О. О. Созінов (Інститут агроекології та біотехнології уаан)

Вид материала

Документы

Содержание Структура сучасної екології Кількість живої речовини. Основні властивості живої речовини Ш Біосфера та її межі. Простір нашої планети, в якому існує й «працює» жива речовина, називають біосферою Гпава 2 Біоекологія Перша фаза. Формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери. Виникнення геологічного кругообігу речовин. 57 Розділ І Сучасні підходи в науці про довкілля Глава 2

Подобный материал:

• О. О. Созінов (Інститут агроекології та біотехнології уаан), 10670.69kb.
• «Інститут харчової біотехнології та геноміки нан україни» Новітні технології біоенергоконверсії, 191.08kb.
• Технічний регламент, 1714.19kb.
• Конспект лекцій дисципліни «основи біотехнології рослин», 768.55kb.
• Щодо виконання науково-дослідних, 847.87kb.
• Державна установа „Інститут харчової біотехнології та геноміки Національної академії, 21.57kb.
• Національний технічний університет україни “київський політехнічний інститут” Факультет, 11.38kb.
• Опис модуля назва модуля, 15.02kb.
• Кропивко Максим Михайлович. Інвестиційне забезпечення селянських (фермерських) господарств:, 154.06kb.
• Текст роботи: інститут аграрної економіки української академії аграрних наук сук петро, 536.56kb.

_г

Розділ І Сучасні підходи в науці про довкілля

Г па в а 1

Людство в навколишньому середовищі





_І

на екологія (моделювання екологічних процесів, обробка ін­формації та кількісний аналіз), що входять до складу загальної екології.

Ми також дотримуємося думки, що загальну екологію слід відділити від низки прикладних екологічних наук як теоретичну, але з умовою, що основу її становить біоекологія з усім колом сучасних проблем.

Біоекологія вивчає найзагальніші закономірності взаємо­відносин організмів та їх угруповань із зовнішнім середовищем у природних умовах, формує уявлення про екологію як економіку природи на основі вивчення потоків речовини, енергії та інфор­мації в життєдіяльності організмів, їх груп та біологічних систем. Вона є материнським субстратом і головною складовою сучасної екології.

У зв'язку з розширенням людської діяльності й посиленням її негативних впливів на природу останніми десятиліттями активно розвиваються різні напрями в сфері прикладної екології. Цих напрямів набагато більше, ніж у блоці класичних біоеко-логічних наук. Прикладна екологія вивчає механізми руйнування біосфери, розробляє методи запобігання йому й способи раціонального природокористування.

Прикладна екологія складається з трьох основних блоків — геоекологічного, техноекологічного й соціоекологічного — кожен з яких, відповідно до диференціації галузевих напрямів, має де­сятки відгалужень.

Геоекологія вивчає специфіку взаємовідносин організмів і середовища їх існування в різних географічних зонах, на суходолі й в океані, в тундрі, тайзі й тропіках, у горах і пустелях тощо, дає екологічну характеристику різних географічних регіонів, облас­тей, районів, ландшафтів, розглядає екологічні наслідки ендо- й екзогенних геологічних процесів, видобування корисних копа­лин, здійснює екологічне картографування. [Нині є ще кілька означень геоекології (В. Боков, І. Черваньов, І. Дедю, В. Некое), які не збігаються, але за суттю близькі до наведеного тут.]

Техноекологія — найбільший блок прикладних еколо­гічних напрямів (відповідно дисциплін), пов'язаних із такими об'єктами людської діяльності, як енергетика, промисловість, сільське господарство, транспорт, військова справа, наука, кос­мос. Вона визначає обсяги, механізми й наслідки впливів на довкілля та здоров'я людини різних галузей і об'єктів, особли-

50

вості використання ними природних ресурсів, розробляє регла­ментації природокористування й технічні засоби охорони при­роди, опікується проблемами утилізації відходів виробництва та відтворення зруйнованих екосистем, екологізацією виробництв.

