Биосфера и человек.

ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Введение. Цели и задачи изучения дисциплины. Предмет экологии. Краткая история возникновения и развития экологии. Общая и прикладная экология. Связь экологии с другими дисциплинами. Роль экологических знаний в подготовке современных специалистов. Профессиональная ответственность специалиста за преодоление экологического кризиса человечества.

Биосфера. Основные понятия. Этапы эволюции биосферы. Вернадский и биосфера. Геосферы Земли и структура биосферы. Биогеоценозы. Биоценоз и биотоп. Популяция и ее структура. Модели изменения численности популяций.

Экосистемы. Основные понятия. Биогеоценоз и экосистема: сходство и различия. Экологические факторы: биотические, антропогенные и абиотические. Продуценты, консументы и редуценты. Трофические цепи и сети и их виды с примерами. Устойчивость экосистем. Границы толерантности. Экологическая ниша. Адаптации. Энергетика и продуктивность экосистем. Принцип Линдемана (или закон 10%). Экологические пирамиды. Биогеохимические циклы.

Техногенные воздействия в системе Биосфера – Человек. Антропогенные факторы деградации биосферы. Нарушение биогеохимических круговоротов в экосистемах. Отходы промышленного производства и загрязнение ими окружающей человека среды. Виды загрязнения: биологические, физические и химические. Химическое загрязнение. Загрязнение атмосферного воздуха и его основные источники. Загрязнение водоемов и его основные источники. Загрязнение почвы и его основные источники. Радиационное загрязнение и его основные источники.

Экология и здоровье человека. Качество жизни, здоровье и окружающая среда. Заболеваемость населения в России и в мире. Средняя продолжительность жизни человека и ее отечественная и зарубежная статистика. Влияние на здоровье человека образа жизни и качества окружающей среды. Классификация экологических факторов опасности для здоровья человека. Абиотические и биотические процессы трансформации и накопления в биосфере опасных химических веществ. Общетоксические, канцерогенные, мутагенные и другие воздействия химических веществ на здоровье человека. Санитарно-гигиенические нормативы воздействий химических веществ и нормативы радиационной безопасности.

Введение

Краткая история становления и развития экологии. Термин экология (от греч. «ойкос» – дом, жилище, «логос» – учение, наука) предложил в 1869 году крупный немецкий биолог Эрнст Геккель (1834–1919). Как самостоятельная научная дисциплина экология выделилась в цикле биологических дисциплин в начале ХХ в. и всю первую половину столетия она развивалась как биологическая наука. В этот период экология понимается как наука об отношениях организмов или их групп как между собой, так и со средой их обитания, т.е. как наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Под экологией Э. Геккель понимал область исследований, связанных с изучением всей совокупности взаимоотношений животного мира с окружающей его средой, как органической, так и неорганической. Следовательно, в таком первоначальном понимании экология в первую очередь касалась царства животных, а растения и другие представители живой природы относились к среде обитания, или к окружающей их (животных) среде.

По мере накопления экологических знаний предмет экологии расширялся и, став самостоятельной биологической наукой, экология изучает организацию жизни на трех уровнях. На первом уровне исследуется взаимодействие отдельного организма с окружающей его средой (образ жизни, поведение, взаимодействие с отдельными элементами среды обитания и т.п.). Однако в реальных условиях ни один организм не существует в природе обособленно, т.е. вне связи с другими подобными себе особями того же вида. Известно, что организмы существуют в виде особых группировок (популяций и популяционных групп), обладающих качественно особыми реакциями на окружающую среду (например, изменениями численности группировки при смене условий питания и др.) в отличие от отдельных особей того же вида. Изучение этого вида экологических взаимоотношений относится ко второму уровню исследований в экологии. А третий уровень связан с рассмотрением еще более общих взаимоотношений, а именно: взаимоотношений организмов со всеми остальными компонентами окружающей среды, без изучения которых невозможно понять биологические особенности того или иного вида, прогнозировать его поведение в изменяющейся окружающей среде.

отношению к крупным группам организмов и различным средам обитания. Поэтому стали выделять экологию животных, растений и микроорганизмов, а по средам обитания – экологию водоемов, суши и воздушной среды, экологию тропиков, умеренной и полярной зон. Перечисленные выше виды направлений экологической науки объединяют под единым названием общей экологии, предметом изучения которой являются живые (биотические) организмы, популяции, сообщества, взаимоотношения видов, абиотические компоненты окружающей среды.

Демографический «взрыв» и быстрый промышленный рост во многих странах после второй мировой войны привели к тому, что стали явно проявляться негативные последствия чрезмерного воздействия человека на окружающую его среду, обусловившие возникновение экологического кризиса, создающего реальную угрозу для существования человечества на планете. Наряду с экологическим кризисом, который постепенно приобретает планетарный (глобальный) характер, в последние десятилетия сформировались и другие глобальные проблемы, под которыми понимают природные, природно-антропогенные или чисто антропогенные явления, затрагивающие мир в целом. Процесс развития этих явлений называют глобализацией. К наиболее важным их них относятся проблема предотвращения ядерных конфликтов, демографическая, ресурсная, энергетическая и продовольственная проблемы, которые тесно взаимосвязаны и способствуют развитию экологического кризиса. Решение включает разработку процедур и механизмов, обеспечивающих сохранение и развитие человеческой цивилизации, что невозможно без использования междисциплинарных знаний о взаимодействии общества и природы, что и превратило современную экологию в комплексную междисциплинарную дисциплину.

Этот второй период становления экологии можно назвать интеграционным периодом, в течение которого сформировались новые направления экологических научных дисциплин, в том числе прикладная экология, экология человека и социальная экология. Прикладная экология – это комплексная междисциплинарная наука, включающая промышленную (инженерную), сельскохозяйственную, медицинскую, социальную и другие экологические дисциплины, взаимосвязанное использование которых направлено на обеспечение экологической безопасности человека и сохранение окружающей его природной среды. В рамках прикладной экологии изучаются междисциплинарные проблемы взаимодействия общества и природы, интенсивно развиваются экологические исследования, связанные с анализом факторов антропогенных воздействий на природную среду и изучением влияния загрязнения окружающей среды, а также комплексные исследования, направленные на выход человечества из сложившегося экологического кризиса.

Общие законы биоэкологии в полной мере справедливы и для человека как биологического вида. Поэтому в рамках экологии животных возник раздел экологии человека, который впоследствии превратился в важный раздел современной экологии. Термин «экология человека» был введен в 1921 г. американскими учеными Р. Парком и Э. Бюргессом. В настоящее время экология человека – это комплексная научная дисциплина, связанная с изучением природных, экономических, социальных, личностных закономерностей взаимоотношений человека и окружающей его среды и направленная на разработку стратегии и комплекса мер по обеспечению экологической безопасности человека и его разнообразных потребностей, (культурные, личностные, духовно-нравственные и др.). В связи с этим в экологии человека выделяются экология человеческой личности и экология человеческих популяций, в том числе и экология этносов. Этнос (по Н.Ф. Реймерсу) – это исторически сложившаяся, целостная и устойчивая общность людей, характеризующаяся определенными особенностями физического и психического склада, культурно-исторического развития и отношений с природной средой.

Окружающая среда – совокупность объектов окружающего человека мира, оказывающих существенное влияние на обеспечение его жизнедеятельности и удовлетворение его разнообразных (биологических, культурных, экономических, личностных, социальных, коммуникационных и др.) потребностей.

Окружающая среда как сложная система состоит (по Н.Ф. Реймерсу) из четырех неразрывно взаимосвязанных компонентов-подсистем: а) собственно природной среды, б) порожденной агротехникой среды, в) искусственной среды и г) социальной среды. Каждая подсистема окружающей среды отвечает за обеспечение определенных потребностей человека и обусловливает качество жизни и безопасность его жизнедеятельности. Собственно природная среда, или окружающая природная среда, – составная часть окружающей человека среды, включающая объекты живой и неживой природы, которые оказывают существенное влияние на жизнедеятельность и удовлетворение ряда важных потребностей человека (биологических, культурных и др.).

В экологической литературе встречается термин среда обитания, под которой обычно понимают ту часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. На нашей планете организмы освоили четыре основные среды обитания, кардинально отличающиеся по специфике условий. Водная среда была первой, в которой возникла жизнь. Затем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и заселили почву. Четвертой специфической средой стали сами живые организмы, каждый из которых представляет собой целый мир для населяющих его паразитов. Поэтому используемое в биологическом смысле понятие среды обитания следует рассматривать как синоним окружающей природной среды, однако в общем смысле это понятие должно включать и объекты других составных частей окружающей среды, в частности, социальной среды.

Социальная экология рассматривает взаимоотношения общества и природы и разрабатывает социальные аспекты рационального природопользования. В связи с этим важное значение приобретает упомянутая выше компонент-подсистема окружающей среды – социальная среда. Развитие социальной экологии позволит реализовать комплексный подход к разработке новой стратегии природопользования – рационального природопользования, основанного на эколого-экономических механизмах управления, так как экономические механизмы управления природопользованием как в рыночных условиях, так и в условиях социалистической системы хозяйствования оказались неспособными устранить принципиальные недостатки современного, нерационального природопользования, которое рассматривается как основной фактор возникновения глобального экологического кризиса.

Связь экологии с другими дисциплинами. Будучи по происхождению биологической наукой, экология в настоящее время превратилась в комплексную междисциплинарную науку, включающую наряду с биологическими также и социально-экономические, географические, духовно-нравственные, культурно-эстетические знания и призванную сыграть важную роль в формировании нового, экологически ориентированного мировоззрения современного человека. В связи с этим современные экологические знания неразрывно связаны с другими областями научного знания.

Ранее неоднократно подчеркивалось, что экология возникла как раздел биологии. Действительно, в основе экологии лежит фактический материал из различных отраслей биологии, так как воздействие окружающей среды на организмы может оцениваться с помощью биологических показателей их состояния. При этом используются, в частности, знания из морфологии (учение о строении организмов), включающей анатомию, эмбриологию, гистологию, цитологию. Взаимодействия организмов с химическими компонентами окружающей среды изучаются в физиологии и биохимии, а внешние реакции являются предметом этологии – науки о поведении. Так как перечисленные здесь знания относятся ко всем крупным группам организмов – животным (включая человека), растениям и микроорганизмам, то они входят в качестве составных частей в антропологию, зоологию, ботанику, микробиологию и др.

Существенные отличия условий существования организмов в различных географических зонах на земной поверхности или в глубинах планеты вызвали необходимость дифференциации экологических знаний в зависимости от географического размещения организмов на Земле. Это проявилось, в частности, в формировании различных разделов общей экологии – экологии тропиков, экологии умеренной и полярной зон и др. При организации природопользования необходимо учитывать географические особенности и различия реакций разных природных систем (водных и наземных) на антропогенные воздействия. Поэтому экология тесно связана с географией, в рамках которой возникли и самостоятельно развиваются такие области, как ботаническая, зоологическая, медицинская и другие географии.

На стыке экологии и географии сформировался и быстро развивается важный раздел экологии – географическая экология, называемый также геоэкологией или ландшафтной экологией. Здесь будет уместно напомнить, что ландшафтом называют природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (воды, почвы, рельеф, климат, растительный и животный мир), взаимодействуя друг с другом, образуют однородную по свойствам целостную систему. Задачи природопользования вызвали в последнее время необходимость самостоятельного развития геоэкологии, которая в современном виде включает в себя и конкретные знания геологии, геохимии, гидрологии и др.

В основе жизни лежит обмен веществ между организмами и средой, происходящий как в виде химических процессов в отдельных организмах, так и в виде более сложных процессов, протекающих на уровне экологических систем и биосферы в целом, рассматриваемых обычно как процессы круговоротов вещества и именуемых биогеохимическими циклами. Фундаментальные законы физики – законы термодинамики, законы сохранения вещества и энергии и др. – используются при формулировании основных закономерностей биологических и физических процессов переноса и преобразования органического вещества в пищевых цепях, процессов взаимодействия организмов с косными (неживыми) компонентами окружающей среды.

Как результат активного использования человеком природных ресурсов возник специфический вид круговоротов вещества – антропогенный круговорот, называемый ресурсным циклом, который является составной частью естественных биогеохимических циклов. Поэтому в химической науке к настоящему времени сформировалось новое экологическое научное направление – химия окружающей среды (химия воды, химия атмосферы, химия почв), основанная на законах общей химии, органической и неорганической, физической и коллоидной химии и других разделов химической науки.

Общеизвестно, что в результате интенсивной деятельности человека на Земле значительно ухудшилось качество окружающей среды, что означает несоответствие условий среды обитания физиологическим требованиям организма. Организм реагирует на это различными заболеваниями, выявление и лечение которых – уже задача медицины.

Медицинская наука и ее отрасли – санитария и гигиена – исследуют последствия химического, биологического и физического (в особенности, радиационного) загрязнения окружающей среды в результате производственной деятельности людей. Одна из основных задач этих исследований – определение норм радиационной безопасности людей в условиях радиационных излучений, что является предметом радиологии. Важная группа задач связана с определением величин предельно допустимых концентраций различных веществ, при которых присутствие этих веществ в воде, почве, воздухе или в продуктах питания может рассматриваться как относительно безвредное для человека и других организмов. Этим занимается токсикология и ее раздел – экотоксикология, ориентированная на разработку нормативов экологической безопасности природной среды в условиях химического загрязнения. Разработка мер борьбы с распространением инфекционных заболеваний составляет предмет эпидемиологии.

Изучение любых взаимодействий между организмами и средой может быть основано только на анализе количественных показателей состояния организмов и среды. Поэтому такие исследования возможны лишь с применением математических методов, в частности, корреляционного, факторного, кластерного и других видов анализа. Получение количественных оценок имеет конечной целью выявление тенденций в изменениях изучаемых процессов (биологических, биохимических и др.), которые в дальнейшем могут быть основой для прогнозирования состояний, изменений различных процессов и их возможных последствий. Результаты таких исследований с помощью математических методов могут быть представлены в формализованном виде (например, аппроксимации эмпирических графических зависимостей, уравнения регрессии и др.), что может составить основу для прогнозирования изучаемых процессов.

В настоящее время широкое распространение в экологических исследованиях получили методы математического моделирования – аналитические, имитационные, эмпирико-статистические и др. Эти методы, и особенно имитационное моделирование, находят широкое применение в экологическом прогнозировании с использованием компьютерной техники и информационных технологий.

Чтобы в условиях современного индустриального общества обеспечить человеку приемлемое качество окружающей среды, соблюсти нормативы загрязнения в местах проживания и трудовой деятельности, необходимо создание систем мониторинга и контроля качества среды, необходимы комплексы очистных и природоохранных сооружений и экозащитной техники и др. Но такие системы и комплексы и другие мероприятия по защите окружающей среды и реабилитации нарушенной природной среды требуют значительных материальных, людских и финансовых затрат, практически сравнимых с затратами на основное производство. Выбор оптимальных и экологически приемлемых вариантов и стратегий природоохранной деятельности на государственном, региональном или местном уровнях возможен только на основе применения экономических методов.

Как показывает международный опыт, качество окружающей среды в любом государстве соответствует его экономическому состоянию. В последнее время стало очевидно, что качество окружающей среды невозможно поддерживать на приемлемом для безопасности жизнедеятельности человека уровне, если кардинально не будет изменена стратегия природопользования. Сделать использование природных ресурсов экономным и не загрязняющим среду призвана новая отрасль экономической науки – экономика природопользования.

Конституция Российской Федерации провозглашает право граждан на благоприятную окружающую среду. Однако в процессе природопользования между гражданами, между отраслевыми ведомствами различного уровня возникают противоречия, которые в конечном итоге приводят к нарушению прав граждан на чистую среду обитания и к нерациональному, часто хищническому, использованию природных ресурсов. Деятельность одних отраслей народного хозяйства может наносить ущерб другим отраслям и обществу в целом. Для регулирования этих отношений необходимо иметь развитое правовое обеспечение природопользования, основанное на подчинении промышленной, хозяйственной, индивидуальной и общественной деятельности правовым нормам – законам, указам, постановлениям, инструкциям, составляющим сферу экологического права.

Философы всех времен, начиная с античности, пытались осмыслить взаимоотношения природы и человека. Организм человека не дает ему возможности на биологическом уровне конкурировать с другими видами. Зато разум позволяет организовать систему самозащиты, оградить себя и близких от опасностей внешней среды. Исторический опыт взаимоотношений человека и природы отражается в культуре (от лат. – возделывание, воспитание, образование, развитие), под которой понимается специфический способ организации и развития человеческой жизнедеятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда, в системе социальных норм и учреждений, в духовных ценностях, в отношении людей к природе, между собой и к самим себе. В понятии культуры фиксируются как общее отличие человеческой деятельности от биологических форм жизни, так и качественное своеобразие форм человеческой деятельности на различных этапах общественного развития, в рамках определенных общественно-экономических формаций, этнических и национальных общностей (например, русская культура), а также особенности поведения и деятельности людей в конкретных сферах общественной жизни (например, культура природопользования или экологическая культура).

Глобальный экологический кризис стимулировал в последние годы работу философской мысли в направлении поиска путей гармонизации отношений общества и природы. Актуальным философским учением в наши дни становится экологическая этика, связанная с экологически корректным обращением человека с природой, нравственным осознанием того, что все живые организмы имеют равное с человеком право жить на планете, что безнравственно лишать жизни другое существо, по крайней мере, если это не вызвано жизненной необходимостью. Эти принципы еще много веков назад были заложены в религии некоторых народов (например, индейские племена или некоторые северные народности), что позволило многим из них сохранить в почти нетронутом состоянии окружающую их природную среду. В основе формирующейся в современном мире этики природопользования должен лежать принцип уважения к природе.

Изложенное показывает, что современная экология, превратившаяся в комплексную научную дисциплину, имеющую закономерные связи с многими научными отраслями. Необходимость решения глобальных проблем человечества, все из которых пронизываются экологической составляющей, требует разработки комплексных процедур и механизмов сохранения и развития человеческой цивилизации путем оптимизации взаимодействия общества и природы. Решение этих проблем невозможно без применения междисциплинарных подходов к использованию знаний из различных научных областей. В связи с этим в последнее время складывается особая научная отрасль, называемая глобалистикой, занимающаяся изучением глобальных проблем, в том числе и проблемы преодоления глобального экологического кризиса.

Взаимоотношения общества и природы. На самых ранних стадиях становления общества социальные качества нового биологического вида – человека только начинают оформляться. В течение самого длинного (первобытного) этапа человеческой истории главной целью людей являлось приспособление к природе. Человек внимательно, чутко улавливал биологические ритмы, подстраивался к ним, стремился соответствовать требованиям, которые предъявляла окружающая среда. Постепенно, обеспечив свою защищенность от непосредственных негативных воздействий, общество от обороны переходит к наступлению на природу: собирательство вытесняется охотой, добычей, а затем производством продуктов питания – животноводством и растениеводством.

Бурно развиваются человеческие потребности, а также и способности. Возникают ремёсла, растут города, усложняется политическая жизнь, накапливаются знания. Однако зачастую общество вовремя не замечает и не предотвращает разрушительное воздействие, которое оно оказывает на природу. В средние века человек отразил в культуре сознательное стремление жить правильно, не нарушая не только юридические, но и нравственные нормы, которые в целом обеспечивали устойчивое, природосообразное развитие общества.

Развитие присущего только людям способа включения культуры во взаимоотношения с природой приносит человеку как огромные возможности, так и небывалые трудности, связанные с обособлением культуры от природы. Уже в эпоху Возрождения меняется иерархия социальных целей и ценностей. Культура переключается с проблемы соответствия человека миру (природной и социальной среде) на проблему соответствия мира человеку. Человек сам становится мерой совершенства, гуманизм и человечность – основной целью, а окружающая его природно-социальная среда – средством достижения цели. В Новое время (с ХVI века) отношения общества и природы выходят на новый виток своего развития, еще более динамичный и драматичный. Человек рассматривает природу лишь как средство удовлетворения собственных растущих день ото дня потребностей. Общество культивирует по отношению к природе потребительскую, явно агрессивную линию поведения.

С средины ХХ века в мире разворачивается научно-техническая революция, с использованием достижений науки создаётся новое поколение техники, обеспечивающей интенсификацию, усиление не только физической, но и умственной деятельности людей (компьютеризация, информатизация). В результате возможности общества воздействовать на природу и изменять природные комплексы необычайно возросли. Рост экономической и технической мощи человечества приводит к тому, что конфликт между обществом и природой достигает небывалой прежде остроты, что обусловило возникновение экологического кризиса, грозящего экологической катастрофой, т.е. ситуацией, когда природная среда на нашей планете будет непригодной для обитания на ней живых существ. Однако общество продолжает наращивать темпы потребления, навязывая всем своим членам ориентацию на максимальную «потребительскую корзину», в которой и съестные деликатесы, и самая новая бытовая техника, автомашина (и обязательно самой последней марки), изощрённый, огромный набор одежды, престижное жильё, спутниковое телевидение.

Экологический кризис – напряженное состояние взаимоотношений между обществом и природой, характеризующееся несоответствием (чрезмерностью) антропогенной нагрузки на природную среду экологическим возможностям биосферы. Экологический кризис характеризуется не только усилением воздействия человека на природу, но и резким увеличением влияния измененной людьми природы на здоровье населения и на общественное развитие.

В течение исторического времени выделяют несколько экологических кризисов. Первым считается кризис собирательства и примитивного промысла. Следующим был кризис консументов, проявившийся в оскудении охотничьих ресурсов, когда стали исчезать крупные позвоночные в результате хищнической деятельности человека. Третий кризис связан с появлением земледелия и скотоводства, проявился в засолении почв и деградации поливных земель. Четвертый кризис, называемый кризисом продуцентов, связывают с массовым уничтожением лесов как для освобождения земель под сельскохозяйственные поля и пастбища, так и с целью использования дерева в качестве строительного материала и топлива. Этот процесс начал интенсивно развиваться 3–4 тыс. лет назад в Китае, на Ближнем Востоке и в Индии, позднее охватил Европу, а после Великих географических открытий принял планетарный характер. Однако вплоть до ХХ века его последствия проявлялись на локальном и региональном уровнях и еще не носили глобального характера, так как биосфера справлялась с антропогенными нагрузками и вызванные ими изменения не оказывали существенного влияния на состояние биосферы. Но в ХХ веке, и особенно во второй его половине, резко усилилось воздействие человека на природу, что привело к возникновению глобальных экологических проблем и угрозы перерастания экологического кризиса в глобальную экологическую катастрофу. В наше время уже есть примеры локальных экологических катастроф, например Аральское море.

