязнение Мирового океана;

• вырубка лесов и рост поголовья скота;

• нехватка пресной воды;

• широкое применение пестицидов, химических удобрений, мелиорация, радиоактивное загрязнение;

• загрязнение биосферы отходами промышленности, сельского хозяйства, автотранспорта;

• накопление в биосфере фотооксидантов, ксенобиотиков тяжелых металлов;

• образование кислотных осадков, парниковый эффект, истощение озонового слоя и другие негативные факторы.

В 1972 г. ООН создала и провела в Стокгольме Первое Международное совещание по окружающей человека антропогенно измененной природной среде. Было принято решение о создании постоянно действующей комиссии Международной организации по охране окружающей среды (ЮНЕП). Программа ООН по окружающей среде действует и в настоящее время.

Основой современной экологии является биология, или общая экология (фундаментальная экология), изучающая всю природу в целом, уровни организации жизни на Земле, устойчивость живой природы.

1.2. Основные цели и задачи экологии

Термин «экология» предложен в 1866 г. Э. Геккелем (от греч. óikos – дом, жилище, местообитание, logos – наука, изучение). Образно говоря, экология – это наука о том, как жить и хозяйствовать в собственном доме. Каждый вид имеет свой дом; для современного человека – это вся планета Земля и околоземное космическое пространство.

Первоначально под «экологией человека» понимали раздел медицины, изучающий влияние внешней среды на человека. Но это влияние изучали и другие дисциплины. В данном случае необходимо учитывать не только влияние среды на человека, но и влияние человека на природу, т. е. антропогенное воздействие на окружающий мир. Предметом исследования общей экологии являются био- и геосистемы различных уровней организации и их динамика во времени и пространстве под влиянием внутренних и внешних факторов.

Экология человека – это интегральная наука, изучающая взаимоотношения человека с окружающей средой. Она, как и общая экология, развивается на организменном, популяционном, видовом, биоценотическом и биогеоценотическом уровнях. Экология человека рассматривает:

• отношение человека к определенным биотическим и абиотическим факторам;

• отрицательные явления, возникающие в процессе взаимоотношений общества и природы;

• негативное воздействие окружающей среды, измененной человеком, на природу самого человека, на состояние его здоровья.

Следовательно, выживаемость человека в полной мере зависит от него самого, от коренного изменения его воздействия на природу. Человек оказывает воздействие не только на животных, растения и микроорганизмы, но и на микро-, мезо- и макроэкосистемы, ландшафты, биосферу в целом и дальнейшее ее развитие.

В связи с этим экологию человека можно представить как новое комплексное междисциплинарное научное направление, изучающее взаимодействие общества с природой и техногенной средой, возможность управлять здоровьем человеческой популяции, ее усовершенствованием и развитием.

Постоянно возрастает влияние человека на биосферу. Преобразуется облик планеты:

• исчезают леса, а вместе с ними и некоторые виды растений и животных;

• истощаются запасы полезных ископаемых;

• ухудшается качество пищевых продуктов;

• осушаются болота и сооружаются новые водохранилища;

• некоторые из твердых и жидких отходов промышленности и сельского хозяйства не распадаются и не окисляются;

• естественные первичные биоценозы заменяются вторичными агроценозами: фотооксидантами и ксенобиотиками;

• выпадают кислотные и радиоактивные осадки;

• широко применяются пестициды и минеральные удобрения;

• канцерогенные углеводороды изменяют химический состав воды, воздуха и почвы;

• происходит постоянный прирост населения Земли;

• из-за парникового эффекта, истончения озонового экрана, электромагнитных излучений и многих других явлений возникают большие проблемы.

Экологическая безопасность должна входить в структуру национальной безопасности и обеспечивать:

• охрану среды и здоровья людей;

• распространение достоверной информации о состоянии природной среды и здоровья населения;

• проведение общественной экологической экспертизы и оценку экологического риска;

• защиту прав и интересов граждан;

• общественный контроль за соблюдением законодательства в области природопользования.

Основной целью экологии является:

• изучение взаимоотношений организмов между собой и окружающей средой;

• изучение структуры и организации экологических систем различного уровня;

• рациональное использование природных (естественных) ресурсов для потребления;

• сохранение биологического разнообразия и ресурсов растительного и животного мира;

• охрана флоры и фауны (заповедники, национальные парки, заказники, ландшафтные парки, памятники природы);

• упорядочение диалектического единства в системе «человек – общество – природа»;

• профилактика современного экологического кризиса и его последствий;

• формирование у населения экологического сознания и экологической культуры.

Стратегическими задачами современной экологии являются:

• развитие системы взаимодействия «человек – общество – природа». Эти задачи носят межведомственный характер и заключаются в изучении природоведческих и общественно-исторических, социально-экономических, санитарно-гигиенических, технико-технологических, медицинских и морально-этических систем взаимодействия общества и природы;

• изучение влияния различных факторов, в том числе и антропогенных, на структуру и динамику биоценозов и биогеоценозов;

• анализ хозяйственной деятельности человека относительно ее влияния на прогнозирование изменения факторов природы;

• умелое управление природно-хозяйственными комплексами с целью сохранения среды обитания человека;

• разработка и применение различных систем с целью ограничения использования химических веществ в борьбе с вредителями сельского и лесного хозяйства, т. е. с учетом общебиосферного закона – закона физико-химического единства живого вещества;

• приумножение и сохранение биологического разнообразия природы и особо охраняемых территорий.