Соціальна екологія досліджує специфічну роль людини в довкіллі не як біологічного виду, а як соціальної істоти, відмінності цієї ролі від функції інших живих істот, вивчає шляхи оптимізації взаємовідносин людського суспільства з природою, формує екологічну свідомість, екологічну культуру за допомогою нових методів і підходів екологічної освіти та виховання, форму­лює закони про екологічне природокористування, принципи й критерії екологічного менеджменту, контролю й бізнесу, здій­снює соціально-екологічний моніторинг, закладає основи ло­кальної, регіональної та глобальної екологічної політики. Соціо-екологія тісно пов'язана з етнографією і соціологією.

Кожен із напрямів екологічних наук має свою специфіку, своє коло питань, що їх слід вирішувати, свої особливості екологічно­го моніторингу, свої методи й масштаби досліджень, контролю та менеджменту, але завдання в них одне: визначити характер за­бруднень довкілля, пов'язаних із тим чи іншим видом діяльності людини, обсяги цих забруднень, ступінь їхньої небезпечності, можливості нейтралізації завданої природі шкоди, а також шляхи оптимальної екологізації технологій, підвищення ефективності охорони природи, збереження й відновлення природних ресурсів.

Спеціалісти різних напрямів використовують матеріали до­сліджень один одного під час розробки своїх моделей і прогнозів стосовно природного середовища, природних ресурсів, урбаніза­ції, демографічних проблем.

Завершуються різнопланові екологічні дослідження узагаль­ненням усієї добутої інформації для розробки й реалізації планів та програм раціонального природокористування на локальному, регіональному й глобальному рівнях, створення наукових засад економіки природокористування, а також для формування регіональної і національної екологічної політики, укладання міжнародних угод, договорів у сфері природокористування, охо­рони довкілля та екологічної освіти, тобто визначення тактики й стратегії збалансованого розвитку людства, збереження біосфери й життя на Землі.

51


Розділ І Сучасні підходи в науці про довкілля




Контрольні запитання й завдання

1. Коли людина завдала першого удару
   по природі й у чому він полягав?
   
2. До яких наслідків для довкілля
   призвів активний розвиток земле­
   робства й скотарства?
   
3. У чому полягали особливості роз­
   витку глобальної екологічної кризи
   другої половини XX cm. ?
   
4. Назвіть головні причини розвитку
   глобальної екологічної кризи.
   
5. Які два «вибухи» стали причиною
   різкого погіршення екологічної та
   соціально-економічної ситуації на
   нашій планеті?
   
6. Яка роль урбанізації в розвитку
   цивілізації і біосфери?
   
7. Наведіть кілька прикладів на під­
   твердження факту наростання гло­
   бальної екологічної кризи.
   
8. Наведіть приклади спустелювання,
   деградаци ґрунтів і зникнення лісів
   на континентах, укажіть причини
   цього.
   
9. Що таке надзвичайні екологічні си­
   туації?
   

10. Як класифікують природні та ан­
    тропогенні катастрофи?
    
11. Які райони України належать до
    сейсмічно небезпечних?
    

12. Укажіть екологічні наслідки військо­
    вої діяльності та воєн.
    
13. Які промислові об'єкти належать до
    екологічно небезпечних?
    
14. Які наслідки іригаційних робіт для
    довкілля?
    
15. До чого призводить будівництво на
    великих річках гребель і водосховищ?
    
16. У чому проявляється криза людсько­
    го духу в наш час?
    
17. Якою має бути поведінка людини в
    довкіллі, аби не деградувала біо­
    сфера?
    
18. Розтлумачте поняття «екологічна
    культура».
    
19. Які основні принципи нової — еко­
    логічної— філософи?
    
20. Що означає термін «екостійкий роз­
    виток»?
    
21. Які основні відмінності старої й
    нової філософи життя ?
    
22. Які предмет і завдання сучасної
    екологи?
    
23. Опишіть структуру сучасної еко­
    логії.
    
24. У чому полягає мета соціально-
    екологічних досліджень?
    

БІОЕКОЛОГІЯ

Біосфера та людина, а не людина та біосфера.

М. В. Тимофєєв-Ресовський,

видатний

російський

генетик

§ 2.1. І Загальне уявлення про біосферу

На земній поверхні немає хімічної сили, могутнішої за своїми кінцевими наслідками, ніж живі організми, взяті в цілому.