Современный экологический кризис можно охарактеризовать следующими количественными показателями. Нарастающие темпы индустриализации вызваны беспримерным численным ростом народонаселения Земли. Известно, что за последнее столетие численность населения увеличилась вчетверо и достигла 6 млрд. человек, а ежегодный прирост составляет около 80 млн. человек. Но по сравнению с ростом населения потребление человечеством природных ресурсов растет еще более стремительными темпами. Об эттом свидетельствует то, что потребление материалов в 2000 г. по сравнению с 1900 г. возросло в 9 раз, а энергии – в 12 раз.

Такие высокие темпы использования природных ресурсов привели к тому, что в настоящее время человек эксплуатирует более 55% суши и около 13% речных вод, а скорость сведения лесов достигла 18 млн. га в год. Известно, что в результате застройки территорий, проведения горных работ, из-за опустынивания и засоления ландшафтов человечество ежегодно теряет более 50 тыс. кв. км земель, пригодных для сельскохозяйственного использования, что усугубляет проблемы обеспечения продовольствием ежегодно увеличивающегося народонаселения планеты. Примеры негативного воздействия человеческой деятельности на природу можно продолжать долго.

Однако сами по себе достижения научно-технической революции не являются вредными или опасными. Такими они становятся в руках людей с экологически неразвитым сознанием, которые не в состоянии предвидеть последствия своих действий. Человечество не ощущает себя неразрывно связанным со всеми остальными частями биосферы и не рассматривает себя как часть биосферы, способную оказывать существенное влияние на нее. Следовательно, основу современного экологического кризиса составляет кризис духовной жизни общества.

Из вышеизложенного ясно, что преодоление экологического кризиса связывается прежде всего с духовным оздоровлением общества, с переходом к новым принципам взаимоотношений общества и природы, к новой системе человеческих ценностей и разумному ограничению разнообразных потребностей человека до необходимого уровня. Ясно также, что использование человеком природы и преобразование природной среды в интересах общества неизбежны и закономерны, так как они осуществляются в силу действия как законов природы, так и социальных законов развития общества. Поэтому научно-технический прогресс человечества не является чем-то чуждым природе, противоречащим ей, а наоборот, он – один из последовательных и законо мерных процессов эволюции. Поэтому закономерными являются и возникающие экологические, ресурсные и другие глобальные проблемы человечества.

Так как общество не в силах остановить научно-технический прогресс, человеку ничего не остается, как научиться жить в согласии с законами природы и не переступать допустимые пределы воздействий на природную среду. Эта важнейшая для будущего нашей цивилизации задача может быть решена только на основе перехода общества на концепцию устойчивого развития с использованием новых экологических технологий, с учетом корректировки стратегии природопользования, воспитания у людей разумного ограничения человеческих потребностей. Следовательно, разработкой стратегии рационального природопользования, решением инженерно-технических и медико-биологических проблем охраны природы, разработкой и реализацией программ экологического воспитания и образования, разработкой юридических и социально-экономических механизмов управления природопользованием и т. д. должны заниматься экологически ответственные профессионалы на своих рабочих местах.

Поэтому общество заинтересовано в формировании у всех своих членов экологического мировоззрения, основанного на осознании необходимости сохранения оптимальной для жизни среды обитания человечества, т.е. биосферы. Экологическое мировоззрение выражается в оптимизации взаимоотношений в системе «общество – природа» путем снижения или полного устранения влияния вредных воздействий на человека и среду его обитания, замене многоотходных, ресурсоразрушающих технологий на малоотходные, прирородосохраняющие, создании социальных, правовых и экономических механизмов существования отдельных стран и всего человечества в оптимальных для жизни условиях.

Для реализации экологического подхода к развитию взаимоотношений общества и природы требуется подготовка специально обученных и экологически воспитанных профессионалов в различных областях человеческой деятельности, что достигается созданием целостной системы экологического образования, направленной на организацию процесса приобретения знаний, умений и навыков в области экологии, осуществляемого под руководством опытных профессионально подготовленных специалистов. Такие системы экологического образования созданы и создаются во многих странах, особенно после Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де Жанейро, 1992), принявшей соответствующие рекомендации к правительствам всех стран мира. К сожалению, в России в настоящее время существуют проблемы в экологическом образовании, вызванные рядом причин:

1) слабая материально-техническая база экологического образования;

2) в обществе не возник необходимый уровень экологического мировоззрения, требующий выделять значительную долю национального продукта на решение экологических проблем, в том числе проблем экологического образования;

3) в силу экономических трудностей приоритеты государственной политики пока не направлены в сторону экологии, как это требует все более угрожающее состояние окружающей среды во многих регионах России.

Цели и задачи изучения дисциплины. Быстрое усиление антропогенной нагрузки на природную среду привело к глобальному экологическому кризису, выход из которого возможен только в случае, если человек научится правильно определять допустимые пределы антропогенных воздействий на природу и оценивать вызванные ими количественные и качественные изменения природной среды. На основе этих знаний человечество может выработать комплекс мер, которые позволили бы ему не превышать эти допустимые пределы. Изучение этих вопросов и определило основные цели данной дисциплины.

Достижение сформулированной выше цели изучения экологии в рамках данной дисциплины предполагает решение ряда основных задач данного курса, связанных с рассмотрением биолого-географических закономерностей формирования и эволюции биосферы Земли и экосистемных закономерностей ее функционирования, с рассмотрением актуальных проблем взаимодействия человека и биосферы и формированием факторов техногенного воздействия на природную среду (в первую очередь, химического и радиационного загрязнения) и их влияния на здоровье человека с учетом социально-экономических и государственно-политических аспектов. Перечень этих задач определяет основное содержание первой части курса (первой юниты).

Вторая часть курса (вторая юнита) рассматривает основные причины глобализации экологических проблем (отходы, загрязнение окружающей среды, истощение озонового слоя, потепление климата в результате «парникового эффекта и др.) и связанные с ними ресурсная, энергетическая, продовольственная и другие проблемы человечества, их современные проявления и возможные социально-экономические последствия, а также изучает принципы и проблемы управления и устойчивого развития с учетом социально-экономических, госу дарственно-политических, культурно-нравственных и других аспектов, эколого-экономические принципы рационального природопользования и подходы к охране окружающей природной среды с учетом особенностей российского и зарубежного экологического права и технологического и информационного обеспечения, рассматривает демографические перспективы на XXI век и возможности международного сотрудничества в решении проблем окружающей среды.

Биосфера. Основные понятия и определения.

Вернадский и биосфера. Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744 – 1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в ХVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831 – 1914) обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ламарка ввел в науку термин «биосфера», рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп. Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению.

Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский (советский) ученый – геолог В.И. Вернадский (1863 – 1945), создавший в 20-х годах ХХ века современное учение о биосфере. Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому.

Изучая историю минералов и миграцию химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский выявляет огромную роль живого вещества в геохимических процессах на нашей планете. Для изучения роли живого вещества в эволюции биосферы ему потребовались знания биологии, геологии, химии, на основе которых сформировалась новая наука – биогеохимия. Об исключительной роли живого вещества в биосфере В.И. Вернадский пишет в «Очерках геохимии», опубликованных в 1924 г. в Париже и в 1927 г. в Ленинграде. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», в которой представление биосферы как «тонкой пленки жизни», «живой оболочки» Земли оказалось очень своевременным, хотя и несколько опередившим время. учению В.И. Вернадский о биосфере сначала не было оказано должного внимания. Однако изучение последствий радиоактивного и химического загрязнения атмосферы, гидросферы и почв после второй мировой войны заставило ученых и политиков обратиться к учению Вернадского о биосфере, которое получило широкое распространение в западных странах, а затем и во всем мире.

В последние годы жизни Владимир Иванович Вернадский писал в дневнике: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».

Понятие ноосферы (от греч. ноос – разум) также имеет свою историю. Считается, что оно было введено в ХIХ в. французским ученым Ле Руа и развито далее Тейяр де Шарденом (1881 – 1955). Они понимали под этим термином особую оболочку Земли, рассматриваемую в качестве некоего «мыслящего слоя» над биосферой, в который включается индустриальное общество с атрибутами цивилизации (языком, религией и пр.). Однако Вернадский рассматривал ноосферу как новое геологическое явление на Земле и человек в ней впервые становится мощной геологической силой. Как и все живое на Земле, он может мыслить и действовать только в области распространения жизни, т.е. в биосфере, с которой он неразрывно связан и из которой уйти не может. Вернадский считал, что на данном этапе эволюции биосферы человек будет вынужден не только исправить возникшие в результате его деятельности нарушения в состоянии природы, но и предотвращать подобные нарушения в будущем.

В настоящее время весьма ощутимые последствия научно-технического прогресса, поставившие под угрозу существование человечества на Земле, привели к необходимости предвидения последствий человеческой деятельности во всех странах с целью сохранения биосферы, т.е. жизни на Земле. Поэтому охрана биосферы должна быть заботой всего человечества, живущего на Земле, и как руководителей государств, так и отдельных людей. Для этого каждому надо знать строение биосферы, взаимосвязи происходящих в ней процессов и влияние деятельности человеческого общества на возникающие в биосфере изменения. Выдающийся ученый и мыслитель В.И. Вернадский был уверен, что знание процессов, происходящих в биосфере, и разумная организация жизни и всей деятельности человечества приведут к созданию ноосферы на нашей планете. Однако необходимо отметить, что, кроме представлений о неизбежности перехода биосферы в ноосферу, изложенных в учении В.И. Вернадского о биосфере, в научном мире существуют и другие взгляды на перспективы развития биосферы.

Общая характеристика биосферы. Биосфера (по В.И. Вернадскому) – оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках – геосферах Земли (литосфера, гидросфера и атмосфера). К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.

Еще со времени Ламарка было известно, что процессы, происходящие в геосферах Земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы. Но и само живое вещество, как показал В.И. Вернадский, производит существенное преобразование геосфер. Причем с появлением человечества на Земле это преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня.

Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли. По современным оценкам сухая масса живого вещества биосферы, составляющая всего 2–3 трлн. т, в тысячу раз меньше массы тропосферы, в десять миллионов раз – массы земной коры и в миллиард раз – массы Земли. Именно ее «ничтожные» размеры длительное время мешали геологам понять исключительную роль жизни на Земле в геологических процессах, на что и обратил внимание В.И. Вернадский.

Распределение массы живого вещества (биомассы) в биосфере крайне неравномерно. На океан приходится лишь 3% суммарной биомассы Земли. Однако вследствие значительно более высокой интенсивности жизненных процессов в океане по сравнению с сушей океан ежегодно производит живое вещество, масса которого составляет более четверти от суммарной продукции биосферы Земли, оцениваемой величиной 230 млрд. т. Несмотря на удивительно малую величину ежегодно производимой на Земле биомассы, накопленное за миллионы лет в осадочных толщах земной коры захороненное органическое вещество и привело к образованию таких полезных ископаемых, как каменные угли, нефть, газ, фосфориты и др.

Фотосинтез и круговорот веществ – основные факторы существования биосферы. Фотосинтез является единственным на Земле процессом, в котором зелеными растениями из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды, минеральных солей) с помощью солнечной энергии в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения. Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, – основа жизни всех других организмов биосферы. Все виды живых существ, обитающие на Земле, используют в конечном счете одну и ту же форму энергии химических связей. Любое проявление жизни на нашей планете связано с образованием и потреблением этой биохимической энергии.

Источник энергии для фотосинтеза (солнечная радиация) и главный инструмент фотосинтеза (живой организм) преобразуют углекислый газ, воду и минеральные соли в биохимическую энергию. Фотосинтезирующие организмы, использующие солнечную энергию для образования органических веществ из неорганических соединений и углекислого газа и называемые автотрофами (самопитающиеся), преобразуют энергию солнечного света в биохимическую энергию, запасая ее в виде энергии химических связей в сложных органических молекулах. Другие организмы биосферы (большинство бактерий, грибы, животные), нуждающиеся для своего роста и развития в готовых органических соединениях, – гетеротрофы, т.е. питающиеся другими организмами.

Кроме фотосинтеза, другим важнейшим для существования жизни процессом в биосфере является круговорот веществ, осуществляемый благодаря наличию в биосфере автотрофов, создающих органические вещества из неорганических, и гетеротрофов, которые используют эти органические вещества и снова превращают их в неорганические соединения, пополняя запас последних в биосфере. Следовательно, фотосинтез и круговорот веществ – это два основных фактора существования биосферы Земли.

Этапы эволюции биосферы.

Геохронологическая шкала. Большинство авторов гипотез о происхождении жизни на Земле допускали, что в течение огромного промежутка времени наша планета была безжизненной и на ее поверхности, в атмосфере и океане происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который привел к образованию первых примитивных организмов. Установилось почти традиционное представление о том, что на Земле происходила длительная химическая эволюция, предшествовавшая биологической и охватившая интервал времени не менее 1 млрд. лет.

Фоссилизированные (окаменевшие) остатки организмов встречаются в отложениях последних этапов геологической истории, охватывающих 570 млн. лет. По инициативе американского геолога Ч. Шухерта этот период назван фанерозойским эоном, или фанерозоем (от греч. фанерос – очевидный, четкий, зое – жизнь). К фанерозою относятся три последние эры в истории земной коры: палеозойская, мезозойская и кайнозойская.

Более древняя и самая продолжительная часть геологической истории названа криптозоем (от греч. криптос – скрытый), охватывающий огромный промежуток времени – 570–4500 млн. лет тому назад и обозначаемый как докембрий. Этот первоначальный этап геологической истории биосферы принято подразделять на два последовательных периода:

1) архейская эра, продолжительностью около 1900 млн. лет,

2) протерозойская эра, продолжительностью около 2000 млн. лет.

Геохронологическая шкала представляет интерес с точки зрения рассмотрения последовательности этапов развития биосферы, так как позволяет датировать историю возникновения видов организмов. Так, архей – это время примитивных одноклеточных бактерий, протерозой – время разнообразных бактерий и водорослей. C началом палеозоя связывают первое появление многочисленных беспозвоночных, имеющих раковину, окаменевшие останки которых находят в горных породах повсеместно. В палеозое появились первые позвоночные около 450 млн. лет назад (ордовикский период), первые насекомые – 350 млн. лет назад (девон), первые рептилии – 300 млн. лет назад (каменноугольный период), первые хвойные – 220 млн. лет назад (пермский период). С мезозоем связано появление первых динозавров и первых млекопитающих (200 млн. лет назад в триасе) и первых птиц и сосновых деревьев (160 млн. лет назад в юрском периоде).

Кислород в атмосфере. В развитии биосферы важнейшую роль сыграл постепенный рост концентрации кислорода в атмосфере, что создало условия для формирования озонового слоя в атмосфере, перехода на сушу зародившейся в океане жизни и появления в дальнейшем высших животных. Первичная атмосфера была почти без кислорода (0,1% от современного уровня). Изменение состава атмосферы началось приблизительно 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы. Этот процесс развивался до появления 1,5 млрд. лет назад современных хлорофилловых клеток, которые стали выделять большое количество кислорода и поглощать углекислый газ. Их предшественники – прекариоты (клетка без ядра) были первыми фотосинтезирующими организмами (вероятно, это были сине-зеленые водоросли, обнаруженные в докембрийских отложениях в Онтарио).

Приблизительно 1 млрд. лет назад количество кислорода составляло 1% от современного уровня. В эту эпоху важной была роль фотосинтезирующей активности фитопланктона, появился озоновый слой, задерживающий губительные для организмов ультрафиолетовые лучи, что способствовало дальнейшему развитию органической жизни в поверхностном слое воды.

Около 600 млн. лет назад начался важный биосферный процесс: заселение материков живыми существами – появились низшие автотрофные растения, затем более сложные виды растений, что сопровождалось резким увеличением содержания кислорода в атмосфере (от 3% от современного уровня 700 млн. лет назад до 50% к началу мелового периода 140 млн. лет назад).

Основные этапы развития биосферы. Можно условно выделить следующие последовательные этапы эволюции биосферы: синтез простых органических соединений, биогенез, антропогенез, техногенез и ноогенез.

1) Синтез простых органических соединений (химическая эволюция) в геосферах Земли совершался под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды. Начало этапа – 3,5–4,5 млрд. лет.

2) Биогенез – преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа – 2,5–3,5 млрд. лет назад (появление живого вещества биосферы).

3) Антропогенез – появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе производственной трудовой деятельности. Начало этапа – 1,5–3 млн. лет назад (появление человека).

4) Техногенез – преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно–технических комплексов, т.е. техносферы как составной части биосферы. Начало этапа – 10–15 тыс. лет назад (появление городских поселений).

5) Ноогенез – процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально–природной системы (ноосферы). Ее можно характеризовать как состояние биосферы, при котором осуществляются: а) рациональное использование природы, т.е. рациональное природопользование; б) устойчивое развитие мирового человеческого сообщества.

Заметим, что важное воздействие на эволюцию биосферы оказал дрейф континентов, в результате которого эволюция разных групп организмов пошла различными путями. Согласно теории дрейфа континентов, выдвинутой Альфредом Вегенером в двадцатых годах ХХ века, современные континенты возникли из единого массива суши, получившего название Пангея и существовавшего на нашей планете еще в палеозое, как остров в Мировом океане. Примерно 200–250 млн. лет назад в конце палеозоя – начале мезозоя Пангея «раскололась» на два крупных массива суши, которые стали расходиться, дав возможность сформироваться новым океанам. Индия и континенты, находящиеся сейчас в Южном полушарии (Южная Америка, Африка, Антарктида, Австралия), составляли вместе единый материк Гондвана. Нынешняя Северная Америка, Европа и Азия образовали материк Лавразия.

В юрский период Гондвана и Лавразия отделились друг от друга. К тому времени эволюция динозавров достигла довольно высокой степени, хвойные леса существовали уже на протяжении миллионов лет, появились первые птицы и млекопитающие. Еще до того как началось разделение Гондваны на ныне существующие южные континенты и Индию, динозавры и хвойные леса заняли господствующее положение среди живых организмов. После разделения Гондваны эволюция видов на разных континентах пошла различными путями. Так, сумчатые млекопитающие достигли большого разнообразия в Австралии и Южной Америке, тогда как плацентарные млекопитающие заняли доминирующее положение на других континентах.

Приблизительно в это же время происходило разделение Лавразии, где уже существовали хищные, копытные грызуны, приматы и многие другие млекопитающие. Поэтому неудивительно, что североамериканские, азиатские и европейские виды млекопитающих связаны между собой более близким родством, чем с млекопитающими Австралии и Южной Америки. Нынешние континенты сформировались в основном в конце мезозоя, около 110 млн. лет назад, хотя Индия, перемещаясь к северу, соединилась с Азией только 20 – 30 млн. лет назад.

Строение биосферы.

Современная биосфера наряду с живым веществом включает в себя полностью гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы.

Гидросфера. Эта геосфера представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледников. Она образует прерывистую водную оболочку Земли, занимающую более 70% ее поверхности. Масса гидросферы распределена крайне неравномерно: 98,3% ее составляет Мировой океан, 1,6% связана в материковых льдах и лишь 0,1% приходится на воды материков.

Мировой океан, являющийся основной частью гидросферы, служит средой обитания огромного количества самых разнообразных представителей растительного и животного мира и мира микроорганизмов. Все морские организмы делят на три большие группы: планктон, нектон и бентос. Планктон (от греч. путешествующий) – самая большая по числу видов группа организмов, включающая в себя растения и животных, не способных самостоятельно передвигаться, «парящих» в толще воды и перемещаемых течениями. Планктон подразделяют на фито- и зоопланктон. Основная масса фитопланктона сосредоточена в поверхностном (50–80-метровом ) слое воды океанов, где достаточно для фотосинтеза солнечного света. К нектону (от греч. плавающий) относятся животные, способные самостоятельно передвигаться в воде (рыбы, водные млекопитающиеся, кальмары и др.). Организмы, прикрепленные ко дну водоемов, ползающие по нему и зарывающиеся в него, относят к бентосу ( от греч. глубинный), который подразделяется на фитобентос (разнообразные многоклеточные водоросли) и зообентос (губки, черви, моллюски и другие беспозвоночные).

Масса живого вещества в гидросфере распределена крайне неравномерно. Наибольшую биомассу имеет фитопланктон, области концентрации которого занимают около 10% площади Мирового океана и в основном расположены на шельфах. Так как для большинства представителей нектона и зообентоса фитопланктон является основным или единственным источником пищи, распределение областей их концентрации приурочено к ареалам фитопланктона.

Литосфера. В современном понимании литосфера (от греч. литос – камень) – верхняя твердая оболочка Земли, толщина которой колеблется в пределах 50–200 км. Верхняя часть литосферы образует земную кору, а нижняя – верхнюю часть мантии Земли. Земная кора, представляющая собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку планеты, состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Осадочный слой в основном сложен осадочными породами (глинами, песчаниками, известняками, доломитами, гипсами и др.), образовавшимися на поверхности Земли в основном в результате отложения продуктов выветривания и разрушения более древних пород, химического и механического выпадения осадка из воды, а также продуктов жизнедеятельности организмов. Мощность осадочного слоя крайне изменчива: в одних местах он отсутствует, в других – достигает толщины 20–25 км. Общий объем этого слоя составляет около 10% от объема всей земной коры, причем основная часть слагающих его пород приходится на материки и шельфы океанов.

Нижняя граница биосферы проходит в самой верхней части земной коры. Отчетливое распространение жизни отмечается здесь лишь до глубины в несколько десятков метров, однако с подземными водами микроорганизмы распространяются до глубин 2–3 км, хотя известны случаи обнаружения микроорганизмов в нефтяных водах и нефти, добытых при бурении скважин с глубин более 4 км.

С точки зрения концентрации живого вещества биосферы особый интерес представляет почвенный слой, толщина которого в различных ландшафтных и климатических зонах изменяется в широких пределах (от нескольких сантиметров до 1–1,5 м). Практически вся растительность суши, а следовательно, и весь ее животный мир связаны с почвой как необходимым источником пищи. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечить необходимые условия для жизни растений. Большое значение в плодородии почв играет гумус, состоящий преимущественно из продуктов биохимического разложения отмерших остатков организмов. Почва является местом обитания огромного количества микроорганизмов, водорослей, простейших, насекомых, червей и других беспозвоночных животных и большого количества позвоночных животных.

Атмосфера. Третья геосфера Земли, с которой связана биосфера – это атмосфера, представляющая собой газовую оболочку Земли, состоящую из азота (78,08% объема), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). На долю остальных газов приходится около 0,01% общего объема атмосферы. С удалением от поверхности Земли плотность атмосферы постепенно уменьшается до высоты около 3 тыс. км, где ее плотность становится равной плотности межпланетного пространства. Обычно атмосферу представляют в виде совокупности слоев – тропосферы, стратосферы и ионосферы. Тропосфера, заключающая в себе около 80% массы всей атмосферы и практически весь водяной пар, простирается до высоты приблизительно 9 км (на полюсах) – 17 км ( на экваторе). В нижней части стратосферы, простирающейся от верхней границы тропосферы до высоты около 50 км, располагается озоновый слой, для которого характерно повышенное содержание озона. Концентрация озона на высотах расположения озонового слоя 15–26 км более чем в 100 раз превышает его концентрацию у поверхности Земли.

