close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Voronoy Sitnikova Ekologiya konspekt lekcij 2018

код для вставкиСкачать
КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
Вороной А.А., Ситникова С.В.
ЭКОЛОГИЯ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Самара – 2018
УДК 502/504/574
Вороной А.А., Ситникова С.В.
Экология. Конспект лекций. — Самара: ФГБОУ ВО ПГУТИ, 2018. –276 с.
(Учебное пособие).
Учебное пособие рассмотрено
и одобрено решением Методического совета ПГУТИ
протокол №54 от 8 мая 2018г.
Конспект лекций предназначен для организации самостоятельной
работы студентов и ознакомления их с глобальными экологическими
проблемами современности, вопросами взаимодействия живых организмов со средой обитания, с идентификацией негативных факторов
этого взаимодействия, с основами охраны окружающей среды. В конспекте рассматриваются вопросы не только общей, но и электромагнитной экологии, как наиболее важного направления для подготовки
специалистов в отрасли телекоммуникаций.
Учебное пособие предназначено для следующих направлений подготовки бакалавров:
09.03.01 – Информатика и вычислительная техника;
09.03.02 – Информационные системы и технологии;
09.03.03 – Прикладная информатика;
11.03.01 – Радиотехника;
11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи;
12.03.03 – Фотоника и оптоинформатика;
27.03.04 – Управление в технических системах;
27.03.05 – Инноватика.
Рецензент:
Секлетова Н.Н. – к.п.н., доцент кафедры ИСТ ФГБОУ ВО ПГУТИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Поволжский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
 Вороной А.А., Ситникова С.В. 2018
2
CОДЕРЖАНИЕ
Введение ..................................................................................................... 5
Лекция 1
Предмет и задачи экологии
Введение ............................................................................................ 7
1.1. Экологическое мировоззрение.................................................. 9
1.2. Глобальный экологический кризис ........................................ 12
1.3. Законы Коммонера................................................................... 24
Лекция 2
Вселенная как система
Введение .......................................................................................... 31
2.1. Понятие Вселенной .................................................................. 31
2.2. Принцип единства Вселенной................................................. 34
2.3. Принцип оптимальности ......................................................... 35
Лекция 3
Эволюция жизни на Земле
Введение .......................................................................................... 38
3.1. Принцип самоорганизации...................................................... 38
3.2. Теории появления жизни на земле ......................................... 40
Лекция 4
Планета как живой организм
Введение .......................................................................................... 45
4.1. Характерные черты эволюционного процесса ...................... 45
4.2. Единый организм планеты и его свойства ............................. 47
4.3. Гипотеза Гаи ............................................................................. 51
Лекция 5
Биосфера
Введение .......................................................................................... 56
5.1. Учение о биосфере В.И. Вернадского .................................... 57
5.2. Типы веществ, слагающих биосферу ..................................... 59
5.3. Устойчивость биосферы .......................................................... 66
Лекция 6
Движение вещества и энергии в биосфере
Введение .......................................................................................... 71
6.1. Круговорот веществ ................................................................. 73
6.2. Движение энергии в биосфере ................................................ 83
Лекция 7
Экология сообществ (синэкология)
Введение .......................................................................................... 96
7.1. Структура сообществ ............................................................... 97
7.2. Экологические ниши видов в сообществах ......................... 103
3
7.3. Продуктивность экосистем ................................................... 108
7.4. Экологические пирамиды...................................................... 112
7.5. Динамика экосистем ............................................................. 113
7.6. Стабильность и устойчивость экосистем ............................. 121
Лекция 8
Экология популяций (демэкология)
Введение ........................................................................................ 129
8.1. Статические показатели популяции .................................... 131
8.2. Динамические показатели популяции................................. 140
Лекция 9
Аутэкология. Факторы среды обитания
Введение ........................................................................................ 155
9.1. Абиотические факторы среды............................................... 158
9.2. Биотические факторы среды ................................................. 169
9.3. Адаптация к факторам среды................................................ 176
Лекция 10.
Электромагнитная экология.
Электромагнитное поле – как фактор окружающей среды
Введение ........................................................................................ 188
10.1. Электромагнитное загрязнение как частный случай
энергетического загрязнения ....................................................... 189
10.2. ЭМП – абиотический фактор .............................................. 194
10.3. Биологические эффекты, вызываемые ЭМП ..................... 197
10.4. Основные параметры ЭМП Характер воздействия ЭМП. 201
Лекция 11. Электромагнитная экология
Обеспечение электромагнитной безопасности
Введение ........................................................................................ 209
11.1. Нормирование ЭМП............................................................ 212
11.2. Методы и средства защиты от ЭМП................................... 222
11.3. Электромагнитная безопасность комплексов
технических средств ............................................................ 229
Заключение................................................................................... 240
Глоссарий...................................................................................... 243
Ответы на тестовые задания......................................................... 275
Список использованной литературы ........................................... 276
4
ВВЕДЕНИЕ
Конспект лекций по дисциплине «Экология» предназначен для студентов ПГУТИ. Конспект можно разделить на две части: «Общая экология», «Электромагнитная экология». Материал подобран на основе многолетнего опыта проведения лекционных занятий и в соответствии с
традициями сложившимися в университете. Лекции проводятся с применением современных информационно–образовательных технологий.
Проблемы экологической безопасности в постсоветской России в
последние годы резко обострились. Еще в январе 2008 года, В. В. Путин
обратил внимание членов совета безопасности РФ на крайне неудовлетворительное состояние экологической обстановки в стране. Он отметил
необходимость решать эти проблемы, не забывая и о решении задач экономики, а также ее устойчивом развитии. Экономическое развитие не
должно приводить к разрушению экологических систем и истощению
природных ресурсов, в которых нуждаются как настоящие, так и будущие поколения.
В последние годы проблемы экологии связаны во многом с недостаточностью финансирования мероприятий в области экологической
безопасности. Преобладает тенденция снижения параметров жизнедеятельности в государстве, которая приобрела угрожающий характер.
Также усугубляет экологические проблемы общемировая глобализация.
Глобальные экологические проблемы приобретают стратегический характер, перемещаясь в центр глобальной политики, что также стимулирует интерес к изучению вопросов защиты окружающей среды.
Задача изучения дисциплины «Экология» состоит в том, чтобы помочь студентам изменить свое отношение к родному краю, планете и, в
конечном итоге – все свое мировоззрение. Бесполезно говорить о безотходных производствах и о вложении денег в защиту природы, пока все
наши устремления направлены на личное обогащение.
Наиболее эффективно изучать экологические проблемы с позиций
системного подхода, который является новым этапом в развитии методов познания. В мире нет ничего изолированного, все многообразие как
живой, так и неживой природы неразрывно связано воедино. Наиболее
всеобъемлющей системой является Вселенная.
Существование жизни во Вселенной оказывается возможным лишь
благодаря данному нам «разрешению» на разрушение окружающей среды и рассеяние энергии. Человек, в принципе, не может жить не разрушая. Другое дело, в каких количествах мы можем разрушать. Природа
накладывает определенный «лимит» на разрушение.
В биосфере Земли как и во всей Вселенной все тесно взаимосвязано
и взаимообусловлено. В современной науке под биосферой понимают
5
глобальную экосистему, объединяющую в себе практически все вещество верхних слоев планеты, включая толщи осадочных пород литосферы,
вплоть до озонового слоя атмосферы.
В основу экологического мировоззрения должна быть положена
следующая аксиома – Земля есть небиологическое, но живое существо
космических масштабов. Видный американский эколог Б.Коммонер
обобщил системность в экологии в виде четырех законов. Основные
положения теории В.И. Вернадского, в принципе, можно вывести как
следствия из положений общей теории жизни. Но исторически именно
они были открыты первыми, причем в те времена это были очень смелые выводы, благодаря которым теория жизни вышла на новый, более
высокий уровень понимания природы как единого целого.
В части общей экологии предлагаемый курс базируется в первую
очередь на работах В.И. Вернадского и П.Тейяра де Шардена. В их трудах разработаны общетеоретические принципы нового мировоззрения,
позволяющего рассматривать феномен жизни как органичную составляющую глобального эволюционного процесса.
Раздел электромагнитной экологии посвящен вопросам воздействия
электромагнитных полей, излучаемых современными инфокоммуникационными средствами, на окружающую среду и человека. В его основу
вошли авторские работы профессора Сподобаева Ю.М. и профессора
Кубанова В.П. В связи с бурным развитием беспроводных средств инфокоммуникаций эти материалы остаются весьма актуальными и получают новый импульс для изучения специалистами в области инфокоммуникаций.