В. І. Вернадський,

основоположник біогеохімії, радіогеології, творець учень про біосферу та ноосферу, перший президент Академії наук України

речовина. Що принципово відрізняє нашу планету від будь-якої іншої планети Сонячної системи? Наявність життя. «Якби на Землі не було життя, — писав академік В. І. Вернадський, — обличчя її було б так само незмінним і хімічно інертним, як нерухоме обличчя Місяця, як інертні уламки небесних світил». Життя на Землі реалізується у формі живої речовини, яку часто називають також біотою. Поняття «жива речовина» ввів у науку В. І. Вернадський і розумів під ним сукупність усіх живих організмів планети. Образно кажучи, всі організми — від бактерій, що потрапили на цю сторінку, до останнього дерева й тварини, до автора й читача цих рядків — становлять живу речовину. Вона виконує над-

53

Розділ

Сучасні підходи в науці про довкілля

Глав а 2

Біоекологія


звичайно важливу роль у процесах, що відбуваються в усіх сферах Землі.

Функції живої речовини. Жива речовина протидіє хаосові та ентропії. Використовуючи прямо й непрямо сонячну енергію, жива речовина створює з простих, бідних на енергію молекул, передусім води й вуглекислого газу, складніші й енергетично впорядкованіші сполуки — вуглеводи, білки, жири, нуклеїнові кислоти та інші — або переробляє їх. Жива речовина концентрує хімічні елементи, перерозподіляє їх у земній корі, руйнує й агрегує неживу матерію, окиснює, відновлює й перерозподіляє хімічні сполуки. «Можна без перебільшення стверджувати, що хімічний стан зовнішньої кори нашої планети, біосфери, цілком перебуває під впливом життя, визначається живими організ­мами», — писав В. І. Вернадський.

♦ Наприклад, бактерії однієї з груп — залізобактерії — дістають необхідну для життя енергію за рахунок окиснення двовалентного заліза до тривалентного. При цьому в процесі утворення 1 г біомаси цих бактерій відбувається окиснення до 500 г солей двовалентного заліза. Кінцеві продукти — солі тривалентного заліза — відкладаються навколо бактеріальної клітини й утворюють так звану болотну руду. Саме з болотної руди за часів Київської Русі виплавляли чавун.

На прикладі залізобактерій ми простежуємо кілька функцій живої речовини: • окиснення; • концентрація; • перерозподіл хімічних елементів.

^ Кількість живої речовини. Суха маса живої речовини оціню­ється в 2—3 трлн т — приблизно в мільярд разів менше за масу Землі. Проте жива речовина відрізняється від неживої надзвичай­но високою активністю, зокрема дуже швидким кругообігом речовин. Уся жива маса біосфери оновлюється за 33 дні, а фітомаса, тобто маса рослин, — щодня. Життєдіяльність тварин, рослин і мікроорганізмів супроводжується безперервним обміном речовин між біотою та зовнішнім середовищем, унаслідок чого всі атоми земної кори, атмосфери й гідросфери протягом історії Землі багаторазово входили до складу живих організмів. Образно кажучи, ми п'ємо воду, що колись входила до складу тканин юрських папоротей і кембрійських трилобітів, і дихаємо по­вітрям, яким дихали не лише наші далекі предки, а й динозаври.

^ Основні властивості живої речовини: • високоорганізована внутрішня структура;

54

• здатність уловлювати із зовнішнього середовища й трансфор­
  мувати речовини та енергію, забезпечуючи ними процеси своєї
  життєдіяльності;
  
• здатність підтримувати сталість власного внутрішнього середо­
  вища, незважаючи на коливання умов середовища зовнішнього,
  якщо ці коливання сумісні з життям;
  
• здатність до самовідтворення шляхом розмноження.
  

Жива речовина існує у формі конкретних живих одиниць — організмів (індивідів), які, своєю чергою, групуються в більш або менш дискретні одиниці існування матерії — види.