В качестве верхней границы биосферы принимается нижняя граница озонового слоя, почти полностью поглощающего губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Вот почему часто озоновый слой называют “озоновым щитом”, защищающим жизнь на Земле. Здесь будет нелишним заметить, что включение в биосферу нижней атмосферы является несколько условным, так как нахождение организмов в ней на значительных высотах над земной поверхностью в большинстве случаев может быть временным, а истинной средой обитания их служит гидросфера, верхняя часть земной коры и тонкий слой приземной атмосферы.

Биогеоценоз

Структура биогеоценоза. Биогеоценоз (от греч. био – жизнь, гео – земля, ценоз – сообщество) – наименьшая структурная единица биосферы, представляющая собой внутренне однородную пространственно ограниченную (обособленную) природную систему взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической (неживой, косной) среды. Этот термин был введен в 1942 г. известным русским (советским) ученым – биологом В.Н. Сукачевым (1880 – 1967). Биогеоценоз состоит из двух сложных компонентов разной природы: биоценоза и биотопа. Схематично это можно представить в следующем виде:

БИОГЕОЦЕНОЗ = БИОЦЕНОЗ + БИОТОП.

Термин биоценоз был введен немецким биологом К. Мебиусом (1877) и означает совокупность живых организмов (животных, растений, микроорганизмов), существующих на относительно однородном по условиям жизни участке среды обитания. Биоценоз представляет сложную совокупность, состоящую из ряда компонентов живой природы, взаимообусловливающих существование друг друга:

1) фитоценоза – сообщества растительных организмов;

2) зооценоза – биокомплекса животных организмов (беспозвоночных и позвоночных), обитающих в почве и надпочвенной среде;

3) микробиоценоза (или микробоценоза) – сообщества микроорганизмов (бактерий, грибковых и др), живущих в почве, в воздушной и водной средах.

Биотопом (или экотопом) называется относительно однородное по своим геоморфологичеким, климатическим, геохимическим и другим абиотическим свойствам пространство, занятое биоценозом. Биотоп представляет собой совокупность двух взаимодействующих между собой компонентов неживой природы:

1) атмосферы, содержащей атмосферную влагу и биогенные газы (кислород и углекислый газ) и характеризуемой такими свойствами, как температура, влажность, давление, солнечная радиация, осадки и др.;

2) почвенного покрова с подпочвенными слоями материковой породы и почвенно-грунтовыми водами.

Общая характеристика биогеоценоза. Все перечисленные компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством и однородностью территории, круговоротом биогенных химических элементов, сезонными изменениями климатических условий, численностью и взаимной приспособленностью многообразных видовых популяций автотрофных и гетеротрофных организмов. Следовательно, биогеоценоз – это совокупность разных видов живых организмов (биоценоз), сосуществующих в пределах пространственно ограниченного и однородного по своим абиотическим свойствам участка территории (биотопа) и взаимодействующих как друг с другом, так и с биотопом. Можно говорить о биогеоценозе березовой рощи, луга и т.п., но нельзя называть биогеоценозом сообщество бактерий в капле росы на травинке.

Каждый природный биогеоценоз представляет собой сложную саморегулирующуюся систему, сформировавшуюся в результате многих тысяч и миллионов лет эволюции и обладающую способностью трансформировать вещество и энергию в соответствии со своей структурой и динамикой. Путем самоорганизации такая система способна противостоять как изменениям окружающей среды, так и резким изменениям в численности тех или иных организмов, входящих в состав биоценоза. Основу биогеоценоза составляют зеленые растения, которые, как известно, являются производителями органического вещества. Так как в биогеоценозе обязательно присутствуют растительноядные организмы (животные, микроорганизмы), потребляющие органическое вещество, то нетрудно догадаться, почему растения являются главным звеном в биогеоценозе: ясно, что если растения – главный источник органического вещества исчезнут, то жизнь в биогеоценозе практически прекратится.

Круговорот веществ в биогеоценозе. Круговорот веществ – одно из необходимых условий существования жизни. Он возник в процессе становления жизни на Земле и усложнялся в ходе эволюции живой природы. Без круговорота веществ в любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, так как они перестали бы возобновляться в процессе жизнедеятельности организмов.

Чтобы был возможен круговорот веществ в биогеоценозе, необходимо наличие в нем двух типов организмов: 1) создающих органические вещества из неорганических, 2) использующих для обеспечения своей жизнедеятельности эти органические вещества и снова превращающих их в неорганические соединения. В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться растениями в процессе фотосинтеза. Следовательно, кардинальную роль в круговороте веществ в биогеоценозе играют растения, использующие и запасающие преобразованную солнечную энергию.

Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой природы в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Источником энергии, необходимой для создания круговорота веществ в биогеоценозе, является Солнце. Движение вещества, вызванное деятельностью организмов, происходит циклически, оно может быть использовано многократно, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонаправленный характер. Поэтому неправомерно отождествлять круговорот вещества в биогеоценозе с круговоротом энергии.

Популяция.

Основные понятия и определения. Все виды живых организмов в биосфере могут существовать только в форме популяций. Популяция – это совокупность особей одного вида, занимающих в одно и то же время определенное место в пространстве. Иногда популяцию представляют и как совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство и обладающих сходной наследственностью, т.е. внутри которой осуществляется обмен генетической информацией. Известный современный общественный деятель и ученый-эколог А.В. Яблоков определяет популяцию как минимальную самовоспроизводящую группу особей одного вида, которая на протяжении эволюционно длительного времени населяет определенное пространство и образует самостоятельную генетическую систему.

Известно, что наследственная информация хранится в хромосомах в виде нуклеиновых кислот, молекулы которых или их отдельные части, называемые генами, определяют наследственные признаки. Совокупность всех генов образует генотип, а совокупность всех особей, хранящих и передающих по наследству генетическую информацию, формирует генетический фонд, или генофонд популяции

Подобно различиям, существующим между отдельными особями, имеются различия и между популяциями, так как каждая популяция приспособлена к условиям той местности, в которой она обитает. Благодаря свойству приспособления (адаптации) к условиям окружающей среды популяция может обосноваться в определенной области при наличии подходящего климата, питательных веществ и источника энергии. Поэтому каждая популяция обладает рядом признаков, отсутствующих у отдельных ее членов. Такими отличительными признаками являются численность и плотность популяции, подходящее местообитание, которое по своим температуре, влажности, характеру почвы и растительности, пищевым ресурсам и прочим параметрам соответствовало бы ее потребностям.

Популяция и биогеоценоз. Подобно тому как отдельные особи не могут существовать в природе вне популяции, так и популяции не могут существовать в определенном месте обособленно от популяций других видов, т.е. вне биогеоценоза. Поэтому можно утверждать, что биогеоценоз – это комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих популяций разных видов, обитающих на определенной территории с относительно однородными условиями существования. С точки зрения понятия биогеоценоза эта территория с относительно однородными условиями существования ранее была определена как биотоп. Однако в пределах одного биотопа каждый вид занимает разные участки территории, обеспечивающие этому виду биотические и абиотические условия, необходимые для существования популяции.

Таким образом, каждый вид в пределах биотопа имеет присущее только ему место обитания. Такие места обитания вида (или местообитания) называются стациями (от лат. стацио – местообитание). Например, биотопом популяций лесных видов растений и животных является лес, который естественным образом разделяется на участки – стации, занятые различными древесными породами (сосна, береза, лиственница), для каждой из которых характерны определенные условия произрастания, отличающиеся разными почвами, влажностью и др. Более того, различные виды насекомых, питающиеся древесными растения ми (листьями, корой, древесиной), наилучшим образом развиваются на какой-либо одной древесной породе. Поэтому биотоп леса будет разделяться на стации, связанные с существованием популяций отдельных видов насекомых, входящих в состав лесного биоценоза. Следовательно, биотоп является совокупностью большого числа стаций.

Численность и плотность популяций. Численностью популяции одного вида называют количество особей этого вида. Численность популяций в биосфере сильно меняется как во времени, так и в пространстве, зависит от условий местообитания и подвержено воздействию человека. Численность популяций разных видов колеблется от нескольких десятков до десятков тысяч особей (у микроорганизмов – до миллиардов особей). Численность популяции – одна из ее важнейших характеристик, позволяющая экологам судить о степени благоприятности условий обитания как для самой популяции, так и для биогеоценоза в целом. Плотность популяции – это ее численность, отнесенная к единице занимаемого ею пространства, или среднее число особей на единицу площади (объема).

Численность популяции может возрастать по двум причинам: в результате миграции из соседних популяций или за счет размножения особей. Одним из показателей размножения является плодовитость, измеряемая числом потомков одной женской особи. Говоря о популяциях млекопитающих, используют термин рождаемость, определяемую как число потомков, производимых одной самкой за год. Уменьшение численности популяции может происходить также по двум причинам: в результате смертности или миграции особей в другие соседние популяции. Смертность означает вероятность смерти и определяется как доля (в процентах) умерших особей к общему их числу в популяции.

Для человеческой популяции смертность выражается средним числом смертей в год на 1000 человек, а рождаемость обычно определяют числом рождений (живых детей) на 1000 человек за год. Изучением статистики рождаемости и смертности людей, анализа их временных и географических закономерностей для целей прогноза занимается демография. В таблицах 1.1 и 1.2 приведена статистика рождаемости и смертности в некоторых странах и регионах по данным 1981 г.

Таблица 1.1 Статистика рождаемости и смертности в некоторых странах

Таблица 1.2 Статистика рождаемости и смертности в некоторых регионах

Из таблиц 1.1 и 1.2 видны значительные отличия показателя рождаемости в разных странах и регионах (в 3–5 раз), а различия в показателях смертности несколько ниже, что позволяет сделать ряд выводов. Например, в развитых странах (США, ФРГ) смертность в среднем ниже, чем в развивающихся странах (Кения, Индия, Мексика). Известно, что в ряде развивающихся стран (например, в Индии после второй мировой войны) были введены программы медицинской помощи населению и реализованы продовольственные программы, что при сравнительно высокой рождаемости привело к снижению смертности. Разница в показателях рождаемости и смертности в развитых странах значительно меньше, чем в развивающихся странах, что объясняет высокие годовые приросты численности населения в развивающихся странах по сравнению с развитыми странами. А в ФРГ – одной из самых развитых стран мира – по данным 1981 г. смертность превысила рождаемость. В последнее десятилетие аналогичная ситуация наблюдается в России, что привело к значительному снижению численности населения (на несколько миллионов человек).

По оценкам демографов в первые два – три десятилетия ХХI века общая численность людей на планете увеличится приблизительно вдвое, причем население развитых стран увеличится незначительно, а основной прирост народонаселения придется на развивающиеся страны.

Структура популяции. Каждая популяция имеет определенную структуру: возрастную (соотношение особей разного возраста), половую (соотношение полов) и пространственную (колонии, семьи).

Возрастная структура отражает особенности распределения численности популяции по возрастам и может быть выражена в виде зависимостей относительного числа особей (по отношению к численности популяции), возраст которых находится в определенных временных интервалах. В демографических исследования возрастная структура населения отдельных стран, регионов или мира в целом определяется соотношением долей (в процентах) групп людей, чей возраст находится в равных (годовых, пятилетних и др.) интервалах времени. Графическое представление этих соотношений называют пирамидами возрастов, которые также являются показателями возрастной структуры популяции.

По виду возрастной структуры можно судить о том, является ли популяция развивающейся (с растущей численностью) либо сокращающейся популяцией. Для развивающейся популяции характерно значительное превышение численности возрастной группы особей с дорепродукционным возрастом по сравнению с группой, имеющей пострепродукционный возраст. Репродукционным называют возраст особей, которые могут давать потомство. Сокращающаяся популяция имеет обратное соотношение возрастных групп дорепродукционного и пострепродукционного возрастов.

Занимаемая популяцией территория является одним из ее важнейших характеристик. Однако эта территория разделяется на крайне неоднородные по численности и плотности популяции изолированные области, связанные с ее размещением. Характер размещения популяции по земной поверхности определяет ее пространственную структуру, которая для большинства популяций имеет сложную иерархию. Ниже рассмотрим одно из наиболее общих представлений сложной иерархической пространственной структуры популяции. Но прежде введем ряд дополнительных понятий: географическая, экологическая и элементарная популяции.

Элементарной популяцией, или микропопуляцией, называется группа совместно обитающих видов, для которой характерна пространственная компактность расселения особей, т.е. нерасчлененность их местообитания в пространстве. Географической популяциейЭкологическая популяция – это группа разнополых, половозрелых и обладающих равноценными условиями для полового отбора особей (в том смысле, что любые две разнополые особи данной группы могут с равной вероятностью скреститься друг с другом). Заметим, что в отличие от микропопуляций территории размещения географических и экологических популяций являются пространственно расчлененными и на географических картах будут представляться совокупностью отдельных зон. называют группу особей одного вида, населяющую территорию с однородными (по степени благоприятствования для этого вида) условиями существования.

Известно, что популяция каждого вида имеет свой ареал, под которым понимается область географического распространения (территория или акватория) особей данного вида независимо от степени постоянства их обитания в рассматриваемых местностях (кроме мест их случайного попадания). Ареал вида занимает верхний уровень иерархической структуры популяции. На территории, связанной с ареалом вида, выделяются относительно крупные территориальные образования второго иерархического уровня, занятые географическими популяциями. Внутри этих крупных территориальных образований выделяются более мелкие территории (третий уровень иерархии), занятые экологическими популяциями. Последний, четвертый, уровень иерархии пространственной структуры популяции занимают элементарные популяции, местообитания которых размещаются внутри территорий, занимаемых экологическими популяциями.

Природно-антропогенные популяции. До сих пор мы рассматривали в настоящем разделе природные популяции, находящиеся в естественных местообитаниях. Хозяйственная деятельность человека привела к возникновению природно-антропогенных популяций. Такие популяции могут быть связаны с выращиванием сельскохозяйственных культур, когда многие животные, например мыши, приспосабливаясь к системе хозяйства, изменяют характеристики своей популяции, в частности численность популяции. Используя в своих целях растительный и животный мир Земли, человек всегда имеет дело с конкретными природными популяциями, изменяя их численность, структуру и другие количественные характеристики, что во многих случаях уже приводило и приводит к исчезновению разных популяций в различных регионах. Так, резкое снижение численности многих диких животных в результате чрезмерного промысла (охота, промысловый лов рыбы и др.) может доходить до такого уровня, что нарушает условия случайного скрещивания особей и приводит к вымиранию популяции. Многие дикие копытные в Африке были не только вытеснены в процессе животноводства, но и специально уничтожены как носители опасных заболеваний, переходящих на домашних животных. Природно-антропогенные популяции формируются на всех территориях интенсивной хозяйственной деятельности, необязательно сельскохозяйственной направленности.

Общая характеристика экосистем.

Определение и понятие экосистемы. Понятие экосистемы является одним из основных понятий в современной экологии. Термин «экосистема» был введен в употребление А. Тенсли в 1935 г., спустя более полувека после выделения экологии как самостоятельной отрасли научных знаний (1866). Экологической системой или экосистемой называется совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом, обусловленной обменом веществ и распределением потока энергии. Следовательно, в биологическом смысле под экосистемой понимается любая система, включающая в свой состав сообщества живых существ и среду их обитания, объединенные в единое функциональное целое.

Каждая экосистема характеризуется совокупностью свойств и структурой. С точки зрения изучения проблем устойчивого функционирования экосистем интерес представляют такие основные свойства, как способность к образованию живого вещества из компонентов неживой природы, способность осуществлять круговорот веществ в экосистеме, видовое разнообразие, способность поддерживать ее нормальное функционирование в условиях изменяющейся среды обитания и др. Важнейшей с точки зрения организации экосистем является их видовая структура.

Виды экосистем. Экосистема – сложный объект, при изучении которого используют методы системного анализа. Классификация таких сложных систем должна проводиться по различным основаниям, или признакам деления на классы. По пространственному масштабу выделяются экосистемы различного ранга: микроэкосистемы, мезоэкосистемы, макроэкосистемы и глобальная экосистема. Наименьший ранг имеют микроэкосистемы, примерами которых могут служить маленький водоем, труп животного с населяющими его организмами или ствол упавшего дерева в стадии биологического разложения, домашний аквариум и даже лужица или капля воды, пока в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ. Экосистемы промежуточного ранга называются мезоэкосистемами (лес, пруд, река и т.п.). Макроэкосистемы имеют большой пространственный масштаб и связаны с крупными географическими объектами, составляющими по размерам значительную часть земной поверхности (например, океан, континент и т.п.). Самый большой ранг имеет глобальная экосистема, эквивалентная биосфере Земли в целом. Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.

По характеру среды обитания сообществ живых организмов природные (естественные) экосистемы разделяют на наземные и водные, среди последних иногда выделяют пресноводные и морские экосистемы. Основные экологические свойства экосистем существенно зависят от различия условий среды обитания (географических, гидрографических, климатических, почвенных и др). Поэтому указанные виды природных экосистем разделяются в свою очередь на различные типы экосистем. В классе наземных экосистем выделяют тундровые, таежные, степные и др., а пресноводные экосистемы делят на озерные, речные, болотные и т.п.

Вообще в экологической литературе в зависимости от аспектов рассмотрения экосистем используют большое число других разнообразных признаков деления экосистем на классы, причем система признаков деления экосистем до сих пор не является устоявшейся, отсутствует также общепринятая классификация экосистем, особенно при их рассмотрении в связи с изучением взаимоотношений общества и природной среды в условиях антропогенных воздействий на природные экосистемы. Так, французский эколог Франсуа Рамад, автор широко известной за рубежом и в нашей стране книги «Основы прикладной экологии: Воздействие человека на биосферу», вводит в рассмотрение понятия экосистемы первобытного общества, аграрной цивилизации и промышленно развитого общества, что позволяет ему провести сравнительный анализ последствий антропогенного воздействия на природную среду. Такая классификация будет нами использоваться далее в разделе 3.

Для удобства рассмотрения некоторых особенностей взаимодействия общества и природы в рамках изучаемой дисциплины по степени антропогенного воздействия на природную среду будем различать три следующих вида экосистем: природные, социоприродные и антропогенные. Природные экосистемы, рассмотренные выше, – это естественные экосистемы, при изучении которых не учитываются какие бы то ни было антропогенные воздействия. К антропогенным будем относить искусственные экосистемы, непосредственно и целенаправленно созданные человеком для удовлетворения своих потребностей. Их удобно разделять на техногенные и агроэкосистемы. К техногенным относятся экосистемы, целенаправленно созданные для решения определенных задач охраны окружающей среды и природопользования, например, сложные очистные сооружения и комплексы биологической очистки сточных вод во многих крупных городах мира. Агроэкосистемы создаются практически во всех странах и предназначены для резкого повышения плодородия земель и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур на основе химизации и применения новых технологий сельскохозяйственного производства.

Под социоприродными понимаются экосистемы, которые формируются не в результате целенаправленной деятельности человека, а возникают опосредованно вследствие взаимодействия человеческого общества с природной средой. Неосознанная деятельность человека, связанная с удовлетворением его постоянно растущих потребностей, приводит к тому, что естественные экосистемы в окружающей его среде трансформируются (преобразуются) в социоприродные экосистемы, состоящие из живой и неживой природы и неприроды, т.е. культуры. Особенностью рассмотрения социоприродных экосистем является включение в состав экосистемы человека как носителя культуры. Необходимость такого социоприродного подхода к рассмотрению экосистем в современной экологии обусловлена и тем, что человек в современных условиях стал геологической преобразующей силой, без учета которой невозможно разрабатывать стратегии устойчивого развития цивилизции и рационального природопользования.

Видовая структура природных экосистем. Под видовой структурой экосистемы понимается перечень видов организмов, образующих экосистему, и соотношение их численностей. Точных данных о количестве видов в экосистемах нет, так как трудно учесть видовое разнообразие всех мелких организмов (особенно микроорганизмов). Оно исчисляется сотнями и десятками сотен. Видовое разнообразие обычно тем значительнее, чем разнообразнее и богаче условия (биотоп) экосистемы. В этом отношении самыми богатыми по видовому разнообразию являются, например, экосистемы дождевых тропических лесов. Только древесные виды исчисляются в них сотнями.

Богатство видов, или биоразнообразие, зависит также от возраста экосистем. Молодые экосистемы, возникающие, например, на таком изначально безжизненном субстрате, как отвалы пород, извлекаемые из глубинных слоев земной коры при добыче полезных ископаемых, крайне бедны видами. В дальнейшем по мере развития экосистем их видовое богатство увеличивается. Но в хорошо сформировавшихся экосистемах оно может несколько уменьшаться. К тому времени обычно выделяется один или несколько видов, которые явно преобладают по численности особей. Например, в еловом лесу – ель, в смешанном – ель, береза и осина, в степи – ковыль и типчак. Эти виды занимают большую часть пространства, оставляя меньше места для других видов.

Виды, явно преобладающие по численности особей, называются доминантными. Наряду с доминантами в экосистемах выделяются виды-эдификаторы (от лат. строитель), которые являются основными образователями среды, или, как говорят, средообразующие виды. Обычно вид-доминант одновременно является и эдификатором. Например, ель в еловом лесу наряду с доминантностью обладает высокими эдификаторными свойствами, которые выражаются в ее способности сильно затенять почву, создавать кислую среду своими корневыми выделениями и при разложении мертвого органического вещества образовывать специфические для кислой среды подзолистые почвы. Вследствие высоких эдификаторных свойств ели под ее пологом могут жить только такие виды растений, которые способны мириться со скудным освещением (теневыносливые и тенелюбивые). В то же время под пологом елового леса доминантным видом может быть, например, черника, но она не является существенным эдификатором.

Видовую структуру обычно используют для оценки условий состояния экосистем по видам – индикаторам (от лат. указатель). Так, для лесной зоны кислица указывает на условия увлажнения, близкие к оптимальным, и значительное богатство почв питательными минеральными веществами; черника – на несколько избыточное увлажнение и некоторый дефицит элементов минерального питания; брусника – на дефицит увлажнения и почвенного плодородия; мхи (кукушкин лен и особенно сфагнум) – на чрезмерно избыточное увлажнение, дефицит минеральных веществ, недостаток кислорода для дыхания корней и наличие процессов торфообразования. Наряду с индикаторами меняется состав и других видов, произрастающих под пологом эдификаторов.

По растениям-эдификаторам или доминантам и растениям-индикаторам обычно дают названия природным экосистемам. Например, лесоводы по ним определяют типы леса (например, ельники-кисличники, ельники-черничники и др.). По такому же принципу классифицируются и называются другие экосистемы. Например, для степей выделяются типчаково-ковыльные, злаково-разнотравные и другие системы.