6
Лекция 1
ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ
Детализированные цели изучения раздела
– cформировать у студентов экологическое мировоззрение, представление о человеке как части природы, о единстве и самоценности
всего живого и невозможности выживания человечества без сохранения
биосферы;
– ознакомить студентов с глобальными экологическими проблемами современности;
– указать на двойственную роль человека в его влиянии на окружающую среду и отлаженные миллионами лет механизмы гомеостаза;
– представить сложившуюся ситуацию, ее причины, а также тот
объем проблем, которые, возможно, встанут перед человеком уже в
ближайшем будущем;
– указать на необходимость гармонизации отношений общества с
окружающей средой;
– сформировать способность оценки своей будущей профессиональной деятельности с точки зрения охраны биосферы.
ВВЕДЕНИЕ
Слово «экология» образовано от греческих слов: «ойкос» (дом) и
«логос» (знание, наука). Его ввел в 1866 году немецкий биолог Эрнст
Геккель. Буквально экология является наукой о доме, в котором мы
живем. Поэтому в зависимости от того, что мы считаем своим домом,
меняется смысл этого понятия (биосфера, континент, квартира и т.д.).
Экология – наука об отношениях живых организмов и образуемых
ими сообществ между собой и окружающей средой. Особое внимание
уделяется совокупности или характеру связей между организмами и
окружающей средой. Абсолютно изолированное развитие невозможно.
Любая природная система может развиваться только за счет использования материальных (вещество), энергетических (энергия Солнца, полезных ископаемых) и информационных возможностей окружающей
среды. Вещество, энергия и информация связаны настолько, что любое
изменение одного фактора вызывает функциональные, структурные и
количественные перемены всех систем и их иерархий.
Экология имеет также тенденцию к расширению своего предмета
в сторону изучения систем более высоких иерархических уровней.
Так, например, биосфера рассматривается как система, объединяющая
в себе все локальные экосистемы Земли. Некоторые специалисты всерьез заявляют, что не только верхняя оболочка планеты пронизана
жизнью, но вся планета, возможно, является грандиозным живым су7
ществом. Если это так, то мы должны в корне изменить не только свое
отношение к планете, которая нас породила, но и все свое мировоззрение. В этом состоит главная задача курса экологии.
Любая наука становится точной, когда удается сформулировать
необходимый минимум аксиом, законов, на которые она опирается.
Эти аксиомы со временем могут уточняться или отвергаться. Одна из
аксиом, которая может быть положена в основу курса экологии, следующая – Земля есть небиологическое, но живое существо космических масштабов.
Поэтому под «домом» в понятии экологии следует подразумевать
не столько ту нишу, которую занимает сейчас современный цивилизованный человек, которую можно назвать «техносферой», и даже не
Землю в целом, а всю Вселенную.
Это идет несколько в разрез с основной концепцией современной
экологии. Однако сейчас уже наблюдается существенный прогресс в
преодолении сложившегося у основной массы людей стереотипного
представления об экологии как науки, которая делает акцент на круге
задач, связанных с природоохранными мероприятиями. Этот стереотип необходимо преодолеть.
Современная экология вобрала в себя знания из самых разных наук от физики, химии, биологии до социологии, психологии и философии. В настоящее время экология представляет собой достаточно разветвленную науку.
В общей экологии выделяют:
– аутэкологию, изучающую взаимоотношения организмов с окружающей средой;
– демэкологию, изучающую структуру и динамику популяций отдельных видов;
– синэкологию, изучающую взаимодействие сообществ (биоценозов) со средой;
– глобальную экологию, изучающую биосферу в целом, как экосистему, охватывающую весь земной шар.
Экология классифицируется по конкретным объектам и средам
исследований (человека, животных, растений, насекомых, микроорганизмов, геоэкология, социальная, политическая и пр.), а также по сферам деятельности человека (космическая, промышленная, сельско–
хозяйственная, медицинская, химическая, радиационная, электромагнитная и пр.).
Специфика современной экологии состоит именно в том, что она
вышла далеко за пределы чисто биологической науки.
8
1.1. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ МИРОВОЗЗРЕНИЕ
Цивилизация на нашей планете неразрывно связана с природными
условиями. Она возникла тогда, когда человек научился использовать
огонь и другие средства и орудия, позволяющие ему изменять среду
обитания. На протяжении тысячелетий человек пытался покорить природу, но только недавно осознал, что Земля – не более чем космический корабль с ограниченными ресурсами. Нерачительное их использование и загрязнение окружающей среды могут сделать невозможной
жизнь последующих поколений. Появившись на планете, человек на
всех стадиях развития влиял на среду обитания, сначала как просто
биологический вид, затем как охотник, имеющий специальное орудие,
позволяющее уже в эпоху великих оледенений воздействовать на видовой и численный состав животных. Выжигая леса, собирая съедобные виды растений, он влиял на природу через усиление естественно
идущих процессов и формирование антропогенных ландшафтов. Развитие земледелия, скотоводства привело к росту общин и возникновению первых крупных поселений, способствовала прогрессу в изготовлении орудий труда. Происходившие в результате хозяйственной деятельности изменения природных условий тогда еще не были велики и
носили локальный характер. Тем не менее, они вели к эрозии почв, их
засолению, опустыниванию, а, в конечном итоге, к региональным экологическим кризисам и исчезновению цивилизаций их создавших.
Создавая первые города человек ещё неосознанно понимал необходимость соблюдения определенных санитарных норм. Первая из известных сегодня систем городской канализации появилась в III–II тысячелетиях до н. э.. в Индии, в Риме был построен водопровод, действовала система канализации. После падения Римской империи в 400–ых
годах н. э. в городах государств, образовавшихся на ее развалинах,
вплоть до XIII–XIV веков царила антисанитария, ибо необходимые
знания были утрачены. Техническая революция, начавшаяся в конце
XVIII в., привела к тому, что последствия деятельности человека стали
сопоставимы с природными явлениями.
Экологический кризис, в состоянии которого находится наша планета, является следствием не только роста населения, но и кризиса
сознания. Так, если в XVIII–XIX вв. и ранее в сознании человечества
преобладало понятие долга (нравственного, государственного, религиозного, семейного), то в настоящее время большое распространение
получили идеалы потребления, комфортабельной, приятной жизни.
Человечество на этом пути не достигло счастья, однако потеряло способность жить в ладу с природой и самим собой.
Рассмотрим основные виды сложившихся экомировоззрений.
9
Типы общественного экологического сознания
Антропоцентризм
Экоцентризм
1. Человек и его благополучие –
высшая ценность. Лишь он самоценен, все остальное в природе
ценно лишь постольку, поскольку
оно может быть полезно человеку.
Природа – собственность человечества.
1.Гармоническое развитие человека и природы – высшая ценность. Интересы человека и природы взаимосвязаны и взаимозависимы. Человек — не собственник природы, а один из членов
природного сообщества.
2. Иерархичность мира. На верши- 2.Отказ от иерархичности мира.
не пирамиды стоит человек, не- Человечество – подсистема общей
сколько ниже — вещи, созданные глобальной экосистемы.
человеком и для человека, еще ниже располагаются различные объекты природы
3. Целью взаимодействия с природой является удовлетворение потребностей, т. е. получение определенного «полезного продукта».
Сущность его выражается словом
«использование».
3. Целью взаимодействия с природой является удовлетворение
как потребностей человека, с учетом потребностей всего природного сообщества. Приоритет охраны природы над ее использованием.
4. «Прагматический императив»
природопользования: правильно и
разрешено то, что полезно человеку и человечеству.
4. «Экологический императив»
природопользования: правильно и
разрешено только то, что не нарушает динамическое равновесие
(гомеостаз) природных систем.
5. Этические нормы и правила действуют только в мире людей и не
распространяются на взаимодействие с миром природы.
5. Этические нормы и правила
равным образом распространяются как на взаимодействие между
людьми, так и на взаимодействие
с миром природы.
6. Развитие природы должен быть 6. Развитие природы и человека –
подчинено процессу развития че- взаимосвязанный и взаимозавиловека.
симый процесс, управляемый едиными системными закономерностями.
10
Выбор между этими двумя подходами или компромисс между ними во многом определяет стратегию дальнейшего развития человеческого общества.
Указом Президента РФ «О государственной стратегии Российской
Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого
развития» (1997) в качестве одного из важнейших направлений государственной политики в области экологии намечено развитие экологического образования и воспитания. Экологическое образование в современных условиях призвано способствовать формированию у людей
нового экологического сознания, помогать им в усвоении таких ценностей, профессиональных знаний и навыков, которые содействовали бы
выходу России из экологического кризиса и движению общества по
пути устойчивого развития.