Кожен організм має свою програму розвитку й діяльності, записану у вигляді певної сукупності генів, — генотип. Ця про­грама реалізується в характерних, притаманних лише даному організмові зовнішньому вигляді, фізіологічних і біохімічних властивостях, у поведінці. Сукупність усіх ознак та властивостей, шо визначаються генотипом, називається фенотипом. За рахунок фенотипу організм оптимальною мірою пристосовується до зовнішнього середовища, перебуває з ним у найбільш гармоній­них відносинах. Організми одного виду мають досить схожі, хоча й не ідентичні генотипи й фенотипи. Сукупність генотипів усіх видів нашої планети становить її генофонд (це майже синонім терміна «видова різноманітність»). Отже, втрата будь-якого виду призводить до зменшення видової різноманітності й порушує гармонію у взаємовідносинах живої та неживої речовин.

^ Ш Біосфера та її межі. Простір нашої планети, в якому існує й «працює» жива речовина, називають біосферою (від грец. біос — життя та сфера — куля). Перші уявлення про біосферу як «зону життя» дав відомий французький природознавець Ж.-Б. Ламарк, а термін «біосфера» ввів у науку австрійський геолог Е. Зюсс (1875 p.). Проте цілісне вчення про біосферу створив наш видатний співвітчизник, засновник і перший президент Академії наук України В. І. Вернадський.

Біосфера охоплює три геологічні сфери — частини атмосфери й літосфери та всю гідросферу. Межі біосфери визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини.

Верхня межа біосфери в атмосфері, надумку одних учених, проходить на висоті вершин Гімалаїв (10 км над рівнем моря), на думку інших, — досягає нижніх шарів стратосфери (30 км), де ще трапляються в досить великій кількості спори й

55

Розділ І Сучасні підходи в науці про довкілля

^ Гпава 2

Біоекологія


навіть клітини бактерій, грибів і деяких водоростей, що активно вегетують. Іноді верхньою межею біосфери вважають озоновий шар (25—30 км над поверхнею планети), вище від якого живе зазвичай гине під дією космічних випромінювань.

Межа біосфери в літосфері також чітко не окреслена. Починаючи з глибин 0,5—2 м від земної поверхні кількість живої речовини зменшується в логарифмічній послідовності. На глибинах понад 10 м породи, як правило, вже стерильні. Та навіть у товщі стерильної породи іноді трапляються острівці життя. Найбільші глибини, де знайдено живу речовину, — 2—3 км. У нафтових родовищах на цих глибинах виявлено свою, «нафтову», мікрофлору. Нафта залягає також і на значно більших глибинах — до 5—7 км. Припускають, що й у таких глибинних родовищах можна знайти «нафтові» бактерії. Деякі дослідники нижньою межею біосфери вважають глибини, на яких темпе­ратура літосфери починає перевищувати 100 °С: близько 10 км на рівнинах і 7—8 км у горах.

Межі біосфери в гідросфері окреслені чітко: біосфера охоплює всю гідросферу, в тому числі найбільші океанічні западини до 11 км, де існує значна кількість глибоководних видів.

У цілому екологічний діапазон поширення живої речовини досить великий.

• У 1977 р. в океані на глибині кількох кілометрів було
  знайдено гарячі вулканічні зони, в яких за температури 350 °С
  існують численні термофільні бактерії (вода там не кипить через
  високий тиск і велику концентрацію солей).
  
• В експериментах американського дослідника Р. Камерона
  синьозелені водорості протягом кількох місяців не втрачали
  життєздатності в умовах, що відповідали марсіанським.
  
• Жива речовина не гине в рідкому азоті (на цій властивості
  грунтуються методи кріоконсервації всіляких живих організмів).
  
• Деякі види, наприклад ті ж таки синьозелені водорості, не
  гинуть під дією потужного іонізуючого випромінювання й
  оселяються в епіцентрі ядерного вибуху вже через кілька днів
  після його здійснення.
  
• Жива речовина здатна зберігатися навіть в умовах відкри­
  того Космосу. Так, третя експедиція американських астронавтів
  забула на Місяці телекамеру. Коли через півроку її повернули на
  Землю, на внутрішньому боці кришки було виявлено земні
  

56

бактерії, котрі без будь-яких шкідливих наслідків пережили тривале перебування за межами рідної планети.