К неотложным прикладным задачам экологии относятся:

• обеспечение экологической безопасности за счет неистощающего природопользования;

• разработка экологических основ промышленного и сельскохозяйственного производства;

• выработка социальных и экономических механизмов решения экономических проблем;

• решение организационно-правовых проблем управления природопользованием;

• развитие методов социально-экологического прогнозирования (мониторинга).

Задачами экологического мониторинга являются:

• наблюдение за состоянием биосферы и оценка прочности ее состояния;

• определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду и выявление его факторов и источников.

1.3. Структура современной экологии

Современная экология не только использует свои методы исследования, но и широко применяет методы других наук – химии, физики, математики и т. д. Наряду с биоэкологией возникли экология человека и социальная экология. В зависимости от типа изучаемой биологической системы в экологии выделяют такие разделы, как аутэкологию, синэкологию, демэкологию.

Аутэкология (от греч. autos – сам) – раздел экологии, изучающий взаимоотношения отдельного организма и среды его обитания. Задачей аутэкологии является установление пределов существования особи (организма) и тех пределов физико-химических факторов, которые организм выбирает из всего диапазона их значений. Изучение реакции организмов на воздействие факторов среды позволяет также выявить физиологические и морфологические изменения, характерные для данных особей. Следовательно, аутэкология изучает взаимоотношения особей и внешней среды. В основе этих отношений лежат морфологические реакции организма на воздействие среды.

Термин «аутэкология» был введен в 1896 г. швейцарским ботаником, флористом, профессором Карлом Шретером (1855–1939) именно для обозначения экологии особей.

При изучении экологии особей основное внимание уделяется:

• биохимическим реакциям;

• интенсивности газо- и водообмена, а также физиологическим процессам, определяющим состояние организма;

• использованию сравнительно-экологического и экологогеографического методов;

• сопоставлению состояния и реакции организма на внешние воздействия в различные периоды жизни (суточная, сезонная активность).

Синэкология (от греч. sýn – вместе), или экология сообществ, изучает ассоциации разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы, их формирование и развитие, структуру, динамику, взаимодействие с физико-химическими факторами среды, энергетику, продуктивность и др.

Демэкология (от греч. demos – народ) изучает естественные группировки особей одного вида, т. е. популяции; выясняет условия формирования популяций и внутрипопуляционных группировок и их взаимоотношения, структуру, динамику, численность популяции (В. В. Маврищев и др., 2010).

Аутэкология, синэкология и демэкология представляют собой экологию природных систем. Основным содержанием современной биоэкологии является исследование взаимоотношений организмов друг с другом и с внешней средой на популяционно-биоценотическом уровне.

Однако понятие «экология» не ограничивается только биологической направленностью и связано с небиологическими науками – географией, геологией, физикой, химией, медициной, техникой и другими разделами научных знаний. Экологические науки, согласно Н. Ф. Реймерсу, состоят из фундаментальных и прикладных наук, которые тесно взаимодействуют друг с другом.

Современная экология делится на ряд научных отраслей и дисциплин (рис. 1.1). Различают следующие разделы экологии: геохимический, глобальный, животных, инженерный, космический, ландшафтный, микроорганизмов, насекомых, популяционный, пресных вод, радиационный, растений, сельскохозяйственный, факторальный, человека, социальный. (Н. Ф. Реймерс, 1994).

В современной экологии изучаются проблемы прямого и побочного влияния производственной деятельности:

• на тепловой режим планеты;

• фон радиоактивности;

• загрязнение Мирового океана;

• уменьшение запасов невозобновляемых энергетических ресурсов;

• поступление в биосферу непереработанных биохимических и токсичных отходов;

• экологическое состояние урбанизированных ландшафтов;

• физическое, психическое здоровье, генофонд нации.

Данные вопросы решаются совместно и тесно связаны с другими естественными и гуманитарными науками: экономикой, социологией, географией, технологией, демографией. Экология имеет следующее научные направления: экофизиологию, экогенетику, экоморфологию, экобиохимию и т. д. Это значит, что происходит экологизация мышления.

К основным экологическим проблемам современности относятся:

• изменение климата;

• истончение озонового слоя;

• нехватка пресной воды;

• загрязнение подземных вод;

• пагубное влияние пестицидов на здоровье;

• кислотные осадки;

• сокращение биологического разнообразия;

• уничтожение токсических отходов;

• накопление в биосфере ксенобиотиков.

Кроме основных экологических проблем, следует еще указать на глобальные задачи современности в целом:

• предотвращение ядерной войны и аварий на АЭС;

• демографическую стабилизацию;

• энергетическую проблему;

• продовольственную;

• урбанизацию и ее последствия.