Под словосочетанием «новое экологическое сознание» понимается
экоцентричесий тип мировоззрения людей, который должен вытеснить
сложившийся в течении многих лет антропоцентрический тип.
Осознание человечеством экологических проблем планеты ознаменовалось разработкой целого ряда документов: Программы ООН по
окружающей среде (ЮНЕП) в 1972 году, принятием Всемирной стратегии охраны природы (1980) и ее второй редакции – «Забота о планете Земля – Стратегия устойчивой жизни» (1991), в которых подчеркивается, что развитие на планете должно базироваться на сохранении
живой природы. На Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио–де–Жанейро, 1992) родилась «Концепция устойчивого развития», которая подразумевает обеспечение возможности удовлетворения потребностей ныне живущих поколений людей без угрозы возможности удовлетворять таковые для будущих поколений. «Концепцией перехода Российской Федерации к устойчивому развитию»
(1996) и «Государственной стратегией устойчивого развития Российской Федерации» (1997) Россия поддержала идею сохранения благоприятной окружающей среды и природно–ресурсного потенциала. Последующие документы – «Экологическая доктрина» (2002), закон РФ
«Об охране окружающей среды» (2002), «Основы государственной
политики в области экологического развития Российской Федерации
на период до 2030 года» (2012) подчеркивают важность непрерывного
экологического образования и воспитания, его всеобщность и комплексность.
В этих документах под словосочетанием «устойчивое развитие»
понимается процесс экономических и социальных изменений, при котором использование природных ресурсов, деятельность экономики,
нацеленность развития науки и техники, развитие личности и измене11
ния управления обществом согласованы друг с другом и укрепляют
существующий и будущий потенциал для улучшения качества жизни
людей и всего человечества, не приводят к деградационным изменениям окружающей среды». Переход к устойчивому развитию предполагает постепенное восстановление естественных экосистем до уровня, гарантирующего стабильность окружающей среды.
Однако переход к устойчивому развитию осуществить нельзя, сохраняя нынешние стереотипы мышления, пренебрегающие возможностями биосферы и порождающие безответственное отношение граждан и юридических лиц к окружающей среде и обеспечению экологической безопасности.
19 апреля 2017 г. вышел указ Президента РФ от № 176 «О Стратегии экологической безопасности Российской Федерации на период до
2025 года» (обозначим этот документ – СЭБ РФ). В ней обозначены
основные вызовы и угрозы экологической безопасности, определены
цели, задачи и механизмы реализации госполитики в данной сфере.
1.2. ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС
Глобальный экологический кризис – это нарушение механизмов
саморегуляции и самовоспроизводства природных систем в результате
все возрастающего техногенного воздействия человека на природу.
Глобальная экологическая катастрофа – происшествие, которое
возможно в случае превышения допустимого предела воздействия на
биосферу, способна уничтожить большую часть жизни на планете.
Существует целый ряд экологических катастроф, порождаемых чисто
природными явлениями.
Рассмотрим основные признаки экологического кризиса.
1. Нарушение устойчивого климата в результате:
а) изменения альбедо планеты (отражающая способность снега
90%, земли 40%, чернозема 8%; снижение альбедо нагревает планету.
Изменение альбедо всего на 1% дает радиационный эффект 3,4 Вт/м2,
сопоставимый с эффектом удвоения СО2).
б) нарушение континентального влагооборота (вырубка лесов ведет к уменьшению дождей локального характера, которая, в свою очередь, ведет к уменьшению транспирации, что уменьшает вклад в формирование облаков, дожди проходят реже и носят циклонический характер; происходит повышение средней температуры планеты, усиление парникового эффекта, повышение концентрации парниковых газов
+ интенсивная деятельность человека приводит к наводнениям, подъему уровня воды, что в свою очередь ведет к росту аномальных метео12
Рис.1.1 Доли отдельных источников в общем потоке метана в атмосферу
рологических явлений, неустойчивости и глобальным изменениям
климата, нарушению солнечного спектра, опустыниванию, смещению
географических зон, распространению на новые территории опасных
болезней).
в) рост концентрации в атмосфере парниковых газов. К газам,
вызывающим парниковый эффект в атмосфере относят: углекислый
газ – СО2, метан (СН4), закись азота (N2О), тропосферный озон (О3) и
водяной пар (H2O).
CO2 – является наиболее важным по влиянию на климат парниковым газом. В докладе МГЭИК отмечается беспрецедентный по скорости рост концентрации CO2 в атмосфере за последние 250 лет. После
1750 г. концентрация CO2 увеличилась на 35%. Этот газ служит «пищей» для растений, в результате объем биомассы Земли должен был
значительно вырасти, но этого не произошло, отсутствие такой реакции – грозный синдром! Возможно, биосфера утратила способность
компенсировать происходящие возмущения, под воздействием которых она может перейти в новое состояние, непригодное для существования человека.
13
СН4– второй по значимости парниковый газ. Его концентрация
увеличилась с 1750 в 2.5 раза. На рис.1.1 приведены доли естественных и антропогенных источников в общем потоке метана в атмосферу.
г) рост концентрации в атмосфере озоноразрушающих газов.
Озоновый слой – это фильтр, защищающий землю от космической радиации. Не будь озона, ультрафиолетовое излучение Солнца и
космическая радиация беспрепятственно попадали бы на Землю. Это
нарушило бы процесс образования живых клеток, жизнь на Земле стала бы невозможной. Различают несколько циклов разрушения озона
– хлорный (нобелевская премия 1995 г. Фрэнк Роуленд, Мáрио
Моли=на, Пауль Крутцен) – под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца хлорфторуглероды (фреоны) выделяют атомы хлора.
В результате химических реакций эти атомы, сохраняясь сами, расщепляют атомы озона;
– водородный (диссертация В. Сывороткина, 2002 – все большие
озоновые дыры находятся в местах разломов в земной коре с выделением водорода);
– азотный и пр.
Напомним, что озон – ядовитый газ, по токсичности превосходит
угарный газ. В озоне гибнут бактерии, грибы, вирусы, он обладает стерилизующим действием, применяется для очистки воды (процесс озонирования). Высокая концентрация озона в воздухе вызывает поражение глаз, кашель, головные боли, нарушение дыхания.
2. Превращение возобновляемых природных ресурсов
в невозобновляемые
Напомним, что воздух, вода, почва, растения и животные относятся к возобновляемым ресурсам. Согласно СЭБ РФ к внутренним вызовам экологической безопасности относят:
а) загрязнение атмосферного воздуха и водных объектов вследствие трансграничного переноса загрязняющих, в том числе токсичных и
радиоактивных, веществ с территорий других государств; Согласно
данным в городах с высоким и очень высоким уровнем загрязнения
воздуха проживает 17,1 млн. человек, что составляет 17% городского
населения страны;
б) высокую степень загрязнения и низкое качество воды значительной части водных объектов, деградацию экосистем малых рек,
техногенное загрязнение подземных вод в районах размещения крупных промышленных предприятий; 19% сточных вод сбрасывается в
водные объекты без очистки, 70% – недостаточно очищенными и только 11%– очищенными до установленных нормативов допустимых
14
сбросов. Накопленные в донных отложениях загрязняющие вещества
приводят к деградации водных экосистем и к тому, что от 30 до 40 %
населения страны регулярно пользуются водой, не соответствующей
гигиеническим нормативам;
в) усиление деградации земель и почв, сокращение количества видов растений; Основными негативными процессами, приводящими к
деградации земель, почв, изменению среды обитания растений, животных и других организмов, являются водная и ветровая эрозия, заболачивание, подтопление земель, переувлажнение, засоление, осолонцевание и ацидификация почв. Опустынивание земель в той или иной
мере наблюдается в 27 субъектах РФ на территории площадью более
100 млн. гектаров.
3. Исчезновение биологических видов
Биологическое разнообразие
Видовое
Разнообразие экосистем
(количество видов и их
встречаемость на конкретной
территории)
(кол-во разных типов местообитаний,
биотических сообществ и
экологических процессов в биосфере)
Генетическое
(внутри одного вида)
Рис.1.2
Все перечисленные на рис.1.2 типы биологического разнообразия
тесно связаны между собой, поэтому биоразнообразие относится к
наиболее объективным факторам оценки состояния окружающей
среды и устойчивости экосистем.