Проте слід пам'ятати, що, незважаючи на свої великі потенційні можливості, «працює» жива речовина лише в межах біосфери.

§2.2. j Походження й еволюція біосфери

Довго-довго, весну й літо, творила Земля. Коли вона втомилася від цього пекучого щастя, тихими безмовними піснями підступила до неї осінь. У розкішний холодний танок сплела вона останні барви Землі, й безживно, але яскраво й смалко палали вони кілька тижнів... Адже життя на Землі почалося лише в найостанніший період її буття, коли достатньо знизилася температура, згустилися пари води й утворилися моря.

О. С. Серебровський,

російський біолог,

один з основоположників генетики

Біосфера має довгу й багато в чому драматичну історію, тісно пов'язану з еволюцією Землі. Еволюцію Землі можна умовно поділити на кілька фаз.

її ^ Перша фаза. Формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери. Виникнення геологічного кругообігу речовин. Згідно з найпоширенішою серед астрономів і астрофізиків гіпотезою, Всесвіт виник близько 20 млрд років тому внаслідок Великого вибуху. Потім утворилася наша Галактика (8 млрд років тому).

Близько 6 млрд років тому у віддаленій частині одного з рукавів Галактики розтягнута на трильйони кілометрів газо­пилова хмара під дією гравітаційних сил поступово ущільнилася й перетворилася на водневий диск, що повільно обертався. З його центральної частини утворилося Сонце, де за надзвичайно високих температури й тиску почалися реакції ядерного синтезу, в ході яких водень перетворювався на гелій і виділялася величезна кількість енергії. Периферичні залишки диска також

^ 57

Розділ І Сучасні підходи в науці про довкілля

Глава 2

Біоєкологія


І І

зближувалися під дією сил взаємного притягання, поступово ущільнювалися, доки не перетворилися на суцільні сфери — планети Сонця. Потім поверхні таких сфер тверднули, утво­рюючи первинну планетарну кору.

Первинна кора нашої планети — Землі — утворилася при­близно 4,6 млрд років тому. Відтоді на її поверхні осідали метеорити й космічний пил. Завдяки ізотопному аналізові таких метеоритних залишків (метеоритного свинцю) вдалося визначити час виникнення земної кори, тобто дату народження нашої планети. З тріщин тонкої кори неперервно вивергалася розжа­рена лава, а разом із нею — гази. Втримувані гравітаційними силами, ці гази утворили первинну атмосферу планети. Вона складалася з метану, аміаку, водяної пари, вуглекислого газу, сірководню, ціанистого водню й практично не містила кисню та озону.

Коли поверхня планети охолола, водяна пара почала конден­суватися в атмосфері й випадати першими дощами, розчинюючи численні мінерали земної кори. Поступово вода накопичувалася, утворюючи океани. На планеті сформувалася гідросфера. Цирку­ляція атмосферних мас, води й розчинених у ній мінералів, переміщення магматичних продуктів на поверхню планети й знову в її надра породили великий, або геологічний, кругообіг речовин. Закінчувалася перша фаза еволюції нашої планети.

Ш Друга фаза. Передбіологічна (хімічна) еволюція. Протя­гом цієї фази (4,6—3,8 млрд років тому) на Землі відбувалися процеси синтезу й накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя: амінокислот і простих пептидів, азотистих основ, простих вуглеводів. 'Ці сполуки, «цеглинки життя», виникли внаслідок процесів абіотичного синтезу.

Гіпотезу про можливість виникнення таких сполук абіотич­ним шляхом, тобто без участі живої речовини, висловив у 1923 р. російський біохімік, академік О. І. Опарін, а вперше експери­ментально перевірив у 1953 р. американський аспірант С. Міллер. У своїх дослідах С Міллер зімітував умови давньої Землі: в стерильний реактор він помістив водень, метан, аміак та воду, і крізь цю суміш пропускав електричні розряди, імітуючи блискав­ки в первинній атмосфері. За тиждень у реакторі було виявлено кілька амінокислот, деякі прості вуглеводи, інші органічні сполуки, які входять до складу живої речовини. Експерименти