Экология на современном этапе занимает центральное место при изучении биосферы. Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать обобщенное определение экологии как науки. Экология – это наука, которая изучает взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой, а также структуру и организацию биологических систем различного уровня (популяции, биоценозы, экосистемы) (В. В. Маврищев и др., 2010). Знание экологии должно способствовать формированию экологического мышления человечества как необходимого условия его выживания и развития.

Рис. 1.1. Структура современной экологии

Глава 2. Экологические факторы среды

2.1. Понятие об экологических факторах среды

Организмы не могут существовать изолировано от окружающей среды. Экологическими элементами называются все компоненты природной среды, а именно:

• вода, атмосферный воздух, почва, пища, растительный и животный мир, горные породы и т. д.;

• природные условия, а также результаты антропогенной деятельности: загрязняющие вещества, измененные природные условия, ранее не существовавшие в природе, но созданные человеком.

К экологическим факторам относятся только те элементы, изменение которых вызывает ответную реакцию определенного организма или определенной группы организмов вплоть до исчезновения их по каким-либо причинам из среды обитания. Экологические факторы не равнозначны в своем влиянии на организмы и вещества. Важнейшими из них являются солнечная энергия и климатические факторы.

Среда любого организма слагается из многочисленных элементов органической природы, а также из объектов, связанных с хозяйственной деятельностью человека. Условия среды складываются из разнообразных элементов. Те факторы среды, которые оказывают прямое или косвенное воздействие на организмы, называются экологическими.

Для разных организмов количественные пределы фактора, при которых они могут существовать, неодинаковы (температура, влажность, химический состав компонентов среды обитания и др.).

Окружающая среда влияет на жизнедеятельность организмов, так как для любого из них она слагается из многочисленных элементов органической и неорганической природы, а также факторов хозяйственной деятельности человека. Есть экологические факторы, без которых жизнь растений и животных невозможна (например, для зеленых растений это солнечная энергия, вода, углекислый газ, минеральные соли). В процессе жизнедеятельности растения и животные приспособились к определенным условиям среды. Одни виды приспособились к жизни в условиях жаркого сухого климата (саксаул, баобаб, тушканчик), другие живут в холодном (карликовая береза, песец, северный олень), третьи – в жарком и влажном (бамбук, кокосовая пальма, орхидея) климате.

Все экологические факторы делятся на следующие группы:

• абиотические (влияние элементов неживой природы);

• биотические (влияние живых организмов);

• антропогенные (влияние человека).

Экологические факторы имеют разную природу и специфику воздействия на организм, т. е. каждый фактор неодинаково влияет на разные его функции.

2.2. Абиотические факторы

Абиотические факторы – это компоненты и явления неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы. Главную роль среди них играют климатические, эдафизические, орографические, гидрографические, химические и пирогенные.

К климатическим факторам относятся:

• спектральный состав солнечной радиации;

• физические и химическиие свойства атмосферного воздуха;

• климат, погода, акклиматизация;

• тепло, вода, ветер;

к эдафизическим -

• составные компоненты почвы;

• физико-климатические свойства почвы;

• биогеохимические эндемия и радиоактивность;

• загрязнение и самоочищение почвы;

• почва как источник распространения инфекционных заболеваний, глистных инвазий;

к орографическим –

• рельеф местности;

• высота над уровнем моря;

• вертикальная зональность;

• экспозиция и крутизна склона;

• горы, ущелья каньоны, низины;

к гидрографическим – факторы водной среды:

• органолептические;

• физико-химические;

• показатели загрязнения;

• источники водоснабжения;

• гидробионты;

к химическим –

• газовый состав атмосферного воздуха;

• солевой состав гидросферы;

к пирогенным – природные пожары:

• лесные;

• торфяные;

• степные;

• полевые;

• тундровые.

2.2.1. Климатические факторы

Многолетний режим погоды определяет главные различия в жизненных формах растений (трав, кустарников, деревьев).

Свет является наиболее действенным климатическим фактором на Земле. Без него невозможен фотосинтез, а без органической пищи и кислорода невозможна жизнь консументов.

Солнечный свет, или солнечное излучение, проходящее через атмосферу и достигающее поверхности Земли, представляет собой электромагнитные волны, длина которых заключена в следующих диапазонах:

• инфракрасные лучи – 2800–760 нм;

• видимые лучи – 760–400 нм;

• ультрафиолетовые лучи – 400–200 нм.

Важную роль играет длина световой волны, воспринимаемая органами зрения животных. Животные, наделенные цветным зрением, лучше ориентируются в окружающей среде (опасность, поиск пищи, перемещение и т. д.).

У растений в процессе эволюции выработалось разное отношение к освещенности. В связи с этим все растения делят на три большие группы: светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые.

Избирательная чувствительность к освещенности позволяет растениям максимально (по вертикали) использовать жизненное пространство путем формирования ярусности и образовывать свой внешний облик – жизненную форму. Под влиянием одностороннего освещения изменяется направление роста органов растения, что получило название фототропизма (от греч. tropos – поворот). Различают положительный и отрицательный фототропизм, а также диатропизм.