Соотношение между понятиями экосистемы и биогеоценоза. Близкий (по содержанию) к понятию экосистемы смысл вкладывается в термин биогеоценоз. В некоторых книгах и учебных руководствах по экологии можно прочитать, что эти термины – синомимы. Посмотрим, так ли это.

Из вышеизложенного ясно, что биогеоценоз представляет собой комплекс взаимосвязанных видов организмов (популяций разных видов), обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существованиями. Как и биогеоценоз, экосистема в биологическом смысле является совокупностью взаимосвязанных живых существ и среды их обитания, образующих единое целое. Однако основу биогеоценоза составляют зеленые растения, производящие живое органическое вещество. Так как в биогеоценозе присутствуют растительноядные и плотоядные животные и другие организмы, потребляющие органическое вещество, легко догадаться, почему растения являются главным звеном в биогеоценозе. Поэтому ясно, что если растения – главный источник органического вещества в биогеоценозе – исчезнут, то и жизнь там практически прекратится. Примеры биогеоценозов – однородные участки леса, луга, степи, болота и т.п.

Экосистема, по определению, может и не включать растительные организмы в свой видовой состав. Таким примером являются природные экосистемы, формирующиеся на базе разлагающихся органических остатков, гниющих в лесу деревьев, трупов животных и т.п. Достаточно присутствия лишь зооценоза и микробоценоза или только микробоценоза, чтобы такое образование рассматривать как экосистему. В этом и заключается одно из существенных отличий понятия экосистемы от понятия биогеоценоза. Таким образом, каждый биогеоценоз может быть назван экосистемой, но не каждая экосистема является биогеоценозом.

Биогеоценозы и экосистемы могут различаться и по временному фактору (продолжительности существования). Любой биогеоценоз потенциально бессмертен, поскольку все время пополняется энергией за счет деятельности растительных организмов. В то же время экосистемы, в составе которых отсутствует растительное звено, заканчивают свое существование одновременно с высвобождением в процессе разложения органического субстрата всей содержащейся в нем энергии.

Экологические факторы.

Общие определения. Экологические факторы – существенные свойства окружающей среды, оказывающие прямое или косвенное воздействие на сообщества живых организмов в экосистеме и на состояние экосистемы в целом. Экологические факторы подразделяются на три группы: биотические (факторы живой природы), абиотические (факторы неживой природы) и антропогенные, связанные с деятельностью человеческого общества. Последние включают социально-экономические, культурные и другие факторы. По характеру воздействий рассматривают периодические и непериодические экологические факторы, с действием которых связаны приспособительные возможности организмов и природных экосистем к изменениям внешних воздействий. К периодическим экологическим факторам относят природные явления, обусловленные вращением Земли: смена времен года, суточная смена освещенности, суточные, сезонные и вековые изменения температуры и осадков, динамика растительной пищи (для животных) и др. К непериодическим факторам относятся экологические факторы, не имеющие выраженной цикличности, например, химический состав и механические характеристики почвы, атмосферного воздуха или воды.

Абиотические факторы. Эту группу составляют, как указывалось выше, компоненты и явления неживой, неорганической природы, оказывающие прямое или косвенное воздействие на живые организмы. Главную роль среди них играют климатические (солнечная радиация, световой режим, температура, влажность, осадки, ветер, давление и др.); затем идут почвенные, или эдафические (от греч. эдафос – почва), важные для обитающих в почве организмов; и, наконец, факторы водной среды.

Солнечная радиация, как известно, является основой фотосинтеза. Кроме того, она определяет термический режим биосферы Земли, изменение которого в направлении от экватора к полюсам вызывает как климатическую зональность, так и существование на нашей планете крупных зональных типов растительности (тундра, тайга, степи, пустыни, влажные тропические леса и др.). Кроме солнечной радиации, на состояние экосистем разных климатических зон непосредственное влияние оказывают и другие абиотические факторы среды (температура, влажность, осадки, тип почв и т.п.), влияние которых в комплексе приводит к смене природных ландшафтов, создающих существенные различия в условиях обитания организмов.

Рассмотрим кратко почвенные экологические факторы. Известно, что почва – трехфазная среда, включающая твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород, т.е. формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. Самый верхний горизонт почв, являющийся накопителем органического вещества и называемый гумусовым, определяет плодородие почвы и представляет собой смесь органических и минеральных веществ. В результате сложных биохимических процессов в этом слое органические остатки в почве разрушаются (минерализуются) с образованием более простых соединений (вода, углекислый газ, аммиак и др.) или превращаются в более сложные органические соединения – перегной, или гумус. Таким образом, химические свойства почвы определяются содержанием органических и неорганических соединений. Свыше половины минерального состава почвы занимает кремнезем (двуокись кремния), остальную часть составляют окислы алюминия, железа, магния, калия, фосфора, кальция и др. Физические свойства почвы обусловлены механическим составом (содержанием частиц разной величины: песок, глина, суглинок), от которого зависят способности почвы удерживать влагу и насыщаться воздухом, что определяет условия обитания организмов в почве и условия произрастания растений.

Важным показателем состояния почвы является ее кислотность – величина концентрации ионов водорода (рН) в почве. Различные виды приспособились к определенным величинам показателя рН: одни предпочитают кислую среду, другие – щелочную, а третьи – нейтральную. Многие животные и растения очень чувствительны к малейшим изменениям рН.

Абиотические факторы водной среды, называемые гидрографическими, определяются физическими и химическими свойствами воды как среды обитания живых организмов (гидробионтов). На характер пространственного распределения гидробионтов оказывают влияние соленость, плотность, световой режим, температура и др. Например, соленость играет важную роль в существовании разных видов организмов: пресноводные виды не могут жить в морской воде, а морские – в пресной. Не менее важна роль светового режима. Так, водоросли в океане обитают в освещаемой зоне, чаще всего на глубинах до 20 – 50 м, привлекая как источник питания различные виды морских животных.

Биотические факторы. Совокупность воздействий жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других и на состояние неживых компонент среды обитания составляет комплекс биотических факторов. Разнообразные взаимодействия между животными, растениями и микроорганизмами в экосистеме подразделяются на прямые, связанные с непосредственным воздействием одних организмов на другие, и на косвенные, когда, например, растения своим присутствием изменяют режим действия абиотических факторов среды для других растений, животных и микроорганизмов. Так, орех и дуб своими выделениями угнетают травянистую растительность под кронами. В общем, любое растительное сообщество существенно влияет на совокупность абиотических характеристик среды. Известно, что различные абиотические факторы в пределах лесного ландшафта существенно отличаются при схожести климатических условий от этих же факторов в условиях степных ландшафтов.

Важнейшим биотическим фактором является пища. Пищевой фактор может рассматриваться с разных точек зрения: количество, доступность, химический состав, пищевая ценность и др. Любой вид животного или растения обладает достаточно четкой избирательностью к составу пищи. Так, каждому растению необходим определенный набор минеральных веществ. Пищевые взаимоотношения среди животных отличаются значительной сложностью. По способу доступа к пище наиболее распространены два типа взаимоотношений: хищничество и паразитизм. Хищничество проявляется в преследовании и поедании одних видов организмов другими, например, растительноядных копытных – плотоядными хищниками, насекомых – птицами, мелких рыб – более крупными. Паразитизм также проявляется в различных формах. В самом общем случае организм-паразит живет постоянно на теле или внутри тела другого организма – хозяина. С экологических позиций хищник и жертва, паразит и хозяин взаимно необходимы друг другу и их сосуществование составляет основу существования экосистемы.

Антропогенные экологические факторы. Важную группу экологических факторов составляют антропогенные факторы, отражающие воздействие человека как на живые организмы, так и на абиотические факторы среды обитания. Антропогенные факторы – это совокупность экологических факторов, обусловленных случайной или преднамеренной деятельностью человека и вызывающих существенное воздействие на структуру и функционирование экосистем и на деградацию биосферы. К антропогенным факторам относятся, например, радиационное загрязнение или загрязнение химическими веществами воды, почвы или атмосферы в результате деятельности общества. Загрязнение среды вызывает во многих случаях существенные изменения в состоянии природных экосистем.

Экологическая ниша.

Понятие экологической ниши. В экосистеме любой живой организм эволюционно приспособлен (адаптирован) к определенным условиям среды, т.е. к изменяющимся абиотическим и биотическим факторам. Изменения величин этих факторов для каждого организма допустимы только в определенных пределах, при которых сохраняется нормальное функционирование организма, т.е. его жизнеспособность. Чем большие пределы изменения параметров среды допускает (нормально выдерживает) конкретный организм, тем выше устойчивость этого организма к изменению факторов состояния среды. Требования определенного вида к разным экологическим факторам определяют ареал вида и место его в экосистеме, т.е. занимаемую им экологическую нишу.

Экологическая ниша – совокупность условий жизни в экосистеме, предъявляемых видом к множеству экологических факторов среды с точки зрения его нормального функционирования в экосистеме. Следовательно, понятие экологической ниши прежде всего включает в себя роль, или функцию, которую выполняет данный вид в сообществе. Каждый вид занимает свое, только ему присущее место в экосистеме, которое обусловлено его потребностью в пище и связано с функцией воспроизводства вида.

Соотношение понятий ниши и местообитания. Как показано в предыдущем разделе, для популяции прежде всего необходимо подходящее местообитание, которое по своим абиотическим (температура, характер почвы и т.п.) и биотическим (пищевые ресурсы, характер растительности и т.п.) факторам соответствовало бы ее потребностям. Но местообитание вида не следует путать с экологической нишей, т.е. функциональной ролью вида в данной экосистеме.

Условия нормального функционирования вида. Важнейшим для каждого живого организма биотическим фактором является пища. Известно, что состав пищи определяется прежде всего набором белков, углеводородов, жиров, а также наличием витаминов и микроэлементов. Свойства пищи обусловлены содержанием (концентрацией) отдельных ингредиентов. Разумеется, требуемые свойства пищи различаются для разных видов организмов. Недостаток каких-либо ингредиентов, как и их избыток, оказывают вредное воздействие на жизнеспособность организма.

Аналогично обстоит дело и с другими биотическими и абиотическими факторами. Поэтому можно говорить о нижней и верхней границах каждого экологического фактора, в пределах которых возможно нормальное функционирование организма. Если величина фактора среды становится ниже его нижней границы или выше верхней границы для данного вида, и если этот вид не сможет быстро приспособиться к изменившимся условиям среды, то он обречен на вымирание и его место в экосистеме (экологическая ниша) будет занято другим видом.

Трофические цепи и сети.

Основные определения. Одним из наиболее существенных свойств экосистем является наличие в них пищевых цепей и сетей. Трофическая (пищевая) цепь – последовательность видов организмов, отражающая движение в экосистеме органических веществ и заключенной в них биохимической энергии в процессе питания организмов. Термин происходит от греч. трофе – питание, пища. Для дальнейшего изучения рассмотрим следующие термины: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты (от англ. to produce – производить) – организмы, производящие органические вещества из неорганических соединений. Продуцентами в экосистеме являются автотрофные организмы, преобразующие путем фотосинтеза внешнюю (солнечную) энергию в биохимическую энергию, заключенную в органическом веществе. Примерами продуцентов в наземных экосистемах являются растения. Фитопланктон – мельчайшие водоросли – является другим примером продуцентов, характерных для морских и вообще водных экосистем.

Консументы (от лат. консуме – потреблять) – это организмы, питающиеся органическим веществом, произведенным другими организмами (продуцентами). Такими организмами в экосистеме являются гетеротрофы. Различают консументы 1-го и 2-го порядков. Консументы 1-го порядка – растительноядные организмы (например, овца, заяц). Консументы 2-го порядка – плотоядные, которые строят свои белки из белков растительного и животного происхождения (хищники).

Редуценты – организмы (главным образом, бактерии, грибы и др.), превращающие органические остатки в неорганические вещества (минерализация). Синоним термина – деструкторы (от англ. to destruct – разлагать).

Трофические (пищевые) уровни. В любой экосистеме можно выделить несколько трофических уровней или звеньев. Первый уровень представлен продуцентами, а второй и последующий уровни – консументами. Последний уровень в основном образуется микроорганизмами и грибами, питающимися мертвым органическим веществом (редуцентами). Их основная функция в экосистеме – разложение органического вещества до исходных минеральных элементов. Взаимосвязанный ряд трофических уровней и представляет цепь питания, или трофическую цепь.

Важно подчеркнуть, что цепь питания не всегда может быть полной. Во-первых, в ней могут отсутствовать продуценты (растения). Такие цепи питания характерны для сообществ, формирующихся на базе разложения животных или растительных остатков, например, накапливающихся в лесах на почве (лесная подстилка). Во-вторых, в цепях питания могут отсутствовать (либо находится в очень малом количестве) гетеротрофы (животные). Например, в лесах отмирающие растения или их части (ветви, листья и др.), т.е. продуценты, сразу включаются в звено редуцентов.

Виды трофических цепей. Трофические цепи в зависимости от числа уровней подразделяются на простые и сложные (многоуровневые) цепи. Примером простой цепи, в которой представлены все три вида уровней (продуцент, консумент и редуцент), может служить следующая последовательность организмов:

ОСИНА – ЗАЯЦ – ЛИСА.

Простая трофическая цепь имеет три трофических уровня. Сложные цепи в отличие от рассмотренных выше простых имеют большее число уровней, но обычно не превышающее 5–6 в реальных природных экосистемах. Ниже приводится пример сложной пятиуровневой цепи:

ТРАВА – ГУСЕНИЦА – ЛЯГУШКА – ЗМЕЯ – ХИЩНАЯ ПТИЦА.

Различают три основных типа трофических цепей:

- цепи хищников;

- цепи паразитов;

- сапрофитные цепи.

Примеры трофических цепей хищников:

ТРАВА – ОВЦА – ВОЛК;

ЛИСТ ДУБА – ГУСЕНИЦА – СИНИЦА – ЯСТРЕБ.

Отличительной особенностью трофических цепей паразитов от цепей хищников является то, что в цепях хищников размеры особей увеличиваются по мере продвижения по уровням цепи (слева направо), а в цепях паразитов – наоборот. Сапрофитные (от греч. сапрос – гнилой) цепи – это трофические цепи с разложением органического вещества, т.е. включающие редуцентов. К сапрофитам относятся организмы (грибы, некоторые растения и др.), питающиеся органическим веществом и преобразующие его в минеральные соединения. Ниже приведен пример такой трофической цепи:

ЛИСТВЕННЫЕ ДЕРЕВЬЯ – ЧЕРВИ – ГРИБЫ.

Трофические сети. В реальных природных экосистемах, включающих большое число видов организмов, функционируют и большое количество трофических цепей, причем некоторые виды участвуют одновременно в нескольких различных цепях питания, т е некоторые цепи образуют общие уровни. Комбинации различных трофических цепей, имеющих общие уровни в экосистеме, называются трофическими сетями.

Круговорот вещества в экосистеме.

Общее понятие о круговоротах веществ в биосфере. Под круговоротом веществ понимают многократное участие химических веществ в процессах, происходящих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех частях геосфер Земли, которые включены в биосферу планеты. При этом рассматривают геологический, биологический (биотический), биогеохимический круговороты, а также круговороты отдельных веществ, например, воды и отдельных химических элементов, в частности, биогенных элементов – углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и др., имеющих важное значение для функционирования биосферы. С точки зрения процессов, протекающих в экосистемах, наибольший интерес для изучения в рамках нашей дисциплины представляет биогеохимический круговорот вещества.

Круговорот энергии в экосистемах. В экологической литературе, наряду с круговоротами вещества, часто рассматриваются круговороты энергии в экосистемах, причем авторы некоторых публикаций, в том числе и учебной литературы, отождествляют круговороты вещества и энергии. Такое представление основывается на том, что движение органического вещества по цепям питания сопровождается направленной передачей биохимической энергии. Однако о круговороте энергии говорить нельзя, поскольку она практически не возвращается от редуцентов к продуцентам. Действительно, как показывают экологические оценки, коэффициент круговорота энергии в экосистемах не превышает 0,25%. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только круговороты веществ в экосистемах.

Круговорот веществ – условие существования жизни. Он возник в процессе становления жизни и усложнялся в ходе эволюции живой природы. Чтобы круговорот веществ в экосистеме был возможен, необходимо наличие в ней организмов-продуцентов, создающих органические вещества из неорганических и преобразующие энергию излучения Солнца, а также организмов, которые используют эти органические вещества и превращают их в неорганические соединения. Но в любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, если бы они не возобновлялись в процессе жизнедеятельности организмов. В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться автотрофами.

Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой природы в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Для круговорота веществ необходим приток энергии извне. Источником внешней энергии является Солнце. Движение вещества, вызываемое деятельностью организмов, происходит, как показано ранее, циклически, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонаправленный характер. Из всего сказанного ясно, что круговорот веществ в биогеоценозе – необходимое условие существования жизни.

Биогеохимические циклы. Круговорот веществ – это обмен химическими элементами между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы. Осуществление круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии – важная функция трофических цепей в экосистеме. Если трофическую цепь дополнить редуцентами, превращающими органическое вещество в минеральные неорганические соединения, потребляемые продуцентами в процессе образования органического вещества, то получим замкнутую цепь, по которой происходит направленное циклическое движение химических веществ, т.е. круговорот веществ. Такие круговороты называются биогеохимическими круговоротами, или биогеохимическими циклами

Следовательно, биогеохимические циклы – круговороты питательных веществ, участниками которых являются как живые, так и неживые компоненты экосистемы. Термин биогеохимические циклы был предложен В.И. Вернадским для обозначения замкнутых (в большей или меньшей степени) путей циркулирования в биосфере химических веществ и элементов, которые сначала поглощаются живым веществом, заряжаясь биохимической энергией, и затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию, с многократным циклическим повторением этих процессов. Движение химических элементов по замкнутым циклам является результатом эколого-физиологической взаимосвязи автотрофов и гетеротрофов по цепям питания. Различные виды организмов непрерывно ищут и поглощают в виде пищи вещества, необходимые им для роста, поддержания жизни и воспроизводства вида.

Заметим, что несмотря на то, что из всех водных компонентов биосферы атмосферная влага содержит наименьшую массу воды (ее объем втрое меньше объема поверхностных вод суши и в 150 тысяч раз меньше объема Мирового океана), она имеет наибольшее значение для осуществления биогеохимических циклов, являясь источником осадков и вовлекая в круговорот химические вещества, в том числе и вредные для природных экосистем загрязнители.

Устойчивость экосистем.

Толерантность вида. Термин толерантность (от лат. tolerantia – терпение) означает выносливость вида по отношению к колебаниям какого-либо экологического фактора, или другими словами, способность организмов переносить отклонения экологических факторов среды от оптимальных для них величин. Изменения величин этих факторов для каждого организма допустимы только в определенных пределах, при которых сохраняется нормальное функционирование организма, т.е. его жизнеспособность. Допустимые пределы изменений экологических факторов среды называются границами толерантности. Разные виды организмов отличаются более широкими или более узкими границами толерантности. Чем большие пределы изменения параметров среды безболезненно выдерживает конкретный организм, тем выше толерантность, или устойчивость этого организма к изменению экологических факторов среды.

Адаптация организмов к изменению экологических факторов. Показатели устойчивости организмов в изменяющихся условиях среды обитания определяются возможностями организмов приспосабливаться (адаптироваться) к изменениям биотических и абиотических факторов. Адаптациями называются эволюционно выработанные и наследственно (генетически) закрепленные свойства организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность при изменениях экологических факторов. Адаптационные возможности у разных видов очень сильно различаются. Например, береза хорошо растет как на сухих, так и увлажненных почвах, а сосна – только на почвах с умеренным увлажнением.

Часто важны не только пределы изменения экологических факторов, но и скорость их изменения, т.е. динамика. Не все виды способны приспособиться к быстрым изменениям условий среды. Виды, которые не могут (или не успевают) приспособиться к изменившимся условиям, вымирают и их экологические ниши в экосистемах занимают другие, более пластичные виды.

Рассмотрим основные виды адаптаций организмов к изменениям экологических факторов. Наиболее важными из них являются:

- морфологические;

- физиологические;

- поведенческие.

К морфологическим адаптациям относятся видоизменения органов, например, развитие у баобаба колючек вместо листьев, а у китов и дельфинов – плавников вместо ног. Физиологические адаптации связаны с особенностями ферментативного набора в пищеварительном тракте. Так, потребность животных во влаге удовлетворяется в пустынях путем биохимического окисления жиров, а у растений биохимические процессы фотосинтеза позволяют создавать органическое вещество из неорганических соединений. Поведенческие адаптации проявляются, например, в способах обеспечения теплообмена у птиц путем сезонных перелетов, у животных – с помощью линьки; для обеспечения пищей хищники используют приемы затаивания (в засаде), а их жертвы – защитную окраску.

Устойчивость экосистем – это способность экосистем сохранять структуру и нормальное функционирование при изменениях экологических факторов. Рассмотренные выше адаптации организмов к изменениям факторов среды обитания в определенной степени обеспечивают устойчивость экосистем, в состав которых они входят, к изменению экологических факторов среды. Однако, как и всякая более сложная система, экосистема по сравнению с отдельными видами организмов имеет более высокую степень надежности функционирования в изменяющейся среде, так как на системном уровне формируются и развиваются новые, системные механизмы обеспечения устойчивости и живучести экосистем, которые отсутствовали у отдельных видов. Такие эволюционно выработанные механизмы приспособления экосистем к изменениям среды обитания называются адаптациями экосистем.

Рассмотрим адаптации экосистем, состоящие из адаптационных механизмов двух уровней: видовой уровень и интеграционный, или системный уровень. Видовой (низший) уровень соответствует ранее рассмотренным механизмам в подразделе «Адаптации организмов к изменению экологических факторов». Системный уровень образуют приспособительные механизмы, возникающие за счет видового взаимодействия по трофическим цепям и сетям. Природа этих интеграционных, системных механизмов обеспечения устойчивости экосистем основана на круговороте веществ, который осуществляется с помощью трофических цепей.

Существование биогеохимических круговоротов создает возможность для саморегуляции экосистем (или гомеостаза), что придает экосистеме устойчивость в течение длительных периодов. Например, показателем устойчивости глобальной экосистемы, связанной с круговоротом веществ, может служить следующий факт. Известно, что 93% массы тела человека составляют 4 химических элемента: кислород, углерод, водород и кальций, которые, во-первых, входят в перечень одиннадцати самых распространенных в геосферах Земли химических элементов, и, во-вторых, эти четыре элемента сами образуют более 56% массы геосфер.

Видовое разнообразие – также один из факторов устойчивости экосистем к неблагоприятным факторам среды. Разнообразие обеспечивает как бы подстраховку, дублирование устойчивости. Например, малочисленный вид при неблагоприятных условиях для другого широко представленного вида может резко увеличить свою численность и таким образом заполнить освободившееся пространство (экологическую нишу), сохранив экосистему как единое целое. Такая последовательная смена видов или замена одного биоценоза другим называется сукцессией (от лат. сукцедо – следую).