Снижение биоразнообразия приводит к разрушению экологических связей и деградации природных сообществ и, в конечном счете, к
их уничтожению.
Деятельность человека привела к сокращению площадей, занятых
дикой природой, к отравлению среды обитания животных и птиц. За
50 лет на треть сократился список видов растений и животных на планете. В Европе за последние 20 лет исчезло около 17 тысяч видов.
Средиземное море лишилось своей флоры и фауны почти на треть. С
1970 года численность диких животных и птиц на планете сократилась
на 25–30%. Каждый год человек уничтожает около 1% всех животных.
15
Причины снижения биологического разнообразия:
– уничтожение природных сообществ (вырубка лесов, распашка
степей, осушение болот, строительство дорог и городов);
– изменение природных сообществ (создание агроценозов, гибель
особей, сокращение численности популяций, выпадение одних видов
приводит к вспышке роста численности других, разрушаются межвидовые отношения «хищник–жертва», «опылитель – опыляемые» и симбиотические связи; изменяется структура популяции, т.е. число самцов
и самок, при этом затрудняется поиск брачных партнеров; нарушаются
циклы размножения; уменьшается число детенышей в помете; наблюдается рост смертности новорожденных; нарушается онтогенез организмов; загрязняющие вещества вызывают нарушения функции половых желез, что приводит к сокращению сроков жизни, а действуя на
эмбрионы – приводят к уродствам и аномалиям развития);
– нерегламентированные охота и рыбалка;
– интродукция несвойственных данной местности организмов (перенос за пределы естественного ареала и приспособление к новым условиям).
Последствия:
– сокращения видового разнообразия;
– нарушение экологического равновесия;
– глобальные изменения в биосфере.
4. Отходы
Согласно СЭБ РФ одной из экологических угроз отмечается – увеличение объема образования отходов производства и потребления при
низком уровне их утилизации; свыше 30 млрд. тонн отходов производства и потребления накоплено в результате прошлой хозяйственной и
иной деятельности. По итогам инвентаризации территорий выявлено
340 объектов накопленного вреда окружающей среде, являющихся
источником потенциальной угрозы жизни и здоровью 17 млн. человек.
Ежегодно образуется примерно 4 млрд. тонн отходов производства и
потребления, из которых 55–60 млн. тонн составляют твердые коммунальные отходы. Увеличивается количество отходов, которые не вовлекаются во вторичный хозяйственный оборот, а размещаются на
полигонах и свалках, что приводит к выводу продуктивных сельскохозяйственных угодий из оборота. Около 15 тыс. санкционированных
объектов размещения отходов занимают территорию общей площадью
примерно 4 млн. гектаров, и эта территория ежегодно увеличивается
на 300–400 тыс. гектаров.
16
Рис. 1.3. Основные технологические решения по управлению отходами
Основные задачи в области обеспечения экологической безопасности в этом направлении:
а) внедрение инновационных и экологически чистых технологий,
развитие экологически безопасных производств;
б) развитие системы эффективного обращения с отходами производства и потребления, создание индустрии утилизации, в том числе
повторного применения таких отходов;
в) повышение эффективности осуществления контроля в области
обращения радиационно, химически и биологически опасных отходов;
г) строительство и модернизация очистных сооружений, а также
внедрение технологий, направленных на снижение объема или массы
выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух и сбросов загрязняющих веществ в водные объекты;
17
д) ликвидация негативных последствий воздействия антропогенных факторов на окружающую среду, а также реабилитация территорий и акваторий, загрязненных в результате хозяйственной и иной деятельности;
е) сокращение площади земель, нарушенных в результате хозяйственной и иной деятельности.
5. Распад генетических программ человека
В каждом поколении 50% людей гибнут и или не оставляют потомство: 10% браков оказываются бесплодными, у 10% новорожденных наблюдаются отклонения в развитии, 20% беременностей прерывается абортами, 10% гибнут на ранних стадиях плода. Агрессивные
экологические факторы (радиоактивность, химическое загрязнение,
электромагнитные поля) воздействуют на клетки, повреждают хромосомы, вызывают мутации в генах, искажают наследственную информацию. Глубокие изменения биосферы происходит стремительнее, чем
темпы эволюции живых организмов. Поэтому в отложенном тысячелетиями механизме взаимоотношений среды и организма, связанных с
уровнем защитных функций, возникает дисбаланс. Удвоение объема
естественных мутации недопустимо для человечества, так как через
два–три поколения может привести к вырождению человека как биологического вида, его физической и умственной деградации.
6. Экспоненциальный рост численности населения
Рис. 1.4 – Динамика численности населения
18
Хотя экология как самостоятельная научная дисциплина возникла
около ста лет назад, на нее смотрели как на одно из специфических
подразделений биологии. Курсы экологии имелись только в программе
подготовки биологов. Положение резко изменилось в течение двух лет
с 1968 по 1970 годы.
В апреле 1968 года был создан «Римский клуб» – группа в 30 человек из 10 стран собралась в Риме по инициативе итальянского специалиста в области управления промышленностью, экономиста доктора Артура Печчеи. В эту группу входили ученые–естественники, математики, экономисты, социологи, промышленники и другие специалисты. Их целью было обсудить проблемы, стоящие перед человечеством. Была заказана серия докладов под общим названием «Затруднения человечества».
Первый доклад «Пределы роста» был опубликован в 1972 году. В
написании доклада принимали участие Донелла Медоуз, Денниc Медоуз, Йорген Рандерс и Уильям Беренс III. Так как ресурсы Земли ограничены, то авторы поставили своей целью определить пределы экономического и демографического роста человеческой цивилизации в
условиях постепенно истощающихся природных ресурсов. Основной
целью создания модели было математически рассчитать, какие сценарии поведения будут наиболее характерными для мировой системы
при её приближении к пределам роста, а также найти наиболее оптимальные (устойчивые) сценарии развития человечества.
В книге 1972 г. авторы представили 12 сценариев развития человечества, включая базовую модель («Если не предпринимать ничего»).
Из двенадцати рассмотренных сценариев, пять (в том числе базовый)
приводили к пику населения Земли на уровне 10—12 млрд. человек с
последующим катастрофическим обвалом популяции до 1–3 млрд. при
резком снижении уровня жизни. Ни один из сценариев не приводил к
«концу цивилизации» или «вымиранию человечества». По расчётам,
снижение среднего уровня жизни может начаться с 2020–х годов,
вследствие превышения экологических и экономических пределов
роста населения и промышленного производства, исчерпания легкодоступных запасов невозобновляемых ресурсов, деградации сельхозугодий, прогрессирующего социального неравенства и роста цен на ресурсы и продовольствие в развивающихся странах. Авторы подчёркивали, что для реализации каждого из 7 благоприятных сценариев требуются не столько технологические прорывы, сколько политические.
В 1993 году Донелла Медоуз, Йорген Рандерс и Деннис Медоуз
опубликовали книгу под названием «За пределами роста», которая
содержала корректировку сценариев первоначальной модели на основе
19
20–летних данных с момента опубликования первого доклада. К началу 1990–х годов только Китайская Народная Республика проводила
сознательную политику ограничения рождаемости, приблизительно
соответствующую сценарию 8. В остальных странах, в том числе беднейших, меры по ограничению рождаемости были малоэффективны
или не предпринимались вовсе.
Последняя обновленная версия доклада была опубликована в виде
книги в 2004 году под названием «Пределы роста: 30 лет спустя». Указано, что с 1950 по 2000 годы годовое потребление человечеством ископаемых энергоресурсов выросло примерно в 10 раз (нефти — в 7, а
природного газа — в 14 раз), при том, что население планеты за этот
же период выросло в 2,5 раза. По мнению группы Медоуза, с 1990–х
годов человечество уже превысило пределы самоподдержания экосистем Земли. Благоприятные сценарии модели 1972 года (с высоким
или средним уровнем потребления) стали недостижимы, так как численность населения мира в 2000 году (6 млрд.), потребление природных ресурсов и разрушение окружающей среды соответствовали наиболее неблагоприятному (базовому) сценарию. Время на реализацию
благоприятных сценариев было упущено. Медоуз приходит к выводу,
что если в ближайшее время не произвести «серьёзную коррекцию»
потребления человечеством природных ресурсов, то коллапс человечества в той или иной форме (социально–экономической, экологической, в виде множества локальных конфликтов) будет неизбежен, и
«наступит он ещё при жизни нынешнего поколения».