Подвижные животные под действием света проявляют двигательную реакцию – таксис (от греч. taxis – расположение). Способность двигаться в сторону света называется положительным фототаксисом, избегать его – отрицательным. Например, ночные насекомые слетаются на свет, а тараканы прячутся.

Для животных свет как экологический фактор имеет меньшее значение, чем для растений. Различают животных, ведущих дневной, ночной и сумеречный образ жизни.

Каждому пункту земной поверхности свойствен свой световой ритм, который отражается в биологии растений, животных и микроорганизмов. Реакция организмов на суточный ритм солнечной энергии, т. е. на соотношение светлого и темного периодов суток, получило название фотопериодизма. По этому признаку различают три группы растений:

• растения короткого дня;

• растения длительного дня;

• индифферентные растения.

В области экватора продолжительность дня и ночи постоянная. При удалении от экватора летом день удлиняется, а ночь становится короче, зимой – наоборот. В связи с этим различают растения короткого и длинного дня. Например, кукуруза в Украине и Молдове успешно созревает на зерно, а на севере дает только зеленую массу.

Температура является важнейшим абиотическим фактором. Распространение жизни на Земле ограничено областью несколько ниже 0 °С и до 50 °С. В геотермальных источниках суши ряд видов цианобактерий обитают при температурах 95–98 °С. В глубокотермальных источниках Мирового океана отдельные виды археобактерий не только выживают, но и размножаются при температуре до 121 °С. Критические температуры для растений и животных могут широко варьироваться. Например, если рептилии, живущие в пустыне, легко переносят жару 45 °С, то большинство морских беспозвоночных гибнут при температуре выше 30–32 °С. Следовательно, если температура живой клетки опускается ниже точки замерзания воды, то образовавшиеся кристаллы льда ведут к ее гибели. При высокой температуре (более 50 °С) происходит денатурация белков, что тоже ведет к гибели клетки.

Организмы, не способные регулировать собственную температуру, называются пойкилотермными. Это растения, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы, рептилии и др. Птицы и млекопитающие, способные к активному регулированию температуры тела независимо от температуры окружающей среды, называются гомойотермными. Благодаря этому свойству многие животные способны жить и размножаться при температуре ниже 0 °С – например, белый медведь, северный олень, пингвины и др., имеющие приспособления к таким условиям существования (шерстный покров, плотное оперение, толстый слой жировой ткани).

Гетеротермия – частный случай гомойотермии. Она характерна для животных, впадающих в спячку или оцепенение в неблагоприятный период года. Температура у этих животных (ежей, сусликов, летучих мышей, стрижей и др.) заметно снижается за счет замедления обмена веществ, а в период функциональной активности они обладают постоянной температурой тела.

Вода – основа живой материи. Она является главным экологическим фактором, т. е. основным условием существования всего живого на Земле. Образно говоря, вода – это элексир жизни, «оживляющий» поверхность планеты, «маховое колесо» климата и погоды.

Человек почти на 65–70 % состоит из воды. Для поддержания водного баланса ему необходимо 2 л воды, или 30 мл на 1 кг массы тела в сутки (с той водой, которая содержится в пищевых продуктах: соках, супах, овощах, фруктах). Наши ткани содержат около 15 % эндогенной жидкости от массы тела, которая образуется при сжигании питательных веществ кислородом, строительстве новых молекул, их перестройке.

Перераспределение жидкости идет через желудочно-кишечный тракт:

• около 1,5 л воды человек глотает со слюной;

• примерно 1,5 л желудок дает в виде желудочного сока;

• в среднем 3,0 л выделяет тонкий кишечник;

• 0,7 л панкреотического сока выделяет поджелудочная железа;

• 0,5 л желчи образует печень.

Через почки, кожу, легкие выделяется около 2 л воды. Именно такое количество воды человек должен получить извне – в чистом виде или с различной пищей.

Физиологическое потребление человеком питьевой воды может изменяться в зависимости:

• от условий внешней среды;

• характера трудовой деятельности.

Потеря животными 10–20 % воды от массы тела приводит к их гибели. Из наземных животных больше всего воды в сутки требуется слону – около 90 л. Он на 70 % состоит из воды. Животные, обитающие в водной среде, получают ее через наружные покровы. Насекомые, молюски, черви, лягушки адсорбируют влагу из воздуха. Для многих животных источник воды – пища, жидкий корм.

2.2.2. Эдафизические факторы

Эдафизические факторы – это факторы почвенной среды (от греч. edaphos – земля, почва). К основным эдафизическим факторам относится совокупность физических и химических свойств почв:

• фильтрационность, влагоемкость, капиллярность, гигроскопичность, испаряющая способность;

• залегание водоупорного слоя, водоносного горизонта, зоны капиллярного поднятия, зоны фильтрации и зоны испарения;

• состав компонентов почвы: минеральная основа, органическое вещество, почвенный раствор и почвенный воздух;

• наличие биогеохимических эндемий, радиоактивности почвы;

• способность к загрязнению и самоочищению почвы;

• роль почвы в распространении инфекционных заболеваний, глистных инвазий и раневых инфекций.