Чтобы лучше уяснить суть сукцессии в экосистеме, рассмотрим два примера:

1)         известно, что после лесного пожара сначала появляются лиственные породы, а затем через 70–100 лет их сменяют хвойные;

2)         в упавшем дереве сначала поселяются короеды, затем появляются пожиратели древесины, а бактерии и грибы завершают процедуру превращения упавшего дерева в гумус почвы.

Таким образом, увеличение степени разнообразия является основой того, что экосистемы с более длинными цепями питания формируют более интенсивный круговорот веществ и, следовательно, обладают повышенной устойчивостью благодаря возможностям саморегуляции (гомеостаза).

Гомеостаз. Природные экосистемы (например, лесные, степные) существуют в течение длительного времени и обладают определенной стабильностью, для поддержания которой необходима сбалансированность потоков вещества и энергии в процессах обмена между организмами и окружающей средой. Однако абсолютной стабильности в природе не бывает. Поэтому стабильность состояния природных экосистем является относительной, показателем которой может служить, например, периодически изменяющаяся численность популяций разных видов в экосистеме: численность одних видов увеличивается, других – уменьшается. Такое динамически равновесное состояние, или состояние подвижно-стабильного равновесия экосистем, называют гомеостазом (от греч. гомео – тот же; стазис – состояние).

Ключевой для понимания гомеостаза экосистем термин «подвижно-стабильное равновесие» означает, что устойчивое функционирование экосистем в изменяющихся условиях среды возможно именно вследствие того, что экосистема находится в квазиравновесном состоянии, принципиально отличающимся от понимания состояния равновесия в физике. Чтобы понять это различие, кратко рассмотрим составные части этого термина.

а) Стабильность означает, что природные экосистемы существуют в течение длительного времени и обладают определенной относительной стабильностью во времени и пространстве. Заметим, что особенностью искусственных (техногенных, созданных человеком) экосистем является то, что человек сам должен поддерживать равновесие в этих экосистемах, т.е. управлять процессами их функционирования, например, замена ила в региональных, муниципальных или производственных водоочистных сооружениях, в которых культивируются колонии бактерий, пожирающих, сорбирующих, разлагающих загрязняющие вещества в сточных водах.

б) Подвижность означает изменчивость свойств (например, численности популяций) и структуры экосистемы, т.е. совокупности видов. Последовательные изменения в состоянии равновесия в природных экосистемах отражаются в смене видов (например, в процессе сукцессии), сопровождающейся и изменениями в структуре и свойствах трофических цепей (сетей). Разнообразие видов формирует сукцессию, обеспечивая заполненность пространства жизнью и увеличивая степень замкнутости биогеохимического круговорота в экосистеме.

Следовательно, гомеостатичность – общее свойство всех экосистем, зависящее от эффективности комплекса адаптационных механизмов, действующих как на уровне отдельных видов, так и на уровне экосистемы в целом. Гомеостатичность зависит от возраста и видового разнообразия экосистем и поэтому сильно различается как у разных сообществ, так и в естественных и искусственных экосистемах.

Энергетика и продуктивность экосистем.

Понятие об энергетике экосистем. Трофические цепи и сети показывают схему движения органического вещества в экосистеме. Но вместе с веществом по цепям питания идет направленный поток энергии. Источником исходной энергии является Солнце, энергия которого необходима организмам для обеспечения жизнедеятельности. Любое количество органического вещества содержит некоторое количество биохимической энергии, которая извлекается путем разрушения химических связей в веществе при использовании его в качестве пищи, для чего также необходимо определенное количество энергии. Рассмотрение процессов в экосистемах в энергетическом аспекте позволяет более полно изучить процессы функционирования природных и социоприродных экосистем. В связи с этим комплексное научное направление в экологии, рассматривающее энергетические процессы в экосистемах, называют энергетикой экосистем.

Известно, что 1 грамм сухого вещества растения содержит (условно) 18,7 кДж биохимической энергии. Консументы, получая энергию в виде органического вещества пищи от продуцентов, используют ее на:

- построение своего собственного органического вещества (белки, жиры, углеводы);

- расщепление органического вещества пищи;

- дыхание, теплоотдачу, движения по поиску пищи и спасения от врагов и др.

Продуктивность экосистемы. Энергетический поток непосредственно привязан к потоку органического вещества – от его создания через трансформацию до разложения. Эффективность действия экосистемы оценивают величиной продуктивности. Продуктивность экосистемы – скорость накопления энергии в экосистеме в виде образованного органического вещества, оцениваемая величиной сухой биомассы (т, кг.) либо энергии (кДж, ккал), производимых в единицу времени (обычно за год) и на единицу площади (для наземных и донных биоценозов) или объема (для водных и почвенных биоценозов).

Продукция экосистемы – это количество образованного органического вещества (биомассы) в ней. Различают продукцию основную, или первичную, производимую продуцентами, и вторичную продукцию, которую производят консументы. Конкретные измерения показывают, что для получения 1 кг говядины (вторичная продукция) надо затратить около 80–90 кг свежей травы, биомасса листвы дубового леса (первичная продукция) составляет приблизительно 4–6 тонн с одного гектара лесных угодий, а древесины дуба – около 300–500 тонн с одного га. Оценки экологов показывают, что продукция биосферы Земли составляет 83 млрд. тонн в год сухой биомассы, из которой на долю суши и океана приходится соответственно 53 и 30 млрд. Около половины продукции суши дают леса при их общей площади, не превышающей 10% территории суши. Интересно, что культивируемые сельскохозяйственные земли (агроэкосистемы), площадь которых лишь 1% от территории суши, дают 5% от всей годовой продукции биосферы.

Принцип Линдемана. В 1942 г. на основе обобщения обширного эмпирического материала американский эколог Линдеман сформулировал принцип преобразования биохимической энергии в экосистемах, получивший в экологической литературе название закона 10%. Принцип Линдемана (или закон 10%): при переходе с трофического уровня экологической пирамиды на каждый последующий уровень в трофической цепи передается в среднем около 10% энергии без каких-либо неблагоприятных последствий для экосистемы. Здесь имеется в виду часть энергии, поступающей с пищей, которая используется организмом для построения органического вещества своего собственного тела.

Экологические пирамиды. Для наглядного представления о величине коэффициента передачи энергии с уровня на уровень в цепях питания экосистем используют экологические пирамиды нескольких видов. Экологическая пирамида – это графическое (или диаграммное) представление соотношения между объемами органического вещества или энергии на соседних уровнях в трофической цепи. Наибольшее распространение получили следующие виды экологических пирамид:

- пирамиды чисел Элтона;

- пирамиды биомасс;

- пирамиды энергии.

Пирамиды чисел Элтона представляются в виде среднего числа особей, требуемых для питания организмов, находящихся на последующих трофических уровнях. Например, для представления трофической цепи:

ЛИСТ ДУБА – ГУСЕНИЦА – СИНИЦА

пирамида чисел для одной синицы (третий уровень) изображает число гусениц (второй уровень), которых она поедает за определенное время, например, за один световой день. На первом уровне пирамиды изображается столько листьев дуба, сколько требуется для корма того количества гусениц, которые показаны на втором уровне пирамиды.

Пирамиды биомасс и энергии выражают соотношения количества биомассы или энергии на каждом трофическом уровне. Пирамида биомасс основана на отображении результатов взвешивания сухой массы органического вещества на каждом уровне, а пирамида энергии – на расчетах биохимической энергии, передаваемой с нижележащего на вышележащий уровень. Эти уровни на графике пирамиды биомасс (или энергии) изображают в виде прямоугольников равной высоты, ширина которых пропорциональна величине биомассы, передаваемой на каждый последующий (вышележащий) уровень исследуемой трофической цепи. Каждый может попробовать построить пирамиду биомасс по данным, заимствованным из известной книги Ф. Рамада «Прикладная экология» и относящейся к некоторой 4-уровневой трофической цепи:

ТРАВА (809) – ТРАВОЯДНЫЕ (37) – ПЛОТОЯДНЫЕ-1 (11) – ПЛОТОЯДНЫЕ-2 (1,5),

где в круглых скобках указаны величины сухой биомассы (г/кв. м).

Заметим, что экологические пирамиды являются наглядной иллюстрацией принципа Линдемана и с их помощью отражается существенная особенность энергетических процессов в экосистемах, а именно: из-за сравнительно малой доли энергии (в среднем приблизительно десятая часть), передаваемой на последующий уровень, очень мало энергии остается в экосистеме, а остальная возвращается в геосферу. Так, при 4-уровневой трофической цепи только десятитысячная доля биохимической энергии остается в экосистеме. Ничтожно малая доля энергии, остающейся в экосистеме, объясняет, почему в реальных природных экосистемах трофические цепи имеют не более 5–6 уровней.

Нарушение круговоротов вещества в социоприродных экосистемах.

Для анализа антропогенных воздействий на состояние биосферы было введено понятие социоприродной экосистемы, существенной особенностью которой является включение в ее состав социальной компоненты, т.е. человеческого общества, которое в современной истории стало геологической преобразующей силой. Чтобы наиболее четко выявить специфику воздействий на природу, оказываемых человеческим обществом на различных этапах исторического развития, экологами был проведен сравнительный анализ воздействий антропогенных экологических факторов на природную среду путем рассмотрения круговорота веществ в различных видах глобальных экосистем. В частности, для проведения такого анализа французский эколог Франсуа Рамад условно выделяет три вида экосистем, относящихся к исторически и технологически различным этапам развития человеческого общества:

1) экосистема первобытного общества;

2) экосистема аграрной цивилизации;

3) экосистема современной промышленной цивилизации.

Вводя в схемы круговорота еще одно звено трофической цепи – человека как суперхищника, потребляющего в пищу органическое вещество продуцентов и консументов 1-го и 2-го порядков, Ф. Рамад выявляет основные закономерности осуществления круговоротов вещества в трех указанных видах экосистем и оценивает энергетические потребности человека в каждой. Прежде чем сформулировать эти закономерности, дадим краткую характеристику взаимоотношений социальной и природной составных частей этих трех экосистем.

На первобытном этапе человек занимался собирательством и охотой, его деятельность не оказывала существенных воздействий на другие компоненты системы, т.е. антропогенная нагрузка на природную среду была незначительной. Энергетические потребности человека ограничивались удовлетворением его естественных потребностей как биологического вида и могут быть оценены известной величиной 4000 ккал в сутки (на одного человека или, иначе, на душу населения). Все отходы жизнедеятельности организмов, как и самого человека, представляли собой органические остатки, перерабатываемые в экосистеме редуцентами в минеральные вещества. Следовательно, все отходы в экосистеме первобытного общества были биологически разрушаемыми и усваивались в экосистеме, т.е. круговорот веществ в ней был замкнутым.

Возросшая численность человеческой популяции потребовала поиска новых способов обеспечения членов человеческого общества пищей, необходимой на душу населения в условиях ограничения площади ее сбора. Произошел переход от охоты и собирательства злаков к выращиванию домашнего скота и земледелию, т.е. к аграрному производству пищи. Появляется новый тип социоприродной системы, в которой уже заметны антропогенная нагрузка и результаты воздействия на состояние природной среды: возникают большие города, дороги, каналы и т.п. Появляются обезлесенные территории, опустыненные земли. Сегодня в безжизненных пустынях археологи находят следы некогда процветавших, а затем неосознанно разрушенных социоприродных экосистем. По оценкам экологов, в аграрной экосистеме энергетические потребности человека удвоились за счет затрат на обеспечение жильем, содержание скота, тягловых затрат в земледелии. Однако отходы жизнедеятельности людей остались качественно такими же, что и на предыдущем этапе, т.е. биологически разрушаемыми и усваиваемыми в экосистеме.

Дальнейший рост численности народонаселения на планете заставил общество приблизительно двести лет назад перейти от чисто аграрных технологий обеспечения себя пищей к промышленному производству продуктов питания, что привело к кардинальным изменениям во взаимоотношениях общества с природой, к колоссальным изменениям в культуре и образе жизни человека. C середины ХХ века в мире разворачивается научно-техническая революция, с использованием достижений науки создаётся новое поколение техники, обеспечивающей интенсификацию физической и умственной деятельности людей, возникают новые виды энергетики (например, атомная). В результате возможности общества воздействовать на природу небывало возросли. Человечество продолжает наращивать темпы потребления, истощая природные ресурсы. Промышленное производство всё в большей степени противоречит естественному круговороту веществ в природе, нарушает его, выбрасывая в окружающую природную среду отходы жизнедеятельности в форме, неусваиваемой в экосистеме (свалки, отвалы горных пород, лом металлов, использованные пластмассовые изделия и др.), что загрязняет природу. Энергетические потребности человека в экосистеме промышленной цивилизации уже существенно возрастают и оцениваются величиной 50–200 тыс. ккал в сутки, т.е. возникшие на данном этапе развития общества дополнительные энергетические потребности человека во много раз превышают его естественные потребности в пище.

Существенные особенности трех видов социоприродных экосистем можно представить следующим образом (по Ф. Рамаду):

Техногенные факторы деградации биосферы.

Как видно из вышеизложенного, антропогенные нарушения эволюционно сформировавшихся биогеохимических циклов, проявляющиеся в выведении из экосистем значительных объемов вещества («размыкание» круговоротов), приводят к накоплению в биосфере больших объемов биологически неразрушаемых и неусваиваемых природными экосистемами отходов (сточные воды, выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, накопление твердых отходов в литосфере).

Отходы – непригодные для производства данной продукции виды сырья, его неупотребимые остатки или возникающие в технологических процессах вещества (твердые, жидкие и газообразные) и энергия, не пригодные к утилизации в условиях данного производства. Отходы в ряде производств составляют до 98% сырья. Отходы иногда определяют как природные ресурсы, оказавшиеся в ненадлежащем месте и в ненадлежащее время. Поэтому они являются основной причиной загрязнения всех геосфер Земли: газообразные отходы загрязняют атмосферу, жидкие – гидросферу, а твердые – литосферу.

Объем загрязнения среды тем выше, чем больше плотность населения. Однако рост объемов загрязнения окружающей среды в развитых странах определяется не столько плотностью населения, численность которого здесь в последние десятилетия стабилизировалась, сколько последствиями научно-технического прогресса. Например, известно, что в США с 1945 г. за два десятилетия население увеличилось на 42%, национальный доход на душу населения возрос на 126%, а загрязнение среды выросло в 10 раз (а по некоторым оценкам даже в 20 раз). При этом в США ежегодно выбрасывается 125 млн. т твердых отходов промышленного производства (48 млрд. пустых консервных банок, 26 млн. бутылок и бочек, 65 млрд. металлических и пластиковых упаковок и т.п.). Ежегодные затраты на сбор отходов и их ликвидацию только в США по данным 1965 г. составили 3 млрд. долларов. В общем, развитые страны затрачивают на программы ликвидации всевозможных отходов до 2– 2,5% национального дохода.

Сравнительный анализ круговоротов вещества в рассмотренных выше трех видах экосистем позволяет выявить некоторые из сформировавшихся в последние десятилетия глобальных проблем: загрязнение окружающей среды, накопление отходов, энергетическая проблема (в результате беспрецедентного роста удельных энергозатрат и истощения энергетических ресурсов). Радиационное и химическое загрязнение среды оказывают в последние десятилетия существенное воздействие на здоровье людей, что также стало одной из глобальных проблем цивилизации.

Загрязнение водоемов сточными водами предприятий и демографический взрыв привели к истощению водных ресурсов и создали проблему чистой питьевой воды во многих странах мира. Негативные воздействия промышленности на состояние атмосферы привели к наметившимся глобальным климатическим изменениям, которые связываются, в первую очередь, с парниковым эффектом, а загрязнение атмосферы химическими веществами привели к появлению других глобальных проблем окружающей среды, вызванных кислотными дождями и разрушением озонового слоя Земли.

Причины глобализации перечисленных проблем экологи усматривают в существенном превышении допустимого уровня антропогенных воздействий на биосферу. Необходимо отметить следующую особенность принципа Линдемана, согласно которому 10% первичной продукции продуцентов передается на следующий уровень, т.е. консументам 1 порядка (низшим консументам – преимущественно беспозвоночным), которые соответственно передают 10% на уровень консументов 2 порядка, т.е. высшим консументам – позвоночным. Следовательно, высшие консументы в природной экосистеме получают только 1% первичной продукции (продуцентов).

Перенося на социоприродную экосистему сформулированную здесь закономерность, заключающуюся в передаче 1% первичной продукции биосферы на уровень высших консументов, которых в глобальной социоприродной экосистеме представляет человечество, получим естественную долю продукции биосферы, которую общество может взять у природы, не нарушая условий функционирования глобальной экосистемы. Можно показать, что в экосистеме аграрной цивилизации, рассмотренной нами в обобщенном виде в предыдущем разделе 3.1, однопроцентный уровень изъятия человеком продукции биосферы не был превышен.

Однако, как показывают некоторые оценки российских и зарубежных экологов, в последние десятилетия этот однопроцентный уровень превышен уже приблизительно в 10 раз, что и привело к нарушению равновесия в системе Биосфера – Человек. Показателем этого может служить тот факт, что площадь эксплуатируемых территорий составляет около 10% территории суши. Только доля сельскохозяйственных земель превышает 5% от площади суши. Нарушения в круговороте веществ в экосистемах низшего уровня (биогеоценозах) неизбежно проявляются в потери устойчивости глобальной экосистемы, т е биосферы в целом, что и может служить причиной глобализации экологических проблем современности.

Имеется ли выход из этого глобального кризиса цивилизации? Некоторые ученые видят его в существенном снижении уровня антропогенного воздействия на природную среду, в частности, в десятикратном сокращении эксплуатируемых территорий, доведении полностью нарушенной природной среды до 1% от площади суши. Даже трудно представить, какие экономические, социальные, культурные, психологические и другие последствия ожидает человечество в переходе на такой «щадящий» уровень эксплуатации природы человеком. Во всяком случае, новая стратегия взаимоотношений общества и природы, которая сейчас формируется в умах интеллектуальной элиты мирового сообщества, включает не только стабилизацию численности народонаселения планеты (на значительно сокращенном уровне), но и существенное уменьшение человеческих потребностей до уровня минимально необходимых.

Как видно из изложенного, основными факторами воздействия современного общества на природную среду являются техногенные факторы, вызванные промышленным производством. И большинство из перечисленных выше глобальных проблем современной цивилизации так или иначе связано с загрязнением окружающей среды.

Загрязнение окружающей среды.

Основные понятия. Понятие «загрязнение окружающей среды» довольно широкое. С точки зрения экологии это понятие чаще всего рассматривается в двух аспектах:

1) как процесс (действие) – поступление в окружающую среду или возникновение в ней под действием различных факторов вредных для человека и природной среды агентов различной природы;

2) как загрязняющий окружающую среду агент (например, химическое вещество).

В рамках изучаемой дисциплины под загрязнением окружающей среды будем понимать привнесение в нее новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов (загрязнителей) либо превышение в ней естественного многолетнего уровня этих агентов. Различают биологическое, физическое (в том числе радиационное, световое, электромагнитное, шумовое и др.) либо химическое загрязнение. Загрязнители окружающей среды – это несвойственные (новые) для среды физические, химические и биологические агенты либо характерные для нее агенты, но находящиеся в объемах, превышающих естественно сложившийся многолетний (фоновый) уровень их присутствия.

Классификация видов загрязнения. Рассматривают обычно два различных по происхождению вида загрязнения:

-              естественное загрязнение, возникающее в результате действий природных явлений без участия людей;

- антропогенное загрязнение, связанное с человеческой деятельностью, главной составной частью которого является техногенное загрязнение, обусловленное деятельностью промышленных производств.

По природе загрязнителей различают следующие виды загрязнения:

1) биологическое – либо привнесение в окружающую среду и размножение в ней нежелательных для человека организмов, либо проникновение (естественное или антропогенное) в экосистему организмов, чуждых сообществам экосистемы и обычно там отсутствующих;

2) физическое (радиационное, тепловое, световое, электромагнитное, шумовое и др.);

3) химическое (загрязнение биосферы химическими веществами).

По способу образования различают загрязнение первичное и вторичное. Первичное загрязнение – поступление в среду загрязнителей, образующихся непосредственно в ходе естественных или антропогенных процессов в биосфере. Вторичное загрязнение – образование (синтез) вредных и опасных для окружающей среды и человека загрязнителей в ходе физико-химических процессов в окружающей среде, при этом все или некоторые реагенты могут быть сами по себе неопасными. Например, вторичным загрязнением является образование при некоторых условиях ядовитых химических веществ в атмосфере, называемое смогом.

По пространственному признаку различают глобальное (обнаруживаемое в любой точке планеты как угодно далеко от его источника), региональное (обнаруживаемое в пределах значительных территорий, но не охватывающее всей планеты) и локальное (наблюдаемое на небольшой территории, ограниченной пределами населенного пункта, предприятия и т.п.) загрязнения.

По видам компонентов окружающей среды рассматривают, во-первых, загрязнения атмосферы, гидросферы или литосферы (на глобальном уровне) и загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и подземных водоемов и почвы (на локальном уровне). Считается, что из загрязняющих агентов, регулярно попадающих в организм человека, около 70% поступает с пищей, 20% – из воздуха и 10% – с водой.

Классификация и источники загрязнения.

Основные определения. Химическое загрязнение – поступление в окружающую среду загрязнителей в виде химических веществ, образующихся непосредственно в ходе естественных, природно-антропогенных и антропогенных процессов (первичное загрязнение), либо образование (синтез) вредных и опасных загрязнителей в ходе физико-химических процессов в среде (вторичное загрязнение). Необходимо отметить, что в развитых странах благодаря принятым в последние два–три десятилетия мерам по сокращению техногенных воздействий химическое загрязнение отошло на второй план, уступив первое место радиационному загрязнению. В нашей стране опасность химического загрязнения окружающей среды по-прежнему находится на первом месте среди других видов загрязнения

Химикам известно 4–5 млн. химических соединений, число которых ежегодно возрастает приблизительно на 10%. По данным ВОЗ, человек в быту или производственной деятельности контактирует с 60–70 тыс. химических соединений, число которых ежегодно увеличивается на 200–1000 новых веществ. Если только 1% химических соединений, с которыми человек вынужден контактировать, могут оказывать вредное действие на его здоровье, то и тогда их число чрезвычайно велико (до десятка тысяч и более).

Объемы производимых промышленным способом химических веществ огромны. По данным ВОЗ, в мире более 50 химических соединений производятся промышленностью в объемах более 1 млн. т Например, моющих средств в бывшем СССР производилось более 1 млн. т, а минеральных удобрений – несколько десятков млн. т.