Роль растущей численности населения особенно наглядно проявляется в том, что она является основным фактором, определяющим
необходимость увеличения производства продовольствия и непомерно
увеличивающим экологическую нагрузку на водные и лесные ресурсы,
на почву и атмосферу в результате сельскохозяйственной деятельности. В условиях земли при существующем отношении человека к природе длительно и устойчиво могут существовать 1–2 млрд. людей.
Превышение этой цифры возможно за счёт использования человеком
накопленных землею и быстро иcчерпаемых ресурсов (ежедневно на
Земле добывается 89 миллионов баррелей нефти, за год человечество
сжигает такое количество топлива, которое аккумулируется Землёй в
течение более миллиона лет). Человечеству может не хватить времени
для решения этой проблемы.
Притом, что сейчас наблюдается демографический взрыв, все прогнозы говорят об ожидаемом демографическом коллапсе – резком
снижении численности населения. Рассмотрим возможные причины
демографического коллапса:
20
–голод, вызванный сокращением пищевых ресурсов, т.е. если
число умирающих от голода возрастет на порядок, рост численности
остановится;
– возникновение эпидемий и пандемий (ослабляется здоровье, выносливость, иммунитет; возрастает смертность, плодовитость и численность населения уменьшается);
–остающаяся реальная угроза ядерной войны (экосистемы в этом
случае подвергнуться масштабному воздействию радиации и токсических химических веществ, что приведет к структурно функциональным нарушением биосферы);
–политический вариант: страны сознательно вводят ограничение
рождаемости и постоянно сокращают численность населения;
– у людей начинают действовать естественные биологические механизмы саморегуляции численности. В условиях высокой плотности
населения растёт агрессивность, подавленное состояние, сопровождающееся стрессами, неврозами (такие как булимия, анорексия, ожирение, алкоголизм, наркомания, игромания и прочие тенденции к самоуничтожению);
–рост числа крупных городов, являющихся демографическими
«черными дырами»;
– рост числа эмансипированных женщин, приводящих к снижению
плодовитости;
– установки на однодетную семью;
– расслоение общества;
– снижение рождаемости и увеличение продолжительности жизни
во всём мире приведут к увеличению процента пожилых людей, т.е.
потенциальных иждивенцев, что ведет к появлению ряда новых экологических проблем.
Видим, что рост населения является одним из факторов, способствующих появлению многих видов стресса. Именно состояние стресса влияет на способность к размножению. Опасность состоит ещё в
том что человек – вид с медленной сменой поколений, оказался способным наиболее быстро изменить окружающую его среду и ее емкость. Организмы не успевают адаптироваться. Нарушаются механизмы гомеостаза – способности живых организмов и экосостем сохранять относительное динамическое постоянство состава и свойств
внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций в условиях изменяющейся внешней среды.
Мы привыкли думать, что «инстинкт самосохранения» присущ
только живым существам, и даже само это словосочетание полагаем
неразрывным. Стремление к сохранению равновесия (гомеостаза) при21
суще практически всем динамическим системам. Пример – маятник.
Вернее, система «маятник – сила тяжести». Хватит ли у вас смелости
заявить, что данная система имеет «инстинкты»? Между тем даже она
стремится к сохранению (в определенных, конечно, пределах) своего
динамического равновесия. Знакомое со школы правило Ленца. Попросту: если на контур воздействовать магнитным полем, то контур,
стремясь к гомеостазу, создает компенсирующее поле. И никаких, разумеется, инстинктов. Биосфера тоже гомеостатическая система, поддерживающая свое равновесие. Примером ее обратной связи являются
катаклизмы, потрясающими человечество. Биосфера сопротивляется.
Ситуация напоминает распространение по организму планеты вирусной инфекции, в результате чего, как известно, зараженный организм либо гибнет, либо очищается. Любой из этих исходов грозит человечеству грандиозной катастрофой. И, возможно, Земля уже начинает защищаться, привлекая для этого отлаженные миллионами лет механизмы гомеостаза.
Свидетельством этому являются возрастающие тенденции человека к самоуничтожению, иногда возведенные в ранг идеологии. И не
только на уровне отдельных личностей, но и на уровне человечества в
целом. На это указывают наши успехи в области создания новейшего
оружия, особенно ядерного, химического, биологического, а также
широко рекламируемые сомнительные достижения микробиологии,
генной инженерии, психокодирования и пр. Человек становится врагом самому себе.
Среди возможных причин грядущей катастрофы на одно из первых мест выходит случайность. Человек аккумулировал огромные силы, создал сложнейшую технику, управляющую этими силами, вручив, по сути дела, свою судьбу в руки машин. Но опыт показывает, что
чем сложнее техника, тем более склонна она к отказам и сбоям. В системах, находящихся на грани равновесия, любая флуктуация может
привести к неожиданным последствиям. Чернобыльская катастрофа –
это один из подобных сюжетов развития событий.
Может ли человек остановить катастрофу? Для этого ему придется
от многого отказаться. По поводу будущего цивилизации американский специалист по системной динамике Джей Форрестер выразился
так: ««золотой век» цивилизации уже позади, у человечества имеется
только одна альтернатива – отказ от надежд на дальнейший рост благосостояния или экологическая катастрофа; лучше экономическая
стагнация, чем экологический кризис».
22
Однако отказ от материального процветания, тем более в условиях
нарастающего экспорта идеалов «западного образа жизни», идеологии
насилия, разврата, цинизма, по меньшей мере, сомнителен.
На проходившей в 1992 году в Рио–де–Жанейро Международной
конференции ООН по проблемам планеты Земля особо подчеркивалось наличие двух расширяющихся пропастей, лежащих в самой сердцевине современного кризиса: пропасти между человеком и природой и
пропасти между богатыми и бедными. Особенно ярко это проявляется
в отношениях между разными странами, что является основной причиной обострения межрегиональных конфликтов. Перед развитыми и
развивающимися странами стоят совершенно различные задачи. И
если «сытые» обеспокоены вопросами защиты окружающей среды, то
«голодным» просто не до этого.
Вообще эта конференция оставляет неоднозначное впечатление. С
одной стороны, она является безусловным шагом вперед к пониманию
стоящей перед нами опасности. Более того, она выработала так называемые «принципы устойчивого развития» мира. В то же время ее материалы свидетельствуют об утопичности всех благих намерений. Уже
в самой работе конференции обнаружились тенденции к непониманию
странами друг друга. Все согласны, что нужны новые природосберегающие технологии. Но развитые страны не склонны уступать эти технологии за бесплатно, а развивающиеся страны не только не имеют
средств на их приобретение, но, даже получив их бесплатно, не смогут
ими воспользоваться из–за отсутствия необходимых для этого источников высококачественной энергии и грамотных специалистов. Кроме
того, развивающиеся страны просто не хотят слышать о сохранении
природы, если это может помешать их экономическому росту.
Поэтому все согласны, что экологическую проблему невозможно
решить, не решив проблему выравнивания уровня жизни людей планеты. Но поднять уровень жизни в развивающихся странах до уровня
развитых стран невозможно, хотя бы даже по экологическим соображениям – природа не выдержит такой нагрузки. Остается возможность
выровнять то, что есть. При этом «сытые» должны в среднем в 10 раз
уменьшить уровень потребления. Кто из них согласится на это? Если
же не решить этого вопроса, то бесполезно говорить о развитии природосберегающих технологий.
Напрашивается неутешительный вывод: катастрофа неизбежна,
вопрос лишь в сроках и в конкретных проявлениях. Мы должны представлять сложившуюся ситуацию, ее причины, а также тот объем проблем, которые, возможно, встанут перед человеком уже в ближайшем
будущем.
23
Всегда есть надежда, что правильный выход будет найден и человек обеспечит себе будущее, избежав участи динозавров. Для этого,
возможно, потребуется в корне пересмотреть все свои ценности, свое
мировоззрение.
В этом и состоит основная причина фатальной неизбежности надвигающейся экологической катастрофы: она внутри нас. Бесполезно
говорить о безотходных производствах и о вложении денег в защиту
природы, пока все наши устремления направлены на обогащение. Отдельные мероприятия по охране природы, на которые возлагаются ныне надежды экологов всего мира, могут лишь несколько затормозить
приближение катастрофы, но остановить ее они не в силах, потому что
сами проникнуты идеей защиты человека и только человека, оставляя
за остальной частью природы лишь роль необходимого фона для благополучия человека. Именно поэтому все чаще повсюду в мире звучит
призыв к перестройке мировоззрения, к смене целевых установок человечества.