Почва играет большую роль в жизни растений и животных. Например, своеобразные условия создаются на песчаных почвах (90 % песка и 10 % глины, размер частиц от 0,2 до 2 мм), где обитают растения, называемые псаммофитами. У них образуются придаточные корни, что не позволяет растениям быть засыпанными песком; листья у них узкие и жесткие, иногда вообще отсутствуют.

Обитающие в песках животные способны быстро зарываться вглубь; на лапках у них имеются щеточки из волосков или роговых чешуек, т. е. приспособления для быстрого передвижения и рытья нор в рыхлом песке.

Для животных, которые (по крайней мере в какой-то период) обитают в почве, характер состава почвы имеет экологическое значение. Например, личинки насекомых, как правило, не могут жить в слишком каменистой почве; роющие перепончатокрылые откладывают яйца в подземных ходах; многие саранчевые, зарывающие яйцевые коконы в землю, нуждаются в достаточно рыхлой почве.

Весьма важной характеристикой почвы является ее водородный показатель pH. Каждый вид растений предпочитает определенные показатели pH и имеет свой оптимум.

Раствор является нейтральным, если концентрация водородных ионов H⁺ и гидроксильных ионов OH— одинакова и равна (каждая) 10–7 моль/л. На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем pH, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

pH = – lg(H⁺).

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10–5 моль/л, то показатель кислотности этого раствора pH = 5. В кислых растворах pH < 7, и чем он меньше, тем кислее раствор. В щелочных растворах pH > 7, и чем он больше, тем выше щелочность раствора. Щавель, вереск растут на сильнокислых почвах (pH = 4,5–5,0), ячмень, клевер, мать-и-мачеха – на нейтральных, крапива двудомная, иван-чай, пролеска – на щелочных, где pH = 7–8. Кислотность может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества. Если pH почвенного раствора низок, то это указывает на малое содержание биогенных элементов, а значит, продуктивность такой почвы крайне мала.

По отношению к плодородию почвы растения делятся на следующие экологические группы:

• олиготрофы (от греч. oligos – небольшой и trophe – питание) – растения малопродородных почв (сосна обыкновенная);

• мезотрофы (от греч. meso – средний, trophe – питание) – растения с умеренной потребностью в питательных веществах. Это большинство лесных растений (береза, осина, ольха и др.);

• эвтрофы (от греч. eu – хорошо, trophe – питание) – растения, требующее большого количества питательных веществ в почве (лещина, дуб).

2.2.3. Орографические факторы

Орографические факторы – это особенности элементов рельефа (от греч. oros – гора и grapho – пишу). Они оказывают влияние на распространение организмов по земной поверхности. К таким факторам относятся:

• особенности элементов рельефа;

• высота над уровнем моря;

• экспозиция и крутизна склонов.

Рельеф создает разнообразные условия местообитания для растений и животных в связи:

• с изменениями температурных режимов;

• увлажнением почвенного покрова.

Характер воздействия рельефа определяется мощностью его развития. В связи с этим различают макро-, мезо- и микрорельеф:

• макрорельеф предопределяет не только распространение организмов по высотным зонам, но и оказывает косвенное влияние (горные сооружения), создавая барьерную роль на пути движения воздушных масс, порождая азональные ландшафты;

• мезорельеф оказывает воздействие на распределение зональных, интра- и экстразональных сообществ в пределах природных зон;

• микрорельеф (холмики, западины, блюдца) приводит к формированию небольших по размерам сообществ.

Подъем в гору часто напоминает путешествие от экватора к полюсу. При поднятии на каждые 100 м температура воздуха понижается в среднем на 0,5 °С. Увеличивается длительность вегетационного периода. У подножия гор могут находиться тропические моря, а на вершине дуют арктические ветры. С одной стороны горы может быть тепло и солнечно, с другой – холодно и влажно. Экспозиция склона: на северных склонах растения образуют теневые формы, на южных – световые. Крутизну склонов характеризуют быстрый дренаж и смывание почв, поэтому здесь почвы маломощные и сухие. Если уклон превышает 35º, почва и растительность обычно не образуются.

2.2.4. Гидрографические факторы

Гидрографические факторы – это факторы, которыми характеризуется вода:

• органолептические свойства воды (прозрачность, мутность, цветность, запах, вкус, температура);

• физико-химические свойства воды (pH, сухой остаток, окисляемость, количество растворенного в воде к ислорода, хлоридов, сульфатов, азота аммониевых солей, железа, жесткость);

• показатели загрязненности воды (микробное число, колититр, колииндекс, сапробность, биоценоз);

• источники водоснабжения (атмосферные, подземные, грунтовые, верховодка, артезианские воды, родники, открытые водоемы).

Организмы, обитающие в водной среде, называются гидробионтами. Все живые существа приспособились к плотности воды, глубинам. Многие рыбы, ракообразные, морские звезды могут переносить давление от одной до сотен атмосфер. Плотность морских организмов убывает с глубиной.

2.2.5. Химические факторы

Химические факторы – антропогенное химическое загрязнение окружающей среды, которое оказывает существенное влияние:

• на качество окружающей среды;

• живые организмы.