Классификация загрязнителей. Химические загрязняющие вещества могут быть свойственны живым организмам, если они в определенных концентрациях находятся в теле животного, выполняя важные функции регулирования процессов метаболизма, пищеварения и др., либо чужеродными для него, называемыми ксенобиотиками (от греч. ксенос – чужой и биос – жизнь), которые попадают в организм различными путями: воздушным, через пищу или питьевую воду. Например, свойственными для человеческого организма являются так называемые микроэлементы, необходимые для нормального, сбалансированного питания, к числу которых относятся железо, марганец, цинк и др.

По геосферам Земли (на глобальном уровне) выделяют химическое загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы. По компонентам окружающей среды и объектам загрязнения, рассматриваемым на локальном уровне, различают следующие виды химического загрязнения:

1) атмосферного воздуха (например, населенных пунктов, рабочей зоны);

2) жилых и производственных помещений;

3) поверхностных и подземных вод (водоемов);

4) почвы;

5) продуктов питания и др.

Источники химического загрязнения среды. Источники техногенного химического загрязнения можно условно разделить на четыре большие группы:

1)            технические установки и устройства для выброса в окружающую среду газообразных, жидких и твердых производственных отходов;

2)            хозяйственные объекты, производящие загрязняющие вещества или накапливающие и хранящие отходы (полигоны отходов);

3)            регион, из которого поступают загрязняющие вещества (при трансграничном переносе);

4)            планетарное загрязнение, загрязненные атмосферные осадки, бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды.

По источникам поступления в окружающую среду выделяют следующие группы химических веществ: промышленные, энергетические, транспортные (например, от автомобилей), сельскохозяйственные, бытовые и другие.

Загрязнение атмосферного воздуха.

Общая характеристика. Загрязнение атмосферного воздуха непосредственно влияет на здоровье человека, а загрязнение атмосферы (на глобальном уровне) – лишь косвенно через климатические изменения, разрушение озонового экрана биосферы, кислотные дожди и др. Наиболее распространенные группы загрязнителей воздуха: атмосферные газы (окислы азота, серы, углерода, например, углекислый газ), углеводороды, фенолы, аэрозоли тяжелых металлов и другие органические и минеральные соединения. Аэрозоли – взвешенные в газообразной среде частички твердых или жидких веществ как органического, так и неорганического происхождения. Аэрозоли могут содержать сложные комплексы химических веществ, в том числе обладающих высокой степенью токсичности и представляющих опасность для здоровья человека и жизнестойкости растений.

Очень большую группу загрязнителей образуют углеводороды, в составе которых наиболее опасны для человека и животных хлор-, фтор-, азот-, фосфорсодержащие соединения, большинство из которых являются ядовитыми веществами и обладают канцерогенным действием, т.е. могут вызывать онкологические заболевания. В эту группу входят и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), среди которых наиболее опасны бензапирен и фенантрен, также вызывающие онкологические заболевания.

Источники загрязнения воздуха. Наиболее значительный источник загрязнения воздуха – автотранспорт, поставляющий в атмосферу свинец, окись углерода и упоминаемые выше ПАУ. Принято считать, что в большинстве стран мира более половины загрязнения воздуха связано с работой автотранспорта. В среднем по территории России выхлопные газы автотранспортных средств определяют 40–45% загрязнения воздуха, но в городах они дают больше 50% загрязнения воздуха, причем в крупных городах(от 0,5 млн. до 1–1,5 млн. жителей) на их долю приходится 55–70%, а в очень крупных (несколько млн. жителей) городах – более 85% от общего объема загрязнения атмосферного воздуха. В России по транспортным выбросам лидируют Москва и Петербург, объемы которых в атмосферу соответственно достигают 800 и 250 тыс. т в год.

Значительную долю загрязнения воздуха составляют также выбросы тепловых электростанций, содержащие окислы серы и азота, золу, тяжелые металлы, ПАУ, связанные со сжиганием топлива. Причем первенство здесь принадлежит электростанциям, работающим на угле, меньше всего выбросов дают станции, использующие природный газ.

Предприятия химической промышленности выбрасывают в атмосферу углеводороды, фенолы, органические фториды и хлориды, карбоновые кислоты, альдегиды, органические соединения серы, хлора, фтора, азота, двуокись серы, сероводород, окислы азота, соляную кислоту, другие кислоты, соединения фтора, тяжелые металлы, карбиды и др. Металлургические предприятия выбрасывают в воздух пыль в больших объемах, окислы серы, углерода и азота, фтористые газы и металлы. О составе этой пыли можно судить по тому факту, что из тонны пыли, выделяемой при плавке меди, можно извлечь около 100 кг меди и немного меньше цинка и свинца, известных своей токсичностью. Выбросы нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий содержат углеводороды, сероводород, дурнопахнущие газы (стирол, ацетон, толуол и др.), а при сжигании попутных газов в факельных установках – в больших объемах сажу, окись углерода, диоксид азота, углеводороды.

Воздействие загрязнений воздуха на природную среду. Перечисленные выше химические вещества, присутствующие в атмосферном воздухе, оказывают воздействие не только на здоровье людей, которое будет рассматриваться в следующем разделе, но и на состояние природной среды. Это воздействие в природных экосистемах многообразно и еще недостаточно изучено. Некоторые из атмосферных газов (например, окислы углерода) в небольших концентрациях могут оказывать благотворное действие на рост и развитие растений. Но большинство из загрязнителей, особенно в значительных концентрациях, могут угнетать деятельность биоты. Вредное действие на растения оказывает диоксид серы. Поступая внутрь листа при дыхании он угнетает жизнедеятельность клеток, листья сначала покрываются бурыми пятнами, а потом высыхают. Аналогичное воздействие на лиственные породы деревьев оказывает и диоксид азота. Сажа, считающаяся не очень вредным для здоровья человека загрязнителем воздуха, забивая дыхательные устьица хвоинок, приводит к гибели хвойные деревья. С выбросами сажи при сжигании газа в факелах, разбросанных на бескрайних просторах Сибири, экологи связывают усыхание лесов на некоторых территориях нефтедобычи.

Загрязнение водоемов.

Общая характеристика. Несмотря на неуклонный рост потребления воды из-за быстрого увеличения численности народонаселения, главной проблемой стала не нехватка питьевой воды в большинстве стран мира, а прогрессирующее загрязнение рек, озер и подземных вод. Значительный рост промышленности привел к резкому увеличению объемов технических отходов, сбрасываемых в виде неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод в водоемы. В настоящее время загрязнение воды в бассейнах крупных рек практически на всей территории России достигло критических показателей. Так, крупнейшая река Обь с притоками транспортирует ежегодно более 500 млн. кубометров сточных вод. Еще более загрязнена главная водная артерия европейской части России – Волга. Некоторые реки практически превращены в сточные канавы. Выносами рек загрязнены прибрежные воды морей.

По данным Всемирной организации здравоохранения, в речных водах содержатся тысячи органических веществ. Однако отечественные службы контроля качества воды имеют возможность контролировать не более трех–пяти десятков веществ, загрязняющих водоемы. В то же время номенклатура загрязняющих веществ, обнаруженных в воде реки Томь, одной из самых грязных рек России, превышает 300 наименований, среди которых имеются высокотоксичные, в том числе канцерогенные вещества, а в крупнейшем озере Европы – Ладоге выявлено более пяти сотен загрязняющих веществ.

Источники загрязнения водоемов. Основными источниками загрязнения водоемов являются:

1) атмосферные осадки, содержащие загрязняющие вещества промышленного происхождения, которые вымываются из атмосферы;

2) городские сточные воды (бытовые, канализационные стоки, содержащие вредные для здоровья синтетические моющие средства и др.);

3) промышленные сточные воды;

4) сельскохозяйственные сточные воды (отходы животноводческих комплексов, смыв с полей удобрений и пестицидов дождями и весенними талыми водами и др.).

Наиболее значимую долю загрязнения водоемов составляют промышленные сточные воды, половина объема которых (по данным отечественных природоохранных служб) сбрасывается в водоемы без очистки, а большая часть второй половины – в недостаточно очищенном виде. Поэтому почти все реки загрязнены нефтепродуктами, тяжелыми металлами, органическими и минеральными соединениями. Сельскохозяйственные сточные воды несут в реки и озера огромное количество удобрений и пестицидов. Сброс сточных вод в водоемы сопровождается накоплением загрязняющих веществ в донных осадках в больших концентрациях, что может приводить к резкому повышения уровня загрязнения в паводковых водах и к вторичному загрязнению, связанному с образованием новых (часто более вредных, чем исходные) химических соединений.

В каждой стране имеется своя специфика в номенклатуре загрязняющих водные системы веществ. Так, в Японии со сточными водами в водоемы в большом количестве попадают соединения ртути, меди, цинка, хлора, пестициды. В Финляндии почти 90% загрязняющих веществ поступает в водоемы со сточными водами от предприятий лесохимической промышленности и предприятий по производству удобрений. В США реки и прибрежные воды морей и океанов загрязнены нефтепродуктами и тяжелыми металлами; сильно загрязнена также система Великих озер.

Воздействие загрязнения водоемов на природные экосистемы. Очень опасны как для человека, так и биоты природных экосистем поступающие с бытовыми стоками синтетические моющие средства, которые благодаря вспениванию препятствуют поступлению кислорода в воду. Экологически опасны не только токсичные вещества, содержащиеся в сточных водах. Мелкодисперсные волокна, выбрасываемые предприятиями по производству строительных и других материалов, способны забивать дыхательные системы водных организмов и вызывать их гибель. Большую опасность для экосистем водоемов со стоячей водой представляет накопление в них органики, поступающей с сельскохозяйственными (и особенно животноводческими) стоками, содержащими биогенные элементы, в том числе азот и фосфор. В результате в водоеме развивается процесс эвтрофикации, т.е. повышения биологической продуктивности водных объектов вследствие накопления биогенных элементов, сопровождающейся так называемым цветением воды из-за массового размножения фитопланктона, сине-зеленых водорослей и высших водных растений. В результате вода становится непригодной для жизни.

Загрязнение почвы.

Общая характеристика. Принято различать естественное и антропогенное загрязнение почвы. Естественное загрязнение почв возникает в результате природных процессов в биосфере, происходящих без участия человека и приводящих к поступлению в почву химических веществ из атмосферы, литосферы или гидросферы, например, в результате выветривания горных пород или выпадения осадков в виде дождя или снега, вымывающих загрязняющие ингредиенты из атмосферы.

Наиболее опасно для природных экосистем и человека антропогенное загрязнение почвы, особенно техногенного происхождения. Наиболее характерными загрязнителями являются пестициды, удобрения, тяжелые металлы и другие вещества промышленного происхождения.

Источники поступления загрязнителей в почву. Можно выделить следующие основные виды источников загрязнения почвы:

1) атмосферные осадки в виде дождя, снега и др.;

2) сброс твердых и жидких отходов промышленного и бытового происхождения;

3) использование пестицидов и удобрений в сельскохозяйственном производстве.

Рссмотрим более подробно перечисленные виды источников почвенного загрязнения. Атмосферные осадки, вымывая из атмосферы газообразные загрязняющие вещества, приводят к росту концентрации серной, азотной и других кислот в почве, что сопровождается ее закислением и снижением урожайности. Поступающие в почву с осадками атмосферные аэрозоли в жидкой и твердой фазах, имеющие, как правило, сложный химический состав, способствуют накоплению в почве тяжелых металлов и разнообразных органических веществ, включая опасные углеводороды. Промышленные и бытовые отходы, объемы которых огромны и растут быстрыми темпами, способствуют накоплению в почве тяжелых металлов, углеводородов, включая опасные токсические хлор-, фтор-, фосфорсодержащие соединения, обладающие канцерогенным действием. Наибольшую опасность как для человека, так и для природных экосистем представляет третий вид почвенного загрязнения, связанный с применением пестицидов и удобрений, вызывающих химическое загрязнение продуктов питания, с которыми, как было отмечено выше, наш организм получает до 70% загрязняющих веществ.

Загрязнение почвы пестицидами и удобрениями. Необходимость обеспечения населения продуктами питания, а промышленности – сырьевыми ресурсами требует повышать плодородие почвы и вести борьбу с вредителями урожая. Поэтому в современном сельскохозяйственном производстве применяются удобрения и пестициды, которые даже при агрономически правильном их использовании могут создавать опасные уровни загрязнения почвы.

Удобрение – вещество или агент, создающее при внесении в почву или водоем условия для ускоренного роста и развития растений и микроорганизмов, способствующее увеличению урожая. Различают органические, минеральные, химические и другие (например, бактериальные) виды удобрений. К органическим удобрениям относятся перегной, торф, навоз, птичий помет и другие органические остатки, используемые для повышения плодородия почвы. Химическое, или минеральное, удобрение – добытое из недр или полученное промышленным путем химическое соединение, содержащее в большом количестве один или несколько основных элементов питания растений (азот, фосфор, калий и др.), необходимые микроэлементы (медь, марганец и др.) или естественные продукты типа извести, гипса, золы и т.п., способные улучшить химические и структурные характеристики почвы. Этот вид удобрений приводит к большим концентрациям в почве химических веществ, включая опасные для здоровья человека нитриты и нитраты.

Пестициды – опасные для здоровья человека химические вещества, используемые для уничтожения вредных насекомых (инсектициды), растений-сорняков (гербициды), грибковых культур (фунгициды) и др. В мировом производстве пестицидов инсектициды занимают 45%, гербициды – 40%, фунгициды – 15% и прочие – 10%. Средняя норма применения пестицидов в сельском хозяйстве в нашей стране к концу 80-х годов составляла 2 кг на 1 га пашни, т.е. около 1,4 кг/чел. Многие пестициды сохраняются в почве длительное время и накапливаются по трофическим цепям, что со временем приводит к превышению безопасных для здоровья человека уровней.

Радиационное загрязнение.

Общая характеристика. Радиационное загрязнение – наиболее опасный вид физического загрязнения окружающей среды, связанный с воздействием на человека и другие виды организмов радиационного излучения. В развитых странах в настоящее время радиационное загрязнение окружающей среды представляет наибольшую опасность вследствие того, что один из основных источников этого вида загрязнения – ядерная энергетика в последнее время развивается наиболее быстрыми темпами. По оценкам экспертов, этот вид загрязнения среды в нашей стране и в других государствах СНГ находится на втором месте после химического загрязнения.

К радиационному загрязнению относятся:

1)            собственно радиационное загрязнение, под которым понимается физическое загрязнение среды, связанное с действием альфа- и бета-частиц и гамма-излучений, возникающих в результате распада радиоактивных веществ,

2)            загрязнение окружающей среды радиоактивными веществами, т.е. по существу химическое загрязнение среды, связанное с превышением естественного уровня содержания (природного фона) радиоактивных веществ в окружающей среде.

Второй вид загрязнения среды проявляется в результате действия излучений, сопровождающих радиоактивный распад. Поэтому и контроль содержания радиоактивных веществ, и оценка их действия на живые организмы производится путем регистрации излучений. В связи с этим принято объединять эти два вида загрязнения и рассматривать их в качестве радиационного загрязнения окружающей среды.

Риск радиационной опасности. Результаты сравнительной оценки индивидуального среднего риска фатального исхода в год по данным, относящимся ко всему населению США, показывают, что индивидуальный риск погибнуть в результате катастрофы, связанной с аварией ядерного реактора, крайне мала по сравнению с другими факторами техногенного риска. Приведем также данные для США:

автомобильный транспорт – 3х10–4,

воздушный транспорт – 9х10–6,

железнодорожный транспорт – 4х10–6,

молния – 5х10–7,

ядерная энергетика – 2х10–10.

Здесь средний риск – количественная оценка степени опасности гибели человека – определяется как отношение числа неблагоприятных последствий (т.е. смертельных исходов) к их возможному числу за определенный интервал времени. Оценки риска для ядерной энергетики проведены с расчетом на 100 американских ядерных реакторов. Сравнивая приведенные выше количественные оценки риска, можно сделать вывод, что ядерная энергетика (по данным США) создает риск опасности для жизни человека в миллион раз меньший, чем риск погибнуть в дорожно-транспортных происшествиях, и в 10 тысяч раз меньший, чем погибнуть в железнодорожных авариях. Принципы конструирования и строительства ядерных реакторов примерно одинаковы во всех странах, развивающих атомную энергетику, и уровень надежности и безопасности реакторов считается достаточным, чтобы риск для населения был минимален.

Однако риск радиационной опасности не определяется только безопасностью ядерных реакторов, он зависит от степени радиационного загрязнения территорий, связанных с производством и испытанием ядерного оружия, с работой предприятий, занимающихся добычей, обогащением и переработкой ядерных материалов и т.п. Более того, риск радиационной опасности оценивается не только вероятностью фатальных исходов, но и вероятностью получения дозы облучения и последующих разнообразных заболеваний. В настоящее время в литературе оценки риска указанных факторов радиационной опасности не рассматриваются. Ясно, что в целом риск радиационной опасности значительно (и возможно, во много раз) больше, чем оцененный выше только по вероятности аварий в ядерной энергетике. Поэтому неудивительно, что интуитивно воспринимаемая обществом радиационная опасность сравнима с опасностью химического загрязнения среды.

Источники радиационного загрязнения. Факторы радиационной опасности разделяются по происхождению на естественные и антропогенные. К естественным факторам относятся ископаемые руды, излучение при распаде радиоактивных элементов в толще земли и др. Антропогенные факторы радиационной опасности связаны с добычей, переработкой и использованием радиоактивных веществ, производством и использованием атомной энергии, разработкой и испытанием ядерного оружия и т.п. Наибольшую опасность для здоровья человека представляют антропогенные факторы радиационной опасности, связанные со следующими видами и отраслями человеческой деятельности:

- атомная промышленность;

- ядерные взрывы;

- ядерная энергетика;

- медицина и наука.

Они имеет свои основные источники загрязнения среды как радиоактивными элементами, так и радиационными излучениями. Кроме того, атомная промышленность и ядерная энергетика являются основными источниками радиоактивных отходов (РАО), исключительно опасных для всего живого на планете, что создало сравнительно новую проблему человечества – проблему захоронения, утилизации, складирования РАО, решение которой до сих пор не существует. Другая новая проблема вызвана реализацией достигнутых между ядерными державами соглашений по ядерному разоружению – это проблема ликвидации ядерного оружия, связанная в основном с демонтированием и безопасной транспортировкой, складированием и хранением большого количества ядерных боеголовок (до нескольких десятков тысяч с двух сторон – с российской и американской). Обе проблемы требуют колоссальных экономических затрат, сравнимых с национальным доходом развитых стран. В ближайшее время к этим двум добавится и третья проблема, вызванная окончанием срока эксплуатации десятков ядерных реакторов атомных электростанций (АЭС) и атомного подводного флота.

Ниже приведены данные о величине периода полураспада некоторых радиоактивных элементов (радионуклидов), имеющих важное значение с точки зрения экологии:

Наиболее опасны стронций и цезий, которые трудно выводятся из организма. Обладая периодом полураспада, приблизительно равным средней продолжительности жизни человека, они создают опасность онкологических заболеваний и генетических нарушений.

Атомная промышленность. Атомная промышленность занимается добычей, переработкой и обогащением радиоактивного сырья, используемого далее либо как топливо в ядерной энергетике, либо для создания систем ядерного оружия (ядерные боеголовки). Следовательно, предприятия атомной промышленности имеют дело непосредственно с радиоактивными веществами, часть которых неизбежно попадает в окружающую человека среду в виде отходов либо рассеивается в почве, атмосфере, водоемах.

Известно, что в России насчитывается около 800 ядерных объектов. С 1938 по 1993 гг. в мире было добыто около 1,7–1,8 млн. т природного урана. Сейчас суммарные запасы его оцениваются в 104–125 тыс. т в западных странах и 100 – 200 тыс. т в бывшем СССР. По экспертным оценкам, в мире произведено около 1100 т плутония (в том числе, 250–400 т оружейного плутония), из которых от 7 до 10 т распылено в окружающей среде. Учитывая очень большой период полураспада этого элемента, очевидно, что его вредное воздействие на биосферу и здоровье человека будет ощущаться многие сотни и даже тысячи лет. Отметим, что для человека смертельно опасны при попадании внутрь всего 2 мкг плутония. Согласно подсчетам известного ученого-ядерщика академика А.Д. Сахарова, которого называют «отцом советской водородной бомбы», рассеянные в биосфере 7–10 т плутония ответственны за гибель от рака и лейкемии более 5 млн. жителей планеты.

Ядерные взрывы. По официальным данным, к началу 1993 года на существующих в мире пяти ядерных полигонах – Невада (США, Великобритания), Новая земля (СССР, ныне Россия), Семипалатинск (Казахстан), Муруроа (Франция), Лобнор (Китай) было произведено более 2000 ядерных взрывов:

Как известно, наибольший ущерб биосфере и человечеству был нанесен испытаниями ядерного оружия в атмосфере, которые продолжались до 1980 г. (Китай), хотя ведущие ядерные державы завершили их в 1962 (СССР) и 1963 (США) годах. Особенно сильно способствовал радиоактивному загрязнению Азиатского материка мощнейший (до 3 мегатонн) воздушный ядерный взрыв в Китае, последствия которого на территориях Средней и Центральной Азии, Сибири и Дальнего Востока прослеживаются до сих пор.

Испытания ядерного оружия привели к распространению радиоактивных продуктов по всему земному шару. Продукты эти с осадками попадают из атмосферы в почву, грунтовые воды и, следовательно, в пищу человека и живых существ. Согласно некоторым оценкам, на долю наземных ядерных взрывов приходится более половины (до 5 т) рассеянного в настоящее время в биосфере плутония.

Как видно из вышеприведенной таблицы, большая часть взрывов военного назначения относится к подземным испытаниям, которые также вносили свою, хотя и меньшую, долю выбросов радиоактивных веществ в окружающую среду. Наряду с такими подземными ядерными взрывами (ПЯВ) в мире с конца 50-х годов проводились подземные ядерные взрывы в мирных целях, т.е. для нужд народного хозяйства, например, для сооружения водохранилищ, подземных хранилищ вредных отходов, при добыче полезных ископаемых и т.п. Первый ПЯВ в мирных целях был осуществлен в США в 1957 г., а на территории России – в 1965 г. Такие взрывы проводились практически до начала 90-х годов. За этот период на территории СНГ, только по официальным данным, было проведено 116 взрывов, в том числе на территории России 90, (в европейской части – 59 взрывов, в Сибири – 31).

Следовательно, к пяти ядерным суперполигонам надо добавить еще около двух сотен полигонов на земном шаре, которые также способствовали широкому распространению радиоактивного загрязнения биосферы.