Анализ положения России на экологической карте мира показывает, что она является одной из восьми стран, состояние природной среды в которой определяет состояние биосферы в целом. Усилиями
средств массовой информации и экологов в сознание людей и в государственную практику России внедряют понятие экологической безопасности как элемента государственной и личной безопасности, которую можно определить следующей формулой:
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
Уровень экологического сознания
(образования и бытовой культуры)
=
Численность × Уровень
населения
потребления
В интересах современного человечества – постараться сохранить
биосферу в привычном для человека состоянии и не доводить планету
до крайности (до точки бифуркации или коллапса).
1.3. ЗАКОНЫ КОММОНЕРА
Видный американский эколог Б.Коммонер обобщил системность в
экологии в виде четырех законов. Их соблюдение – обязательное условие любой деятельности человека в природе.
1. Все связано со всем. Любое изменение, совершаемое человеком
в природе, вызывает цепь непредвиденных последствий, как правило,
неблагоприятных, не всегда заметных на первый взгляд.
24
Надежды на то, что какие–то наши действия, особенно в сфере современного производства, не вызовут серьезных последствий, если мы
проведем ряд экозащитных мероприятий, во многом утопичны. Это
способно лишь несколько успокоить ранимую психику современного
обывателя, отодвигая в будущее более серьезные изменения в природе.
Так мы удлиняем трубы наших ТЭЦ, считая, что при этом вредные
вещества более равномерно рассеются в атмосфере и не приведут к
серьезным отравлениям среди окрестного населения. А кислотные дожди могут пройти совсем в другом месте и даже в другой стране. Не
надо забывать, что нашим домом является вся планета.
2. Все должно куда–то деваться. Здесь поднимается проблема ассимиляции (усвоения) биосферой отходов человеческой цивилизации.
Отходы от деятельности человека неизбежны, необходимо думать об
уменьшении их количества и о последующем их использовании. Планета стала слишком тесной для нас. Она уже не справляется с силой
антропогенного воздействия на нее. На фоне этого рождаются различные «смелые» проекты утилизации наших отходов, особенно радиоактивных, в космосе, на других планетах, предлагают даже отправлять
их на Солнце. К счастью у этих проектов имеется огромное количество
оппонентов.
3. Природа знает лучше. Нельзя забывать, что человек – биологический вид, часть природы. Действия человека должны быть направлены не на покорение природы и преобразование ее в своих интересах, а на адаптацию к ней и сотрудничество.
Пока мы не имеем полной информации о механизмах и функциях
природы недопустимы никакие «улучшения» без точного знания последствий. Деятельность человека только тогда будет оправдана, когда
мотивация наших поступков будет определяться в первую очередь той
ролью, для выполнения которой мы были созданы природой, когда
потребности природы будут иметь для нас большее значение, чем личные нужды, когда мы будем в состоянии во многом безропотно ограничить себя во благо процветания планеты.
4. Ничего не дается даром. Любое наше вмешательство в природу
возвращается к нам повышенными проблемами. Любое загрязнение
природы возвращается к человеку в виде «экологического бумеранга».
Если мы не хотим вкладывать средства в охрану природы, то придется
платить здоровьем, как своим, так и потомков.
Ни одно наше воздействие на природу не проходит бесследно, даже если выполнены, казалось бы, все требования экологической чистоты. Хотя бы потому, что развитие экозащитных технологий требует
высококачественных источников энергии. Даже если сама энергетика
25
перестанет загрязнять биосферу вредными веществами, все равно остается нерешенным вопрос теплового загрязнения. Согласно второму
закону термодинамики, любая порция энергии, претерпев ряд превращений, рано или поздно перейдет в тепло.
Как правило, мы высвобождаем энергию, накопленную когда–то
разными формами вещества. Это гораздо дешевле, чем улавливать
рассеянную энергию Солнца, но напрямую ведет к нарушению теплового баланса планеты. Не случайно средняя температура в городах на
2–3 (а иногда и больше) градуса выше, чем за пределами города в той
же местности. Рано или поздно этот «бумеранг» к нам вернется.
Поэтому должен измениться сам подход к понятию экологической
чистоты и любые вложения средств в охрану природы должны приветствоваться. Пусть методом проб и ошибок, но мы должны найти способы гармоничного интегрирования своего производства с биосферой
планеты. И на первый план в мотивации человека должно выйти не
получение наибольшей прибыли с меньшими затратами, а гармоничность производства, где определяющую роль будет играть не рост
личного дохода разработчика или производителя, а чистота их совести,
степень осознания их ответственности перед природой. Пока еще это
звучит довольно утопично. Но уже сейчас разработка мероприятий по
обеспечению экологической чистоты при проектировании некоторых
производств составляет основную долю расходов. Создано и развивается интересное направление в проектировании, получившее название
«Разработка благодатных технологий». Здесь основным критерием
оптимальности принимаемого решения выступает не какой–то технический или экономический показатель, а совесть разработчика. Насколько все это жизнеспособно, покажет будущее. Но без подобного
рода поиска нового мировоззрения человек обречен.
Выводы по теме
1. Сегодня мир живёт в условиях непрерывно усиливающегося
глобального экологического кризиса, составными частями которого
являются: истощение ресурсов планеты; изменение климата; вымирание растений и животных; вырождение человека как биологического
вида; планета переполнена высокотоксичным трудноутилизируемым
мусором, синтезировано десятки тысяч искусственных веществ, не
разлагающихся в природе; нарушены механизмы гомеостаза; рост населения является одним из факторов, способствующих появлению
многих видов стресса, проявляющихся в снижении рождаемости и
воспроизводства населения, что, в конечном итоге, ведет к демографическому коллапсу.
26
2. Экологическая катастрофа на земле неизбежна, вопрос лишь в
сроках и в конкретных проявлениях.
3. Попытки возвыситься над природой и решить свои проблемы
за счет остальной части живого мира неизбежно ведут сначала к духовной деградации, а затем к гибели. Только недавно мы начали понимать, что истинный гуманизм немыслим без единства человека и природы.
4. Мы должны представлять сложившуюся ситуацию, ее причины, а также тот объем проблем, которые, встанут перед человеком в
ближайшем будущем.
5. Главная задача курса экологии состоит в том, чтобы помочь
студентам в корне изменить не только свое отношение к планете, которая нас породила, но и все свое мировоззрение.
6. Ни одно наше воздействие на природу не проходит бесследно.
Все связано со всем и ничего не дается даром. Если мы не хотим сотрудничать с планетой, вкладывать средства в охрану природы, то придется платить здоровьем, как своим, так и потомков.
7. Пока мы не имеем полной информации о механизмах и функциях природы недопустимы никакие «улучшения» без точного знания
последствий. Природа знает лучше.
8. Пусть методом проб и ошибок, но мы должны найти способы
гармоничного интегрирования своего производства с биосферой планеты.
9. На первый план в мотивации человека должно выйти не получение наибольшей прибыли с меньшими затратами, а гармоничность
производства, где определяющую роль будет играть не рост личного
дохода разработчика или производителя, а чистота их совести, степень
осознания их ответственности перед природой.
Вопросы для самоконтроля
1. Что изучает экология? Кто ввел термин «экология»?
2. Какова специфика современной экологии?
3. Чем отличается антропоцентрическое и экоцентрическое мировоззрения в экологии?.
4. Перечислите основные угрозы, которые могут привести к экологической катастрофе.
5. Чем занимается организация «Римский клуб» и почему так
важны результаты его работы?
6. Дайте определение термина «гомеостаз»? Как действуют механизмы гомеостаза на организменном, экосистемном и биосферном
уровнях?
27
7. Перечислите основные способы переработки отходов. Что вы
можете предпринять для уменьшения количества бытовых отходов?
8. Что понимают под термином «устойчивое развитие»?
9. Перечислите основные направления, обозначенные в документе
«О Стратегии экологической безопасности РФ на период до 2025 года».
10. Какие факторы больше всего влияют на экологическую безопасность человечества?
11. Поясните первый закон Коммонера.
12. Поясните второй закон Коммонера.
13. Поясните третий закон Коммонера.
14. Поясните четвертый закон Коммонера.
Тематика рефератов
1. История развития экологии как науки.
2. Проблема экологических ресурсов.
3. Причины и факторы уменьшения биологического разнообразия.
4. Проблема увеличения антропогенного воздействия на экосистемы в наши дни.
5. Демографические перспективы.
6. Причины разрушения озонового слоя.
7. Общественное экологическое движение в РФ и за рубежом.
8. Концепция устойчивого развития биосферы и проблемы ее реализации.
9. Роль СМИ (или компьютерных технологий) в развитии экологической культуры и экологического образования человека.