Химический фактор для организмов, живущих в воде, чрезвычайно важен. Например, в водах Черного моря много сероводорода, что делает данный водоем неблагоприятным для жизни многих организмов. Газовый состав тропосферы в меньшей степени влияет на живые организмы, поскольку он обладает постоянством химического состава. Соленость воды (более 10 г/л) существенно влияет на жизнедеятельность живых существ. Пресноводные животные не могут обитать в морях, морские не переносят опреснение. Большинство водных животных обитает в морских и океанических водах.

2.2.6. Пирогенные факторы

Как утверждают специалисты, пирогенные факторы (пожары) следует относить к абиотическим факторам. Пожары могут быть определенным ограничивающим фактором при распространении животных и растений. Низовые лесные пожары дополняют действие редуцентов, разлагая погибшие растения и животных в форму, пригодную для использования новыми поколениями растений. Пожары в степях и саваннах уменьшают размножение пустынных кустарников. Использование огня специально обученными людьми порой способствует успешному землепользованию.

2.3. Биотические факторы

2.3.1. Понятие о биотических факторах

Биотические факторы – это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других существ, вступает в связь с представителями своего вида и других видов – растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие. Окружающий органический мир – составная часть среды каждого живого существа.

Выделяют две группы факторов: фитогенные и зоогенные. Взаимоотношения между живыми организмами многообразны и разделяются на прямые и косвенные.

2.3.2. Фитогенные факторы

К фитогенным относят факторы воздействия растений друг на друга и на окружающую среду. Среди них выделяют следующие группы.

Механические контакты, или контакты прямого действия – это охлестывание ветвями, сцепление и давление стволов и корней. Например, прямым воздействием является повреждение сосны и ели в смешанных лесах от отхлестывающего действия березы в результате раскачивания ветром тонких ее веток, которые ранят кору и сбивают молодые иглы ели и сосны. Использование одним растением другого в качестве среды обитания называется эпифитизмом. Растения, живущие на других растениях (ветки, стволы) без связи с почвой, называются эпифитами. Около 10 % всех видов растений ведет эпифитный образ жизни.

Физиологические контакты – это взаимоотношения между растениями: паразитизм, симбиоз, срастание корней и др.

• Паразитизм прямое физиологическое воздействие одного растения на другое. Например, повилика, питающаяся соками клевера или крапивы, угнетает или задерживает их рост.

• Симбиоз – контакт между растениями обусловливает их взаимовыгодное сожительство. Симбиоз можно проследить между клубеньковыми бактериями-азотфиксаторами и большинством растений семейства бобовых. Бактерии из рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях клевера, фасоли, сои, люпина, обеспечиваются пищей (углеводы) и местообитанием, а растения получают взамен от них доступную форму азота.

• Анемофилия – это такой физиологический контакт, как опыление с помощью ветра растений, т. е. контактирующие растения могут находиться на значительном расстоянии одно от другого.

Косвенные трансбиотические взаимоотношения между растениями. В данном случае посредниками являются животные и микроорганизмы. Опыление растений насекомыми получило название энтомофилия. Насекомые переносят пыльцу от одного растения к другому, осуществляя контакты между ними. Если птицы принимают участие в опылении, то этот процесс называется орнитофилией. В природе известно около 2000 птиц, опыляющих цветки в поисках нектара или при ловле насекомых.

Косвенные трансабиотические взаимоотношения между растениями. Они выражаются в изменении окружающей среды (например, изменение микроклимата растениями – ослабление солнечной радиации при затемнении почвы и др.). Деревья, затемняя почву, вытесняют из-под своего полотна светолюбивые виды растений, формируя среду для поселения теневых растений. Аллелопатия – химическое взаимодействие между растениями. В процессе жизнедеятельности они выделяют в окружающую среду химические вещества, воздействие которых по-разному сказывается на других растениях, что получило название аллелопатии (от греч. allelon – взаимный и pathos – страдание). Например, выделения фасоли отрицательно сказываются на росте яровой пшеницы. Фитонциды листьев черемухи убивают многие виды бактерий, отпугивают мух. Токсичны для многих микроорганизмов летучие вещества сосны, эвкалипта, можжевельника.

2.3.3. Зоогенные факторы

Зоогенные факторы – это воздействие животных друг на друга и на окружающую среду, а также потребление животными, которых называют фитофагами (от греч. phyton – растение и phagos – пожирающий), растительной пищи. К фитофагам относятся:

• крупные животные слоны, лоси, косули, кабаны и др.;

• мелкие зверьки зайцы, белки и др.;

• многочисленные представители насекомых-вредителей и др.

Взаимодействие между биотическими популяциями и организмами может проявляться в виде комменсализма, хищничества, паразитизма, конкуренции и др.

Употребление животными в пищу растений способствует распространению семян последних.

Второй способ распространения семян возможен путем их случайного прикрепления к лапкам, клювам, шерсти, перьям.

Третий способ заключается в поедании животными плодов.