Ядерная энергетика. Первая в мире АЭС (атомная электростанция) была построена в СССР в 1954 году в Обнинске под Москвой. В настоящее время уже около 30 стран производят электроэнергию на АЭС, а темпы прироста этого вида электроэнергии в мире в два раза превышают темпы прироста всех видов электроэнергии, несмотря на то, что ряд стран (Австрия, Россия, Швейцария) заморозили свои ядерно-энергетические программы после Чернобыльской катастрофы. Доля ядерной электроэнергетики в мире составляет 17%. Ведущей в этой области в настоящее время является Франция, которая вырабатывает на АЭС 75% электроэнергии. В России выработка электроэнергии на АЭС составляет около 12%. В списке стран, имеющих АЭС, Россия по производству электроэнергии на АЭС занимает 18-е место. Для сравнения отметим, что США со своими 19% в этом списке находятся на 11-м месте. Одной из экологически важных проблем развития ядерной энергетики является упоминаемая ранее проблема хранения и переработки радиоактивных отходов.

Медицина и наука. Использование изотопов радиоактивных элементов в медицине для диагностики и в лечебных процедурах также способствует широкому территориальному распространению радиационного загрязнения. Если ядерные взрывы практически прекращены, то медицина остается действующим в настоящее время фактором радиационной опасности. Другим действующим до сих пор фактором радиационного загрязнения среды являются многочисленные исследовательские ядерные реакторы, существующие в университетах и научно-исследовательских центрах (лабораториях, институтах и др.) в разных странах мира. Исследовательские реакторы широко используются в экспериментах, при получении изотопов, проведении нейтронно-активационного анализа материалов, создании перспективных типов реакторов и т. д. Столь широкий диапазон работ привел к тому, что к концу 1991 г. в мире было около 500 реакторов, в том числе в США – 94, в СНГ – 66, в Германии – 25, во Франции и Японии – по 19, в Канаде – 14, в Китае – 12.

Перенос и трансформация загрязнителей в биосфере.

Общая характеристика. В биосфере происходит непрерывный перенос разных видов загрязнения как в пространстве, так и из одной компоненты окружающей среды в другие ее компоненты. Существуют два вида переносов в биосфере: абиотический и биотический. Кроме того, важное экологическое значение имеет трансформация загрязняющих веществ, т.е. образование за счет физико-химических процессов новых веществ, иногда значительно более вредных, чем исходные. Эти процессы являются основной причиной вторичного загрязнения окружающей среды. В качестве примера такой трансформации можно привести образование ядовитого смога в результате фотохимических процессов в атмосфере промышленных центров, которые могут происходить при некоторых особых метеорологических условиях.

Абиотический перенос загрязнения в окружающей среде. Абиотический перенос загрязнения в пространстве обусловлен действием физических механизмов в компонентах окружающей среды, например, атмосферный перенос фтор- и хлорсодержащих углеводородов в верхние слои атмосферы, рассматриваемый как основная причина разрушения озонового экрана биосферы. Другим примером может служить перенос радиоактивного загрязнения в результате Чернобыльской катастрофы с атмосферными массами под действием ветра в Подмосковье, Беларусь, Скандинавию. В качестве третьего примера может быть назван перенос речными водами химических загрязняющих веществ, сбрасываемых в реки промышленными предприятиями Кузбаса, в северные районы Сибири, являющийся одной из причин загрязнения речного бассейна Оби и прибрежных морей Северного Ледовитого океана.

Абиотический перенос загрязнения из одной компоненты среду в другую также обусловлен действием физических факторов. Например, загрязнение гидросферы пестицидами происходит в результате их смыва дождями с полей. Это пример переноса загрязнений из почвы в водную среду. Кислотное загрязнение почвы (серной и азотной кислотами) может быть вызвано путем вымывания осадками из атмосферы оксидов серы и азота (перенос из атмосферы в почву).

Биотический перенос загрязнения. Этот вид переноса загрязнения связан с движением пищи по трофическим цепям в экосистемах. Загрязняющие вещества, присутствующие в пище, не усваиваются организмами согласно принципу Линдемана, а накапливаются в них, что приводит к аккумуляции загрязнения в организмах, располагающихся на верхних трофических уровнях экосистем. Примером такого биотического переноса пестицидов может служить следующая трофическая цепь:

I                          II                        III                IV             V

ФИТОПЛАНКТОН – ЗООПЛАНКТОН – РАКООБРАЗНЫЕ – РЫБЫ – БАКЛАНЫ,

первый уровень которой представлен фитопланктоном в морской воде, загрязненной пестицидами, смываемыми с полей и доставляемыми речной водой в прибрежные моря. Эта трофическая цепь демонстрирует возможность аккумуляции пестицидов в рыбе и птицах, находящихся соответственно на 4-м и 5–м трофических уровнях.

Другим примером биотического переноса может служить накопление радиоактивного цезия-137 в мясе млекопитающих по трофической цепи:

ЛИШАЙНИК – ОЛЕНЬ – ЧЕЛОВЕК.

Биотический перенос, как отмечено выше, сопровождается накоплением загрязнения в организмах на верхних трофических уровнях. Для иллюстрации в таблице 2 приведены экспериментальные данные о коэффициентах накопления некоторых радиоактивных элементов в организмах, обитающих в морской воде.

Таблица 2 Коэффициенты накопления радиоактивных элементов в организмах по отношению к морской воде

При этом чем длиннее трофическая цепь, тем меньшие коэффициенты накопления регистрируются, так как при миграции химических веществ по цепям питания они подвергаются процессам деструкции и трансформации.

Качество жизни, здоровье и окружающая среда.

Общие положения. Здоровье человека как биосоциального вида является не только биологической категорией, а есть важнейший показатель общественного прогресса. Здоровье необходимо рассматривать как общественное богатство не только в социальном, но и в экологическом смысле. Согласно определению Всемирной организации здравоохранения, здоровье человека – это состояние полного физического, духовного и социального благополучия, а не только отсутствие болезней или физических дефектов, как это до сих пор достаточно широко распространено в общественном сознании.

В социально-экономическом аспекте здоровье характеризуется критериями физического и интеллектуального потенциала общества для создания материальных и духовных ценностей. Частное значение здоровья с точки зрения психофизиологии может отражать уровень физической и умственной работоспособности при осуществлении различных видов труда. В медико-биологических исследованиях для оценки здоровья используют показатели физического развития. Функции организма оценивают по показателям физической и умственной работоспособности, а адаптационные резервы – по показателям биохимического, гормонального и иммунного статусов.

Состояние человека характеризуется большим количеством показателей, основными из которых являются следующие:

1) заболеваемость;

2) смертность;

3) средняя продолжительность жизни;

4) физическое и умственное развитие;

5) инвалидность;

6) психологическая комфортность;

7) степень социального благополучия и др.

На протяжении человеческой истории перечисленные показатели претерпели существенные количественные изменения, особенно в прошедшем столетии. Если в начале ХХ века смертность в значительной мере была обусловлена инфекционными заболеваниями, то уже к средине века в нашей стране эти заболевания только на треть определяли смертность благодаря успехам медицины. К концу века влияние этой причины на общую смертность сократилось в 10-15 раз, в то время как на первое место вышли болезни системы кровообращения, а на втором оказались онкологические заболевания.

Понятие качества жизни. Здоровье человека в значительной степени определяется качеством жизни. В настоящее время нет общепринятого критерия качества жизни. Наиболее общую характеристику этого понятия дали шведские ученые Л. Леви и Л. Андерсон в докладе, подготовленном к Всемирной конференции ООН по народонаселению (1974), изданном затем в нашей стране отдельной книгой (Л. Леви, Л. Андерсон. Народонаселение, окружающая среда и качество жизни. – М.: Экономика, 1979), в которой качество жизни рассматривается как совокупность условий физического, умственного и социального благополучия с точки зрения отдельных индивидумов и социальной группы, включая понимание таких состояний, как счастье, удовлетворение потребностей и удовольствие.

Наряду с такой обобщенной оценкой качество жизни можно характеризовать с помощью отдельных компонент жизненной удовлетворенности: состояние здоровья, удачная женитьба, семейные и бытовые условия, работа, возможность получения образования или пребывания на природе, качество окружающей среды, возможность путешествовать и т. д.

Качество окружающей среды. В соответствии со ст. 5 Закона Российской Федерации «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» граждане России имеют право на благоприятную среду обитания (окружающую природную среду, условия труда, проживания, быта, отдыха, воспитания и обучения, питания), факторы которой не должны оказывать опасного и вредного влияния на организм человека настоящего и будущих поколений. Важную роль в воздействии на здоровье человека играют социально-экономические факторы среды. В целом тенденции изменения здоровья населения достаточно точно отражают уровень экономического развития и благосостояния страны. Многие проблемы здоровья имеют глубокие социально-экономические корни, включая региональные аспекты условий и уклада жизни различных народов, тот или иной путь социально-экономического развития, затрагивающий интересы различных слоев общества.

В современных условиях важнейшими факторами формирования здоровья населения России являются последствия кризисного состояния страны, охватившего значительные массы населения. Прежде всего среди этих последствий надо выделить социальную напряженность, в том числе страх перед возможной безработицей, крушение прежней системы ценностных ориентаций у значительной части населения страны, главными среди которых были семья, работа, общественное признание. Эта напряженность, по-видимому, не будет разрешена в ближайшее время из-за активных процессов социальной дифференциации, формирования имущественного неравенства и нерешенных вопросов социальной защиты большей части российского общества. Другим значимым последствием кризисного состояния страны следует назвать углубление экологического кризиса и связанные с ним опасности для здоровья человека нарушенной окружающей среды (загрязненные вода, воздух, почва и, следовательно, некачественные продукты питания и т.п.).

Заболеваемость населения.

Определение понятия. Заболеваемость населения – показатель, статистически определяемый за некоторый период времени как количество впервые заболевших людей, приходящееся на 1, 10 или 100 тыс. человек населения. Статистика заболеваемости населения ведется как по отдельным видам болезней, так и по их группам (сердечно-сосудистые, онкологические, инфекционные и др.). Заболеваемость – это объективное массовое явление возникновения и распространения патологии (от лат. – отклонение от нормы) среди населения, являющееся результатом воздействия генетических и экологических факторов и образа жизни. Все заболевания могут быть разделены на три вида:

1)            являющиеся основными причинами смертности;

2)            приводящие к различным жизненным ограничениям, включая инвалидность;

3)            вызывающие кратковременные расстройства здоровья, которые ввиду массовости наносят значительный экономический ущерб обществу.

Краткая характеристика заболеваемости населения России. У детей преобладают болезни органов дыхания (60–70%), инфекционные заболевания, болезни нервной системы и органов чувств, травмы и отравления, у взрослых – болезни органов дыхания и системы кровообращения, затем следуют болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани. У взрослого населения с ухудшением условий жизнеобеспечения, в том числе в условиях экологического неблагополучия, как бы ускоряются процессы старения и, соответственно, в более молодом возрасте проявляются заболевания, характерные для старшего возраста (например, онкологические болезни), а также развиваются заболевания, связанные со стрессовыми нагрузками, – увеличение психических расстройств, болезней органов пищеварения и сердечно-сосудистых заболеваний.

Наряду с ростом заболеваемости взрослого населения отмечается синдром преждевременного старения, выражающийся в высокой распространенности таких заболеваний, как атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, злокачественные новообразования, диабет и др., что является, в частности, основной причиной снижения среднего возраста умерших от сердечно-сосудистых заболеваний и злокачественных новообразований.

Экологическую опасность представляют инфекционные заболевания, так как они являются причиной распространения эпидемий, воспринимаемых людьми как чрезвычайные ситуации и наносящих ежегодно большой экономический ущерб обществу. Обычно рассматривают 4 группы инфекционных заболеваний:

1) инфекции дыхательных путей (туберкулез, дифтерия, грипп и др.);

2) инфекции кишечной группы (дизентерия, холера, вирусный гепатит и др.);

3) инфекции кровяной группы (сыпной тиф, клещевой энцефалит, чума, малярия и др.);

4) инфекции наружных покровов (сибирская язва, столбняк и др.).

Многие из этих заболеваний, вызываемые проникновением в организм болезнетворных микроорганизмов, связаны с биологическим загрязнением окружающей среды, которое определяется ее санитарно-эпидемиологическим состоянием. Согласно статье 1 Закона РФ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», этим термином обозначается такое состояние общественного здоровья и среды обитания людей, при котором отсутствует опасное и вредное влияние ее факторов на организм человека и имеются благоприятные условия для его жизнедеятельности. В настоящее время санитарно-эпидемиологическая обстановка в нашей стране вследствие роста уровня загрязнений окружающей среды оценивается как неблагополучная и ее негативное влияние на здоровье населения становится все более заметным.

Факторы риска и профилактика заболеваний. В качестве факторов риска в медицинском аспекте понимают наследственные генетические нарушения в организме и рассмотренные ранее различные виды загрязнения окружающей среды, а также такие распространенные «привычки», ставшие составными показателями образа жизни, как курение, наркотики, злоупотребление алкоголем, некачественное питание, недостаточная физическая нагрузка (гипокинезия) и др. В общем случае факторами риска называются те факторы внешней (окружающей) и внутренней среды организма и поведенческие факторы, которые способствуют увеличению вероятности развития заболеваний, их прогрессированию и неблагоприятному исходу.

Факторы риска как инфекционных, так и неинфекцинных заболеваний можно разделить на следующие пять групп:

1) нездоровый образ жизни (неполноценное питание, в том числе недостаточное потребление белков, витаминов, растительных жиров, фруктов и овощей, злоупотребление алкоголем, недостаточная физическая активность, наркомания и др.);

2) наследственные генетические нарушения в организме человека;

3) неблагоприятные экологические факторы (загрязнение воздуха, повышенные концентрации химических веществ в питьевой воде и продуктах питания, повышенная радиация);

4) неблагоприятные санитарно-гигиенические условия на рабочих местах у работников производственных предприятий;

5) психо-социальный стресс, который в современной России связан с неблагополучной социально-экономической ситуацией.

Неблагополучная социально-экономическая ситуация и нарушенная окружающая среда в нашей стране привели в последнее десятилетие к значительному росту заболеваемости населения, что делает необходимым достижение согласия законодательных и исполнительных органов власти разных уровней для определения приоритетов и разработки современной стратегии укрепления здоровья. Как показывает опыт развитых стран, современная стратегия должна быть ориентирована на профилактику заболеваний, которая понимается как комплекс мероприятий по уменьшению вероятности возникновения заболеваний (первичная профилактика) и по уменьшению вероятности прогрессирования заболеваний, их осложнений и неблагоприятных исходов (вторичная профилактика).

Средняя продолжительность жизни человека.

Основные понятия. Смертность – наиболее объективный и важный показатель состояния здоровья из имеющихся в официальной статистике показателей, определяемый согласно евростандарту как количество смертей за год на 100 000 человек. Средняя продолжительность жизни человека – средний достижимый возраст, определяемый как частное от деления суммы возрастов умерших на общее их число.

Сравнительный анализ смертности в России и за рубежом. Во вторую половину ХХ века не только в развитых странах, но и в нашей стране произошли кардинальные изменения в структуре причин смертности: резко уменьшилась доля смертей от инфекционных заболеваний и существенно увеличилась доля смертей от сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, а также значительно (по российским данным, в среднем на 18–20 лет) отодвинулся к старости возраст смерти от инфекционных заболеваний и болезней органов дыхания по сравнению с 1939 г. Однако общий уровень смертности в нашей стране по сравнению с развитыми странами мира все еще остается большим. Так, по данным 1989 г., общая смертность (от всех причин) в России была почти в 1,5 раза выше, чем в ведущих странах мира, что видно из приведенных ниже показателей (на 100 000 человек):

Сравнение причин смертности по видам заболеваемости показало, что наибольшую смертность, по данным 1991 г., давали болезни кровообращения (50-60%) и онкологические заболевания (около 20%). В развитых странах эти причины смертности также находятся на первых местах.

В 1991 г. в относительно трудоспособном возрасте (20–64 лет) российского населения общая смертность мужчин в 2,5 раза превышала женскую смертность, что медицинские эксперты объясняют, в частности, значительно большей смертностью мужчин сравнительно с женщинами, от болезней системы кровообращения (361 и 157 на 100 000 человек соответственно), от онкологических причин (230 и 120 на 100 000 человек), от травм и отравлений (318 и 62 на 100 000 человек).

Особенно неблагополучная ситуация в России сложилась с младенческой смертностью, которая в 25 раз была выше, чем в Швеции, в 6 раз выше, чем в США, в 5,5 раза выше, чем в Японии. Смертность детей в возрасте от 1 до 4 лет в 4–5 раз превышала смертность в развитых странах.

Анализ смертности в разных социальных группах российского населения выявил ее зависимость от уровня образования. Так, общая смертность среди людей с высшим образованием в 1,5 раза меньше, чем среди людей со средним образованием, и в 2 раза меньше, чем у лиц, чей уровень образования ниже среднего.

Средняя продолжительность жизни. Известно, что продолжительность жизни наших предков была невысокой. В неолите она составляла приблизительно 18 лет, во времена Римской империи – 25, в средние века (Англия) – около 30 лет. Затем благодаря достижениям медицины и науки удалось уменьшить смертность, в результате чего к началу ХХ века в некоторых странах средняя продолжительность жизни (СПЖ) достигла 50 лет (по данным США, 1900 г.), а к средине века – 73 года (Нидерланды, 1955 г.). К концу века из трех десятков развитых стран мира по этому показателю лидировали Япония и Швейцария (77,6 года), Исландия (77,4 года), Швеция (77,1 года), Испания (76,6 года).

В СССР в 1990 г. СПЖ составила 69,3 года, в том числе для мужчин и женщин – соответственно 64 и 74 лет. По этим показателям наша страна, по данным экспертов ВОЗ, находилась соответственно на 54 и 47 местах в мире. Однако, если в развитых странах СПЖ продолжала расти, то в России в последнее десятилетие произошло ее существенное снижение до 65,8 лет в 1993 г. (у мужчин – 59, у женщин – 72,7). Тенденция снижения СПЖ отмечалась и в последующие годы. Хотя к концу века положение здесь несколько стабилизировалось, но существенного роста СПЖ в России пока не происходит, что является отражением неудовлетворительного качества жизни и состояния здоровья населения вследствие влияния нездорового образа жизни, экологически нарушенной окружающей среды и неблагоприятного социально-экономического положения в стране.

Нормирование качества окружающей среды.

Воздействие загрязнения среды на здоровье человека. Ранее отмечалось, что из вредных химических веществ, регулярно попадающих в организм человека, около 70% поступает с пищей. Попадая в организм человека в основном с продуктами животного и растительного происхождения, загрязняющие вещества накапливаются в организме постепенно, проявляя патологическое действие, которое по своему характеру может быть:

1)  общетоксическим с преимущественным поражением центральной нервной системы, нарушением метаболических (обменных) процессов, пищеварения и усвоения пищевых веществ;

2) иммуномодулирующим, проявляющимся как способность вызывать опасные отдаленные последствия (канцерогенное, мутагенное, аллергенное, тератогенное, эмбриотоксическое).

Кратко поясним смысловое содержание использованных здесь медицинских терминов. Канцерогенное (от лат. канцер – рак и греч. генос – происхождение) действие проявляется в онкологических (раковых) заболеваниях, связанных с возникновением в организме злокачественных новообразований (опухолей). Мутагенное действие вызывает нарушения (мутации) генной структуры клеток, проявляющиеся в рождении детей с уродствами либо с генетическими болезнями. Аллергенное действие означает способность некоторых веществ вызывать в организме аллергию, т.е. измененную реактивность организма к их повторным воздействиям, проявляющуюся в виде различных аллергических заболеваний (крапивница, астма и др.). Эмбриотоксическое действие проявляется в отравляющем воздействии на плод в период беременности матери с разнообразными неблагоприятными последствиями.

Медико-биологические исследования воздействий загрязнения на здоровье человека показывают, что большинство исследованных химических веществ вызывают комплексные вредные воздействия на организм человека. Например, многие пестициды наряду с общетоксическим действием проявляют и сильные канцерогенное и мутагенное воздействия, вызывая отдаленные патологические последствия как в самом организме, так и в его потомстве. Радиационное загрязнение также приводит к комплексу патологических изменений в организме, вызывая одновременно, например, раковые заболевания кожи и лучевую болезнь. Такое сложное воздействие загрязнений окружающей среды привело к необходимости нормирования качества среды, т.е. к определению норм, или пороговых уровней, различных негативных воздействий, при которых они могут считаться относительно безвредными для здоровья.

Нормирование качества среды. Под качеством окружающей среды в широком смысле принято понимать степень соответствия природных условий потребностям людей или других живых организмов. В настоящем разделе рассматривается качество среды жизни человека (в узком смысле), определяемое как совокупность условий состояния среды обитания, обеспечивающих соответствие среды жизни человека его потребностям, которое отражается средней продолжительностью жизни, смертностью и рождаемостью, уровнем заболеваемости населения и др. В частности, качество воды определяется совокупностью физических, химических, биологических и бактериологических показателей, обусловливающих пригодность ее для использования в производственных, бытовых и других целях

Нормирование качества среды – это установление предельных значений показателей качества, в которых допустимо изменение этих показателей. Нормирование качества среды обитания сводится к нормированию качества воды (питьевой или для полива земель), качества воздуха (атмосферного или в жилых и производственных помещениях) и качества почвы. При этом вводятся нормы безопасных для здоровья человека уровней воздействий техногенных факторов (химического, радиационного и других видов загрязнения) раздельно для воздуха, воды и почвы.

Санитарно-гигиенические нормативы. Для учета влияния химического загрязнения на здоровье человека введены различные международные и национальные нормы, или нормативы. Норма загрязнения – это предельная концентрация содержания вещества в среде, допускаемая нормативными актами. Санитарно-гигиенические нормативы – совокупность показателей санитарно-гигиенического состояния компонентов окружающей среды (воздуха, воды, почвы и др.), определяемых величиной уровней их загрязнения, непревышение которых обеспечивает нормальные условия жизни и безопасность для здоровья. Санитарно-гигиенические нормативы загрязнения используются для управления качеством окружающей среды, что позволяет снизить их воздействие на здоровье человека и заболеваемость населения до приемлемого уровня.

Наибольшее распространение в мире получили нормативы ВОЗ. В нашей стране статус государственных стандартов в этой области получили предельно-допустимые концентрации (ПДК), определяющие максимальный уровень присутствия химических загрязняющих веществ в воздухе, воде или почве. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) – санитарно-гигиенический норматив, определяемый как максимальная концентрация химических веществ в воздухе, воде и почве, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни не оказывает вредного влияния на здоровье человека и его потомства. Различают ПДК максимально разовые и среднесуточные, ПДК для рабочей зоны (помещения) или для жилой зоны. Причем ПДК для жилой зоны устанавливается меньше, чем для рабочей зоны, так как в ней находятся наиболее уязвимые дети и старики.

Определение ПДК – дорогостоящая и долговременная медико-биологическая и санитарно-гигиеническая процедура. Первый перечень ПДК для 120 вредных веществ был утвержден Минздравом СССР в 1971 году. В настоящее время общее количество веществ, для которых определены ПДК, незначительно превышает одну тысячу, в то время как вредных веществ, с которыми человек имеет дело на протяжении жизни, на порядок больше.