10. 12 сценариев развития человечества (по докладам «Пределы
роста», «За пределами роста», «Пределы роста: 30 лет спустя»).
11. Современные методы переработки отходов.
Тестовые задания
1. География голода охватывает:
а) Африку и Южную Азию;
б) Европу и Северную Америку;
в) Австралию;
г) Северную Азию.
2. Направление научной и общественной мысли, прогнозирующее
трагические последствия наступления экологической катастрофы для
всего человечества, носит название
а) сциентизм; б) эвдемонизм; г) аллармизм; д) консервационизм.
28
3. Увеличение среднегодовой температуры на планете приведет к
а) обмелению рек;
б) в высоких широтах климат станет холоднее, площадь тундры увеличится;
в) возрастет количество осадков, многолетняя мерзлота начнет таять.
4. Основной причиной быстрого истощения ресурсов Земли и воды,
снижения биоразнообразия, увеличения уровня загрязнений являются:
а) войны;
б) экспоненциальный рост населения планеты;
в) космические процессы;
г) политические мотивы.
5. Основной причиной выпадения кислотных дождей является попадание в воздух:
а) оксидов серы и азота;
б) оксидов фосфора и углерода;
в) хлора;
г) пыли, содержащей частицы металла.
6. Считают, что озоновый экран разрушается в результате воздействия
на него
а) фреонов;
б) радиации;
в) сернистого газа; г) угарного газа.
7. Каждый атом хлора способен уничтожить до
а) 1000 молекул озона;
б) 10 000 молекул озона;
в) 100 000 молекул озона;
г) 500 000 молекул озона.
8. Метан поступает в атмосферу в основном с территорий
а) лесных массивов;
б) болотистых районов;
в) лугов и степей;
г) горных областей.
9. Самая низкая (высокая) антропогенная нагрузка на биосферу характерна для
а) Германии;
б) Китая;
в) Японии;
г) России.
10. К причинам глобального потепления относят повышение концентрации
а) СО;
б) СО2;
в) N2;
г) NH3.
29
11. Нежелательно сжигать материалы из полиэтилена и ПВХ при их
утилизации, т.к. в атмосферу поступают
а) радионуклиды;
б) угарный газ и сажа;
в) диоксины, хлористый водород и летучие соединения тяжелых металлов;
г) смог, приостанавливающий процесс фотосинтеза.
12. Для борьбы с потеплением климата не предлагаются к использованию только такие меры как
а) развитие альтернативной энергетики; б) энергосбережение;
в) уменьшение площади лесных массивов; г) очистка дыма ТЭС.
13. Раздел экологии, изучающий биосферу Земли, называется
а) общей экологией;
б) глобальной экологией;
в) социальной экологией; г) политической экологией.
14. Раздел экологии, изучающий болезни человека, связанные с загрязнением среды, а также способы их предупреждения и лечения,
называется:
а) химическая экология;
б) медицинская экология;
в) экономическая экология;
г) общая экология/
15. Термин «экология» впервые ввёл:
а) Ю. П. Одум; б) В. И. Вернадский;
в) Э. Геккель; г) К. Ф. Рулье.
16. Экоцентрическое мировоззренние….
а) ставит человека в центр природы и мироздания
б) рассаматривает человека как часть природы
в) центром и целью жизни самого человека ставит тоталитарную социальную или производственную систему
17. Найдите соответствие терминам и понятиям, их определяющим
1. экология
А) наука, изучающая структуру и функционирование природных сообществ и экосистем
2. аутэкология
Б) наука о взаимосвязях живых существ между
собой и окружающей средой
3. синэкология
В) наука, изучающая жизнь отдельных популяций
и определяющая причины их изменений
4. демэкология
Г) наука о взаимоотношениях организмов с окружающей средой
30
Лекция 2
ВСЕЛЕННАЯ КАК СИСТЕМА
Детализированные цели изучения раздела
– познакомиться с современными взглядами на Вселенную, как на
единую систему и с некоторыми наиболее фундаментальными законами, лежащими в основе всего мироздания;
–установление взаимосвязи между известными законами космологии и убеждением, что земная жизнь является неизбежным следствием
глобального эволюционного процесса.
ВВЕДЕНИЕ
Слово «Вселенная» (Universe) в английском языке имеет то же
происхождение, что и «единство» (unity) или «единица» (one). Буквально оно означает единство, общность всех вещей, рассматриваемых
как целое. Любопытно, что слово «целый» (whole) имеет один корень
со словом «святой» (holy), что отражает глубоко таинственные и метафизические связи, с которыми имеет дело космология. Вплоть до XX
в. познание Вселенной как целого в основном оставалось прерогативой
религии. Научная космология как самостоятельная отрасль знания
возникла сравнительно недавно.
Популярность космологии как среди ученых, так и среди широкой
публики обусловлена ее своеобразной таинственностью. Многие вообще не видят серьезного различия между научной космологией, мистицизмом или сенсационными сторонами парапсихологии. Полагаем,
что, несмотря на такую путаницу, всеобщий интерес к космологии сам
по себе благо в нашем мире, где разобщенность и конфликты часто
одерживают верх над единством.
2.1. ПОНЯТИЕ ВСЕЛЕННОЙ
В традиционном смысле под Вселенной понимают всю совокупность качественно различных форм материи. В более узком смысле
под Вселенной понимают физическую реальность, доступную астрономическим наблюдениям (более правильно такую Вселенную называть метагалактикой). Однако уже со времен русских ученых–
космистов (Федоров, Флоренский, Соловьев, Бердяев и др.) формировался более широкий подход к пониманию Вселенной, суть которого в
признании того, что и человек, и все, что его окружает – это частицы
единого организма, где все взаимосвязано. Особенно ценной была
идея, что мысль, сознание есть такая же принадлежность природы, как
и звезды, микробы, камни и пр. В среде естествоиспытателей к этим
идеям были близки Циолковский, Менделеев, Сеченов и др. Поэтому
31
под Вселенной следует понимать всю совокупность объективной и
субъективной реальности как материального, так и идеального плана.
Формирование современных представлений о структуре и истории
Вселенной (космология) во многом обязано успехам астрономии.
Масштабы физической Вселенной грандиозны. Так, например,
наша галактика «Млечный путь» содержит приблизительно 100 миллиардов звезд, среди которых наше Солнце является вполне заурядной
звездой. Галактика имеет диаметр порядка 90 000 световых лет. Световой год – расстояние в вакууме, покрываемое светом за один год, равное 9,46 миллиона миллионов км.
Галактики отделены друг от друга гигантскими межгалактическими пространствами. Так ближайшая к нам галактика «Туманность Андромеды», которая примерно в два раза больше нашей, удалена от нас
на 2 миллиона световых лет. Существуют и скопления галактик, содержащие от десятков до тысяч единиц. Вся наблюдаемая часть физической Вселенной называется метагалактикой. Она имеет радиус порядка 10 млрд св.лет.
В 20–х годах прошлого столетия было обнаружено, что световые
спектры всех галактик по структуре практически не отличаются от
спектров светил нашей галактики, но почему–то практически все они
смещены в «красную» сторону, и чем дальше от нас галактика, тем
сильнее «красное смещение» спектра.
Было выдвинуто множество объяснений этого факта. Однако все
они не выдержали критики за исключением одного из них, основанного на эффекте Доплера: если источник волн удаляется от наблюдателя, то наблюдатель фиксирует увеличение длины волны (например,
смещение светового спектра в красную сторону), если же источник
волн приближается к наблюдателю, то фиксируется укорочение волн
(например, смещение спектра в синюю сторону). То есть «красное смещение» спектров далеких галактик свидетельствует о том, что все далекие галактики удаляются от нас.
Позже Эдвин Хаббл сформулировал закон: все далекие галактики
удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстояниям до них. Скорость удаления оценивается постоянной Хаббла Н=15
км/с на каждый млн. св. лет расстояния между галактиками. Значит,
чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется. То
есть, либо мы находимся в центре Вселенной, и все почему–то от нас
«убегают», либо следует искать какой–то другой ответ, который может
в корне расходиться с привычными обыденными представлениями.
Существует множество моделей, пытающихся как–то избежать
кризиса рассудка. Однако наиболее логичная модель несет в себе па32
радокс, не поддающийся рассудочному осмыслению. Согласно данной
модели Вселенная представляет собой расширяющуюся четырехмерную сферу. Понять это нашим трехмерным умом невозможно. Однако
можно определить возраст Вселенной. То есть около 20 миллиардов
лет назад все галактики находились в одной точке (сингулярности).