Иногда животные наносят серьезные повреждения растениям:

• лоси, зайцы, олени обдирают кору на молодых деревьях, уничтожают молодую древесную поросль, объедают верхушки;

• бобры, питаясь древесиной осины, быстро повреждают ее;

• глухари, ощипывая почки ели, замедляют ее рост;

• землеройные животные (кроты, суслики) наносят много вреда растениям, поедая корневища, клубни, луковицы.

Копытные животные – зубры, лоси, олени, косули – могут оказывать значительное влияние на доминирование отдельных видов в биоценозах. Значительная численность копытных животных может уничтожать кустарники и поросли лиственных и игольчатых пород.

Насекомые (тля, клопы) воздействуют на листовую поверхность древесных и травянистых пород, отсасывая у растений питательные вещества и распространяя возбудителей их заболеваний.

2.3.4. Антропогенные факторы

К антропогенным факторам относятся любые воздействия человека на окружающую среду. С давних времен он оказывает влияние на растительный и животный мир. Это влияние на организмы, биоценозы, ландшафты и биосферу в целом может быть прямым и косвенным.

Прямое воздействие – это вырубка леса, сбор плодов и цветов, охота, вытаптывание. Такая деятельность приводит, как правило, к негативным последствиям. Человек уничтожил многие виды животных и растений (например, голубую антилопу (Африка), гигантских нелетающих птиц моа (Новая Зеландия), дикого тура (Европа), стеллерову корову (Командорские острова), лошадь Пржевальского.

Многие виды животных и растений находятся на стадии исчезновения: однорогий азиатский носорог, цейлонский и африканский слоны, азиатский лев и др.; большая белая цапля, белый журавль, краснозобая казарка и др.; финиковая и кокосовая пальмы, сахарный тростник и др.

За последние 100 лет из флоры Белорусского Полесья исчезло более 70 видов травянистых растений: герань голубиная, лук причесночный, фиалка высокая, горошек чиновидный и др. Более 100 видов растений, т. е. 8 % состава флоры Полесья, находятся под угрозой исчезновения.

Начиная с эпохи собирательства и до наших дней (эпохи научно-технического прогресса и демографического взрыва) влияние отрицательного фактора постепенно усиливается. В процессе своей деятельности человек создал большое количество разнообразных сортов растений и пород животных, преобразовал естественные природные комплексы. Изменения, производимые им в природной сфере, для одних видов живых существ являются благоприятными, а для других – неблагоприятными.

На формирование флоры и фауны отдельных регионов оказывают влияние акклиматизация животных и интродукция растений, а также случайный завоз человеком многих видов животных и растений. В связи с поселением человека появились и широко распространились такие виды животных, как комнатная муха, домовая мышь и серая крыса, а также сорные растения: обыкновенный одуванчик, лопух, подорожник, осот и др.

Культурные биогеоценозы занимают большие площади: огороды, сады, посевы риса, кукурузы, пшеницы, чайные плантации, хлопковые поля и др. В результате оросительных и осушительных мероприятий человек формирует совершенно новые фитоценозы на лугах, используемых в качестве сенокосов, пастбищ.

При гидромелиоративных работах меняется флористико-фаунистический состав. Вырубив леса, человек создает новые биогеоценозы. На месте широколиственных и хвойно-широколиственных лесов создаются монодоминантные хвойные леса, отличающиеся простотой структуры, меньшей насыщенностью видами.

В то же время загрязнения воздуха, воды, почвы промышленностью, транспортом, минеральными удобрениями, пестицидами, используемыми в сельском и лесном хозяйстве, а также радиоактивное загрязнение оказывают негативное влияние на животный и растительный мир. У животных и растений отмечаются функциональные нарушения, возникают стрессовые ситуации, снижается жизнедеятельность, а иногда они гибнут. Особенно сильно влияют химические загрязнения на насекомых: пчел, шмелей, муравьев и др. Радиоактивное загрязнение долгоживущими радионуклидами (¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr) порождает многие заболевания; происходит также передача радионуклидов по пищевым цепям.

Косвенное воздействие человека на окружающую среду осуществляется путем ее преобразования. Человек, переделывая природу и приспосабливая ее к своим потребностям, влияет на среду обитания животных и растений. Это осуществляется путем изменения ландшафтов, климата, физического и химического состояния атмосферы и водоемов, строения поверхности земли, почв, растительности и животного мира.

Человек сознательно или бессознательно истребляет или вытесняет одни виды животных и растений и распространяет другие, создавая для них благоприятные условия. Осушение болот, постройка крупных плотин, распашка целины могут вызвать непредвиденные нежелательные последствия.

Осушение болот привело:

• к понижению уровня залегания грунтовых вод на прилегающих территориях, т. е. к самоосушению небольших болот, снижению растительных сообществ в сторону ксерофитизации, значительному уменьшению численности животных и прежде всего птиц;

• проблемам водоснабжения населенных мест;

• усыханию еловых лесов, сокращению численности таких птиц, как глухари, журавли, кулики, дикие утки, а также лягушек, змей и др.;

• горению торфяников и просадке грунта.