Интегральные нормативы качества. Если бы в компонентах окружающей среды оказалось только по одному загрязняющему веществу, то норматив в виде ПДК был бы вполне достаточным, чтобы обеспечить приемлемое качество среды. Однако в реальных условиях в воде, воздухе или почве одновременно присутствует большое количество различных загрязняющих веществ, что делает использование ПДК для контроля качества среды недостаточным. Поэтому на практике применяют различные интегральные нормативы качества, позволяющие учитывать одновременное присутствие в компонентах среды, по крайней мере, нескольких загрязняющих веществ, которые в наибольшей степени определяют (ухудшают) ее качество. Такие вещества, либо относящиеся к наиболее опасным для здоровья, либо присутствующие в среде в очень больших концентрациях, называют приоритетными загрязнителями.

Примерами интегральных нормативов являются широко используемые в отечественной природоохранной практике индексы загрязнения атмосферного воздуха и воды. В частности, один из индексов загрязнения атмосферы учитывает до шести приоритетных загрязнителей. Другим примером применения интегральных нормативов является использование методов биоиндикации, основанных на определении степени воздействия комплексного загрязнения на условия существования микроорганизмов, рыб и других видов живых организмов. Известен, например, швейцарский опыт применения некоторых видов форели, которые могут жить только в чистой воде горных рек, для контроля качества питьевой воды. В качестве также широко используемого интегрального норматива можно назвать так называемый норматив ЛД-50 (летальная доза загрязнения, при которой в единицу времени погибает 50% испытуемых особей вида-индикатора). Последний норматив учитывает даже не несколько приоритетных загрязнителей, а весь комплекс присутствующих в компонентах среды загрязнителей.

Предельно-допустимые выбросы и сбросы. Для управления качеством среды в отечественной практике разработан и широко применяется еще один вид санитарно-гигиенических нормативов – предельно-допустимый выброс (ПДВ) загрязнителей в атмосферу и предельно-допустимый сброс (ПДС) в водоемы и в почву. Предельно-допустимый выброс (сброс), устанавливаемый государственными органами охраны окружающей природной среды, определяет предельную массу выбрасываемых в окружающую среду конкретных загрязнителей для каждого стационарного либо передвижного источника загрязнения. Расчет величины ПДВ (или ПДС) проводится при условии, чтобы ни в одной точке территории (или в створе реки) концентрация каждого загрязняющего вещества, обнаруживаемого в воздухе (или в водоеме), не превысила величину ПДК для этого загрязняющего вещества. Расчеты ПДВ выполняются для каждого населенного пункта и являются обязательными для всех предприятий.

Нормативы радиационной безопасности. Как за рубежом, так и в нашей стране в законодательном порядке определены предельно-допустимые уровни радиации, обеспечивающие экологическую безопасность для здоровья человека и его генетического фонда. Они называются нормативами радиационной безопасности и представляют собой санитарно-гигиенические нормативы воздействий радиации, определяемые величинами предельных уровней годового облучения для лиц, профессионально работающих с излучениями, и групп населения как вблизи объектов ядерного комплекса, так и вне пределов их влияния.

В качестве нормативов радиационной безопасности в нашей стране введены следующие предельные нормы годового облучения (годовая радиационная нагрузка):

1) для профессионалов, т.е. лиц, работающих с радиоактивными веществами, – 5 бэр (величина «бэр» – биологический эквивалент рада, а «рад» приблизительно равен одному «рентгену»);

2) для населения вблизи АЭС (в 30-километровой зоне) и других объектов атомной промышленности – 0.5 бэр или 500 мбэр.

Влияние загрязнения окружающей среды на здоровье человека.

Общая характеристика. Качество окружающей среды существенно влияет на здоровье населения. Практически все химические вещества и физические излучения в той или иной степени оказывают вредное воздействие на здоровье людей, причем важным здесь является уровень их присутствия в окружающей среде (концентрация вещества, доза полученной радиации и т.п.). При неблагоприятном воздействии первостепенное значение имеют мутагенный и канцерогенный эффекты. Представляет опасность влияние загрязнения на детородную функцию и здоровье детей. Для большого числа химических веществ характерно воздействие на метаболическую, имунную и другие системы, выполняющие защитные функции организма; их изменение содействует развитию неинфекционных заболеваний, большая доля которых приходится на сердечно-сосудистые и онкологические болезни.

Как свидетельствуют экспериментальные и эпидемиологические исследования, экологические факторы даже при невысоком уровне воздействия могут вызывать значительные расстройства здоровья людей. Загрязнение среды, несмотря на относительно малые концентрации веществ, вследствие большой длительности воздействия (практически на протяжении всей жизни человека) может приводить к серьезным нарушениям в состоянии здоровья, особенно таких малоустойчивых групп, как дети, пожилые люди, больные хроническими болезнями, беременные женщины.

Наиболее опасные загрязнители окружающей среды. Большие объемы поступлений в окружающую среду разнообразных химических веществ, биологических агентов при низком уровне контроля промышленных, сельскохозяйственных, бытовых и прочих загрязнителей не позволяют установить достаточно четко меру опасности для здоровья техногенных загрязнителей, содержащихся в атмосферном воздухе или почве, питьевой воде или продуктах питания.

Однако принято считать, что по степени опасности для здоровья человека среди химических загрязнителей первенство в настоящее время принадлежит тяжелым металлам, хлорированным углеводородам, нитратам, нитритам и нитросоединениям, асбесту, пестицидам. Очень опасными для здоровья являются радионуклиды, токсины микроорганизмов, лекарственные средства (антибиотики и другие, как правило, синтетические химические соединения), а также ряд загрязнителей биологического происхождения: бактерии, вирусы, грибковые, простейшие и паразиты.

Наиболее опасными и токсичными из тяжелых металлов являются кадмий, ртуть и свинец. Установлена связь между количеством обнаруженных в воде и почве кадмия, свинца, мышьяка и уровнями заболеваемости злокачественными новообразованиями различных форм среди населения экологически неблагополучных районов.

Загрязнение кадмием пищевых продуктов, как правило, происходит из-за загрязнения почвы и питьевой воды сточными водами и другими отходами промышленных предприятий, а также при использовании фосфорных удобрений и пестицидов. В воздухе сельских местностей концентрация кадмия в 10 раз превышает уровни естественного фона, а в городской среде нормативы могут быть превышены до 100 раз. Больше всего кадмия человек получает с растительной пищей.

Ртуть, как другой биоцид, относящийся к тяжелым металлам, имеет два типа кругооборота в природе. Первый связан с естественным природным обменом элементарной (неорганической) ртути, второй, так называемый локальный, обусловлен процессами метилирования неорганической ртути, поступающей в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человека. Ртуть применяется в производстве каустической соды, бумажной массы, синтезе пластмасс, в электротехнической промышленности. Широкое применение ртуть имеет в качестве фунгицидов для протравливания посевного материала. Ежегодно до 80 тыс. т ртути в виде паров и аэрозолей выбрасывается в атмосферу, откуда она и ее соединения мигрируют в почву и водоемы.

В современных условиях основным источником загрязнения окружающей среды соединениями свинца является использование этилированного бензина. Естественно, что наибольшие концентрации свинца обнаруживаются в атмосферном воздухе городов и вдоль крупных автострад. В дальнейшем при включении в пищевые цепи свинец может поступать в организм человека с продуктами как растительного, так и животного происхождения. Свинец способен накапливаться в организме, особенно в костной ткани. Имеются сведения о влиянии свинца на рост заболеваний сердечно-сосудистой системы. Экспериментальные данные свидетельствуют, что для развития рака в присутствии свинца требуется в 5 раз меньшее количество канцерогенных углеводородов.

Большую опасность для здоровья человека представляют и лекарственные препараты, в основном антибиотики, широко применяемые в животноводстве. Значимость загрязнения ими продуктов животноводства связана с ростом аллергических реакций у людей на лекарственные препараты. В настоящее время для нужд сельского хозяйства используется 60 наименований антибиотиков отечественного производства. Гораздо более опасны из-за возможного включения в трофические цепи пестициды. В настоящее время разрешены для применения в сельском хозяйстве 66 различных пестицидов, обладающих помимо специфического действия на сельскохозяйственных вредителей неблагоприятными отдаленными последствиями различного рода (канцерогенным, эмбриотоксическим, тератогенным и др.). По данным Национальной академии наук США, токсикологи обладают относительно полной информацией о влиянии на здоровье лишь 10% используемых сейчас пестицидов и 18% используемых лекарств. По меньшей мере 1/3 пестицидов и лекарств не проходит никаких испытаний на токсичность. В отношении всех используемых в мире химикатов проблема еще серьезнее: 80% из них не проходили никаких испытаний.

Общеизвестно, что далеко не безвредными для организма являются нитраты и нитриты. Нитраты, используемые в качестве минеральных удобрений, в самых высоких концентрациях встречаются в зеленых овощах, например, в шпинате, салате, щавеле, свекле, моркови, капусте. Особенно опасны высокие концентрации нитратов в питьевой воде, так как при их взаимодействии с гемоглобином нарушаются его функции переносчика кислорода. Возникают явления кислородного голодания с признаками одышки, асфиксии. В тяжелых случаях отравление может заканчиваться летальным исходом. Экспериментально доказано, что нитраты обладают также мутагенным и эмбриотоксическим действием.

Нитриты, представляющие собой соли азотистой кислоты, давно используются в качестве консерванта при изготовлении колбас, ветчины, мясных консервов. Другая опасность нахождения в продуктах питания нитритов заключается в том, что в желудочно-кишечном тракте под воздействием микрофлоры из нитритов образуются нитросоединения, обладающие канцерогенными свойствами.

Стойкими в экологических цепях оказываются радионуклиды, поступающие в организм человека также в основном с продуктами питания. Из продуктов расщепления урана стронций-90 и цезий-137 (имеющие период полураспада порядка 30 лет) представляют особую опасность: стронций вследствие своего сходства с кальцием очень легко проникает в костную ткань позвоночных, тогда как цезий накапливается в мускульных тканях, замещая калий. Они способны накапливаться в организме в количествах, достаточных для причинения ущерба здоровью, оставаясь в зараженном организме практически всю его жизнь и вызывая канцерогенные, мутагенные и другие заболевания.

Особенности влияния загрязнения атмосферы. Влияние загрязнения воздуха разнообразно, начиная от неприятных запахов и кончая ростом заболеваемости и смертности, в том числе от сердечно-сосудистых болезней. Воздействие атмосферных загрязнителей чаще всего приводит к ослаблению иммунитета, что сопровождается снижением сопротивляемости организма и повышенной заболеваемостью. Согласно данным американских ученых, в городах с невысоким уровнем загрязнения при эпидемии гриппа среднее число заболеваний увеличивается на 20%, а в городах с высоким уровнем – на 200%.

По данным российских исследователей (1994 г.), установлено, что степень воздействия атмосферных загрязнений на заболеваемость населения зависит от возраста: наименее чувствительной является группа населения в возрасте 20–39 лет, а наиболее чувствительными – группа детей в возрасте от 3 до 6 лет (в 3,3 раза) и возрастная группа населения старше 60 лет (в 1,6 раза).

Исследованиями Института экологии и гигиены окружающей среды РАМН установлена связь между уровнем суммарного загрязнения воздуха и показателями аллергической заболеваемости у детей. Так, в Москве доля часто болеющих ОРЗ (острые респираторные заболевания) детей в очень загрязненных районах составила 8%, а в менее загрязненных – 1,2%. В Тольятти дети, проживающие в зоне влияния выбросов Северного промышленного узла, в 2,4–8,8 раза чаще страдали заболеваниями верхних дыхательных путей, бронхиальной астмой, чем дети, проживающие в относительно чистом районе.

В последнее десятилетие существенно возросли суммарные выбросы в атмосферу от автотранспорта, которые составляют более 2/3 общих поступлений в атмосферу на территории России, причем в разных городах на долю этих выбросов приходится от 45 до 85% загрязнения воздуха. В результате примерно 30% городского населения страны дышит воздухом, в котором концентрация вредных веществ превышает санитарно-гигиенические нормативы в 10 и более раз. В целом, по данным санитарно-эпидемиологической службы, в 1992 г. более 60 млн. человек проживали в условиях постоянного превышения ПДК в атмосферном воздухе ряда вредных веществ.

В городах с развитой металлургической промышленностью взрослое население чаще страдает болезнями органов кровообращения (в 1,5 раза) и органов пищеварения (в 1,7), а дети почти в 1,5 раза чаще страдают болезнями органов дыхания и пищеварения, а также болезнями кожи и слизистых оболочек глаз. Проживание в центрах размещения нефтехимической промышленности и оргсинтеза ведет к увеличению заболеваемости детей бронхиальной астмой (в 2–3 раза) и болезнями кожи и слизистых оболочек (в 2 раза).

Наиболее ярко демонстрируют влияние загрязнений атмосферы на здоровье данные исследований, проведенных в районах размещения заводов по производству белково-витаминных концентратов (БВК) и продуктов микробиологического синтеза, где при росте общей заболеваемости в 2–3 раза выявлен рост аллергических заболеваний до 2–12 раз. В городах Ангарске и Кириши, где размещены заводы БВК, рост заболеваемости принял катастрофический характер – до 20–28 раз, что неоднократно приводило к социальной напряжености и демонстрациям населения, направленных против функционирования этих производств.

Влияние загрязнений воды. По данным ООН, в мире выпускается до 1 млн. наименований в год ранее не существовавшей продукции, в том числе до 100 тысяч химических соединений, из которых около 15 тысяч являются потенциальными токсикантами. По экспертным оценкам, до 80% всех химических соединений, поступающих во внешнюю среду, рано или поздно попадают в водные источники. Подсчитано, что ежегодно в мире выбрасывается более 420 км3 сточных вод, которые в состоянии сделать непригодной к употреблению около 7 тыс. км3 чистой воды.

Состояние водоснабжения населения России неудовлетворительное. Анализ качества питьевой воды, проведенный Институтом экологии человека и гигиены окружающей среды РАМН в ряде городов России, свидетельствует о несоответствии качества воды гигиеническим требованиям в 80–90% централизованных систем водоснабжения. Около 1/3 населения использует для питья воду из децентрализованных источников, которая в 32% случаев также не отвечает требованиям качества. В целом, около 50% населения Российской Федерации продолжает использовать для питья воду, не соответствующую санитарно-гигиеническим нормам.

Известно, что более 80% потребляемой воды в нашей стране отбирается из поверхностных вод, наиболее распространенными загрязнителями которых являются нефтепродукты, фенолы, углеводороды, соединения железа, аммонийный азот, тяжелые металлы (кадмий, хром, цинк, мышьяк, ртуть и др.), хлориды, сульфаты, нитраты, нитриты и др.

Существующая в нашей стране система контроля качества питьевой воды из-за недостаточного технического обеспечения не позволяет в полной мере определять степень опасности загрязнения воды для здоровья человека. Всемирная организация здравоохранения рекомендовала осуществлять контроль воды с 1992 г. примерно по 100 показателям, большая часть из которых непосредственно влияет на здоровье. Отечественный ГОСТ 2874–82 «Вода питьевая» содержит нормативы только по 28 показателям.

Опасность накопления загрязнения по трофичеким цепям. Как следует из вышеизложенного, потребление загрязненной пищи сопровождается накоплением (аккумуляцией) загрязняющих веществ по трофическим цепям в экосистеме. Явление, связанное с относительным ростом концентрации загрязняющих веществ в организмах по мере продвижения по трофической цепи, называется биотическим накоплением химических веществ в экосистеме. Таким образом, в организмах консументов накапливаются пестициды (например, ДДТ), радиоактивные элементы и др. Устрица может содержать в 70000 раз больше ДДТ, чем в воде, где она обитает. В конечном итоге, человек – суперхищник в социоприродной экосистеме, находясь в конце трофической цепи, страдает больше других биологических организмов («эффект экологического бумеранга»).

Ниже приведены для примера эмпирические величины коэффициента аккумуляции радиоактивного фосфора-32, содержащегося в речной воде реки Колумбии из-за сбросов отходов плутониевого реактора, по условной пищевой цепи:

ФИТОПЛАНКТОН – РЫБА – ЧЕЛОВЕК.

1                1000       5000

Еще большие величины коэффициента накопления радиоактивных элементов обнаруживаются в морской среде. Например, по данным измерений американских ученых коэффициенты накопления в фитопланктоне для ряда изотопов: железо-55, свинец-210, фосфор-31 и цинк-65 имеют величины от 20000 до 40000. Поэтому пищевые цепи в морской среде могут положить начало аккумуляции некоторых радиоактивных элементов в количествах, значительно превышающих нормативы радиационной безопасности.

Приведенные выше оценки коэффициентов аккумуляции химически и радиационно опасных загрязнителей в окружающей среде показывают, что даже при незначительных их концентрациях в компонентах окружающей среды за счет эффекта биотического накопления по трофическим цепям в продуктах питания (особенно животного происхождения) могут содержаться вредные для здоровья вещества в концентрациях, значительно превышающих ПДК.

О возможном усилении экологических воздействий на здоровье. По оценкам экспертов ВОЗ, данным в 80-х гг. ХХ в., состояние здоровья современного человека на 50% определяется образом жизни, на 10% – медициной (хотя роль медицины огромна при спасении раненых и больных, но к сожалению, на уровень здоровья она пока оказывает незначительное влияние), на 20% – наследственностью, а роли экологических факторов (качества окружающей среды) в состоянии здоровья отводится около 20%. Последняя цифра показывает, что хотя в 80-е годы влияние загрязнения окружающей среды на здоровье человека не было определяющим, все-таки оно было достаточно заметным.

Колоссальные приросты промышленного производства и многократно увеличившиеся объемы выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду в прошедшие два десятилетия позволяют предполагать и значительно возросшее воздействие экологических факторов на здоровье человека. Прогнозные оценки иркутского профессора Ю.М. Горского, опубликованные в его работе «Основы гомеостатики» (см. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов // Обзорная информация ВИНИТИ, 2000. N 5), показывают, что для Иркутской области и ряда других регионов России к 2005 г. можно ожидать следующие изменения: роль экологических факторов возрастет до 40%, действие генетического фактора – до 30% (за счет негативных изменений генетического аппарата), а роль образа жизни и медицины в поддержании здоровья снизится соответственно до 25 и 5%. Даже здоровый образ жизни не сможет остановить процессы ухудшения здоровья человека, если нация начнет вырождаться. По оценкам ВОЗ, известно, что если повреждение генетического аппарата у новорожденных достигает 10 % то неизбежно начинается вырождение нации. По мнению Ю. Горского, в России уже имеется несколько таких «экологически горячих точек», где указанный предел превышен.

Приведенные выше оценки требуют более тщательного анализа. Рассмотренный здесь пессимистический прогноз развития возможного сценария ухудшения здоровья в ближайшие годы показывает, что современное состояние окружающей среды на планете требует проведения комплекса оперативных мер по оздоровлению среды, пока еще процессы деградации биосферы не приняли (если уже не приняли) характера необратимых изменений. Одной из наиболее эффективных мер, как нам представляется, следует рассматривать использование недавно полученных положительных результатов комплексного исследования генома человека, что позволит за счет направленного снижения уровня генетических нарушений в человеческом организме уменьшить воздействие генетического и экологического факторов на здоровье человека.

В заключение отметим, что в стремлении к независимости от природы общество дошло сегодня до критического состояния отчуждения от нее, создав тем самым реальную угрозу собственного существования на планете. Это отчуждение проявляется наиболее явно в безудержном росте материального потребления, в культивировании все новых потребностей в вещах. В стремлении к независимости от сил природы общество и отдельный человек, все чаще нарушая естественные экологические связи, забывают о своей ответственности за окружающий мир.

Выйдя в космос и создав искусственные условия для долговременной жизни под водой и под землей, человек остается биологическим видом и должен соблюдать определенные эволюционно выработанные условия состояния окружающей среды (температура, давление, газовый состав атмосферного воздуха, химический состав пищи и многое другое). В последние десятилетия в связи с высокими темпами индустриализации явно наметились тенденции к ухудшению условий состояния окружающей природной среды, что вызывает опасения в сохранении благоприятных условий не только для существования человека, но и для природной среды в целом. Однако проблема ухудшения качества окружающей среды имеет не биологическое происхождение, а вызвана социальными факторами и отражает противоречия взаимодействия общества и природы, обострение которых связано с нерациональным природопользованием потребительским и порой хищническим отношением человека к природе, низким уровнем экологической культуры.

Однако общество, культура, человек в отношении к природе обладают не только разрушительным, но и созидательным потенциалом, способны преодолеть экологический кризис. В экологическом сознании человечества сегодня совершается важнейший переход. Прежде люди сами создавали экологические тупики и затем думали о том, как из них выбраться, как преодолеть созданную опасность жизни. Сегодня главные усилия должны быть направлены на выработку таких форм социальной активности, которые свели бы к абсолютному минимуму экологический риск, обеспечивали бы экологическую безопасность жизни. Как и для всего человечества, для России выход из экологического кризиса видится в переходе на модель устойчивого (не разрушающего, не истощающего и не загрязняющего природную среду) развития, которая рассматривается как единственная альтернатива безудержному экономическому росту, характерному для рыночной модели природопользования.

В современных условиях в развитых странах создаются научно обоснованные и экономически эффективные системы государственного, общественно-политического и экономического управления природопользованием и охраной окружающей среды. Во многих странах разрабатывается государственная экологическая политика на различных уровнях управления и обеспечивается централизованное финансирование природоохранной деятельности, возрастает роль научного сообщества в решении экологических проблем. Эти мероприятия могут быть осуществлены лишь на основе новой социальной и экономической политики, на экологическом воспитании и образовании, которые должны привести к изменению отношения человека к природе и его поведению в окружающей среде. В этом процессе особенно возрастает роль экологических знаний.

Оглавление
Биосфера и человек.
Введение
Биосфера. Основные понятия и определения.
Этапы эволюции биосферы
Строение биосферы
Биогеоценоз
Популяция
Общая характеристика экосистем
Экологические факторы
Экологическая ниша
Трофические цепи и сети
Круговорот вещества в экосистеме
Устойчивость экосистем
Энергетика и продуктивность экосистем
Нарушение круговоротов вещества в социоприродных экосистемах
Техногенные факторы деградации биосферы
Загрязнение окружающей среды
Классификация и источники загрязнения
Загрязнение атмосферного воздуха
Загрязнение водоемов
Загрязнение почвы
Радиационное загрязнение
Перенос и трансформация загрязнителей в биосфере
Качество жизни, здоровье и окружающая среда
Заболеваемость населения
Средняя продолжительность жизни человека
Нормирование качества окружающей среды
Влияние загрязнения окружающей среды на здоровье человека
Все страницы