Косвенное воздействие человека на животных и растения проявляется в изменении условий их существования. Например, вырубка осиновых лесов порождает неблагоприятные условия для птиц, гнездящихся в дуплах (дятлов и др.).

2.3.5. Взаимодействие факторов

Невзирая на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на животных и растения и в ответных реакциях можно выявить ряд общих закономерностей. Любой экологический фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния на организмы. Характерно, что как недостаточное, так и избыточное его воздействие отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Действие экологического фактора в зависимости от его интенсивности

Чем сильнее отклонение от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организм (зона угнетения пессимума, или стресса). Максимально (max) и минимально (min) переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью, или пределом толерантности живых существ к конкретному фактору среды. Представители разных видов существенно отличаются друг от друга как по положению оптимума, так и по экологической валентности.

При абиотических факторах среды к названию фактора среды добавляют приставку «эври». Например, эврибионты:

• эвритермные виды – выдерживающие значительные колебания температуры;

• эврибатные – выдерживающие широкий диапазон давления;

• эвригалинные – выдерживающие разную степень засоления среды.

Неспособность переносить значительные колебания фактора, или узкая экологическая валентность, характеризуется приставкой «стено», например:

• стенотермные виды – выносящие незначительные колебания температуры;

• стенобатные – выдерживающие только узкий диапазон давления;

• стеногалинные – выдерживающие узкую степень засоления среды.

2.3.6. Лимитирующие факторы. Закон минимума Либиха и закон толерантности Шелфорда

Под лимитирующими факторами понимается любой из действующих в природе экологических факторов: свет, вода, тепло, ветер, содержание химических элементов в почве и др. Лимитирующий (от лат. limitis – межа, граница), ограничивающий фактор – любой фактор, который ограничивает процесс развития или существования организма, вида или сообщества. В различных участках биосферы развитие жизни лимитируется разными веществами.

Немецкий ученый-агрохимик Ю. Либих в 1840 г. в своем труде «Химия в приложении к земледелию и физиологии» описал процессы питания растений и влияние разнообразных факторов и элементов питания на их рост. Он установил, что урожай культур ограничивается не теми элементами питания, которые требуются в больших количествах (например, водой, углекислым газом), а теми, которые необходимы в минимальных количествах, но которых в почве очень мало (например, бором или цинком). Ю. Либих писал: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени».

В 1855 г. Ю. Либих обобщил результаты своих исследований и сделал вывод: «Отсутствие или недостаток одного из необходимых элементов при наличии в почве всех прочих делает последнюю бесплодной для всех растений, для жизни которых этот элемент необходим (закон минимума Либиха). В настоящее время данный закон минимума звучит так: «Выносливость организмов определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей». Отсюда следует вывод, что дальнейшее снижение действия необходимого фактора ведет к гибели организма.

Практически закон минимума Либиха можно пояснить на примере. Допустим, что в почве содержатся все элементы минерального питания для данного вида растений, кроме одного из них – цинка или бора. Рост растений на такой почве будет сильно угнетен или невозможен. Если добавить в почву нужное количество бора или цинка, то это приведет к увеличению урожая.

Американский зоолог В. Э. Шелфорд пришел к выводу, что лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток таких факторов, как тепло, свет, вода. В 1913 г. он сформулировал это положение как закон, который в экологии носит название закона толерантности Шелфорда: «Любой организм имеет верхние (max) и нижние (min) границы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору». Диапазон между максимумом и минимумом указывает на выносливость организма, в пределах которого он только и может существовать.

Закон Либиха и закон Шелфорда являются основополагающими законами экологии.

2.4. Значение солнечной радиации для биосферы

Источником энергии, тепла и света на земном шаре является Солнце. Солнечная энергия нагревает воду и почву, от которых нагревается воздух. Это тепло является движущей силой:

• большого круговорота воды на поверхности земного шара;

• циркуляции и перемещения вод Мирового океана;

• фазы круговорота воды в пределах экосистемы;

• общей циркуляции атмосферы, совокупности основных воздушных течений, приводящих к вертикальному и горизонтальному обмену масс воздуха;

• протекания фотосинтеза и образования продуцентами органических веществ и кислорода, которые необходимы консументам для питания и дыхания.

Следовательно, вся органическая жизнь на Земле обязана своим существованием солнечной радиации. Лучистая энергия Солнца представляет собой электромагнитные излучения и поток квантов. Чем меньше длина волны, тем большой запас энергии несет квант излучения. Лучистая энергия распространяется прямолинейно со скоростью 300 000 км/с.

2.4.1. Спектральный состав солнечной радиации

Преодолев огромное расстояние, часть солнечных лучей достигает поверхности Земли, освещает и обогревает ее. Примерно половина лучистой энергии приходится на видимые лучи, около половины – на тепловые инфракрасные и около 10 % – на ультрафиолетовые.

Видимые лучи с длиной волны 760–390 нм проходят атмосферу и проникают через кожу на глубину 1–10 мм. Они обладают глубоким тепловым и слабым фотохимическим действием. Видимый свет в зависимости от длины волны подразделяется на семь цветов радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.