Что представляла собой данная сингулярность, мы можем только
догадываться. По некоторым соображениям сингулярность – это абсолютное ничто, полная пустота. Так, по словам известного астрофизика
Джозефа Силка, «очень ранняя Вселенная, возможно, была пуста».
Переход Вселенной из «ничего» в физическую реальность произошел самопроизвольно в результате так называемого «Большого
взрыва», причины которого неизвестны. Мы можем только догадываться о тех процессах, которые происходили в первые мгновения рождения Вселенной. Тем более не понятно нам, что было до Большого
взрыва. Похоже на то, что время и пространство родилось в момент
Большого взрыва, поэтому времени и пространства “до взрыва” просто
не было.
Кроме того, вероятно, есть смысл говорить и о пределах Вселенной, за которыми физическая реальность не существует. Если мы проведем вокруг себя сферу, радиусом приблизительно 20 млрд. св. лет, то
очертим тем самым горизонт Вселенной. Если за горизонтом Вселенной находится хотя бы одна галактика, то согласно закону Хаббла она
должна удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света,
а это запрещено теорией относительности. То есть за горизонтом Вселенной, по–видимому, физической реальности не существует. Это также один из парадоксов, не укладывающийся в рамки обыденного
трехмерного мышления. Но если применить для понимания данного
феномена сферическую модель Вселенной, то можно выйти за рамки и
этого парадокса. Если принять, что диаметр расширяющейся четырехмерной сферы Вселенной увеличивается со скоростью света, то горизонт Вселенной вырождается в одну точку, диаметрально противоположную точке наблюдателя. Эта точка удаляется от наблюдателя со
скоростью света и видна по всем направлениям поля зрения наблюдателя. То есть данная точка как бы “размазывается” по всему горизонту
Вселенной. Поэтому попытки выйти за пределы горизонта Вселенной
равносильны попыткам войти внутрь математической точки, не
имеющей пространственных размеров.
33
2.2. ПРИНЦИП ЕДИНСТВА ВСЕЛЕННОЙ
Согласно современным представлениям принципы сохранения
лежат в самом фундаменте мироздания. Как же могла Вселенная нарушить эти принципы, возникнув из ничего? Оказывается, парадокс
существует только по отношению к здравому смыслу человека, но не
по отношению к принципам сохранения. Действительно, было исходное состояние, когда ничего не было. И до сих пор суммарный эффект
всех явлений Вселенной равен нулю. В целом Вселенная до сих пор
является абсолютным «ничто».
Примеры, подтверждающие это.
1) Так ни у кого не вызывает серьезных сомнений тот факт, что
суммарный электрический заряд Вселенной равен нулю.
2) Суммарная энергия Вселенной похоже также равна нулю: отрицательная энергия притяжения (сближения) может полностью уравновешиваться положительной энергией отталкивания (разбегания).
3) Массивность (инерционность) физических тел также не является принадлежностью этих тел, а обусловлена фактом притяжения этих
тел со стороны всей Вселенной. Это утверждение называется принципом Маха, который хотя и не доказан, но многие авторитетные ученые
склоняются в пользу его справедливости. Современное представление
принципа Маха – то есть любое проявление, которое мы наблюдаем в
данном физическом теле, обусловлено фактом принадлежности этого
тела Вселенной и взаимодействием с ней. Значит, если физическое
тело каким–то фантастическим образом вынести за пределы Вселенной, то оно просто перестанет существовать, так как исчезнут все его
свойства (массивность, протяженность, внутренние взаимодействия).
Примеры полной взаимоуравновешенности явлений и процессов
во Вселенной приводят к утверждению, которое можно сформулировать в виде гипотезы: все явления и процессы во Вселенной взаимоуравновешены так, что по любому проявлению в целом Вселенная
равна нулю так же, как и до ее возникновения (принцип абсолютного
нуля).
Это объясняет принцип дополнительности, который в более широкой формулировке звучит следующим образом: любое явление может рождаться и существовать в физической реальности только в паре
со своей противоположностью (отрицанием).
Подтверждением этому может служить также один из наиболее
фундаментальных законов, известный как принцип Ле Шателье–
Брауна: на любое изменение Вселенная откликается возникновением
процессов, тормозящих данное изменение.
34
Формулировка принципа единства Вселенной: «во Вселенной все
взаимосвязано, любое явление влияет на весь мир и само испытывает
влияние от всех явлений Вселенной».
В этом и состоит основа холизма Вселенной, то есть ее целостность. Это приводит к тому, что некоторые проявления Вселенной невозможно разложить на составляющие. Их можно объяснить только
как результат воздействия на конкретные явления всей Вселенной как
единого целого. Если этому воздействию подвергается человек, то есть
мыслящее существо, то у него может возникнуть ощущение общения с
высшей сущностью – Богом. Это ощущение усиливается, когда человек убеждается, что целостный фактор Вселенной обладает качеством,
аналогичным человеческому разуму. Это происходит благодаря господству во Вселенной принципа оптимальности, который является
прямым следствием принципа единства Вселенной и принципа дополнительности. Именно эволюция форм проявления принципа оптимальности породила в конечном итоге человеческий разум. Вселенной же в
целом он присущ изначально.
2.3. ПРИНЦИП ОПТИМАЛЬНОСТИ
В самом фундаменте мироздания лежит принцип оптимальности:
во Вселенной реализуются лишь оптимальные состояния и процессы
(в обыденной формулировке: «что ни делается – все к лучшему»).
Под оптимальным мы будем понимать такое состояние системы в
целом, которое практически не изменяется или изменяется минимально возможным образом при различных вариациях внутренней структуры (такое состояние еще называется равновесным).
Исходя из принципа единства Вселенной и принципа дополнительности, все процессы во Вселенной взаимоуравновешены, то есть в
целом Вселенная сохраняет свое исходное состояние “абсолютного
ничто”.
В основу принципа оптимальности могут быть положены два
взаимодополняющих постулата:
1. любая система стремится занять состояние, в котором любое
изменение внутри системы практически не влияет (влияет минимально
возможным образом) на состояние системы в целом;
2. из всех возможных состояний в каждый момент времени реализуется то состояние, с которым связано наименьшее количество изменений.
Резонно возникает вопрос: если в любой момент времени природа
реализует только оптимальные состояния и процессы, почему же в
мире так много абсурда, ошибок, далеких от понятия оптимальности?
35
Или может быть человек, приведший планету к экологической катастрофе, является исключением, для которого закон оптимальности не
писан? Но ведь не только человек совершает абсурдные поступки. Разве есть какая–то оптимальность в поведении ночной бабочки, летящей
на огонь, или стаи саранчи, уничтожающей всю растительность в округе и затем гибнущей от голода, или мухи, бьющейся о стекло?
Оказывается, в природе действует один из самых эффективных алгоритмов поиска оптимального решения: метод случайного поиска.
Например, муха не имеет того зрительного и аналитического аппарата,
который есть у человека. Это мы понимаем, что нужно чуть отклониться в сторону и вылететь в открытую форточку. Мухе же не известно, есть ли вообще выход из той ситуации, в которую она попала
(фасеточный глаз мухи не в состоянии различить стекло и открытую
форточку). Но случайный поиск гарантирует, что решение рано или
поздно будет найдено, если оно, в принципе, возможно. Более того,
случайный поиск позволяет иногда находить выход даже из, казалось
бы, тупиковых ситуаций (так муха может найти свое решение задачи, а
не то, которое для нее приготовили мы, например, она может отыскать
и вылететь в щель, о которой мы даже не подозревали).
Природа очень часто задействует подобные алгоритмы оптимизации. Так, например, очень показательна в этом смысле тактика поиска
мест взятка (нектара и пыльцы), осуществляемая пчелиной семьей.
Если одна из пчел найдет богатую цветочную поляну, то при возвращении в улей она совершает свой знаменитый «танец на сотах», который «рассказывает» другим пчелам, куда нужно лететь, сколько энергии для этого потребуется, какие именно цветы растут на поляне и т.п.
После этого множество пчел вылетает по месту назначения. При этом
они демонстрируют хорошее понимание переданной им информации.
Но почему–то не все пчелы, наблюдавшие танец, достаточно пунктуальны. Некоторые из них сбиваются с пути или летят в совершенно
противоположном направлении. Это уменьшает количество принесенного в улей взятка. Но, оказывается, подобные ошибки изначально
запрограммированы и несут в себе большую пользу. В принципе, природа могла бы наградить пчел абсолютной роботоподобной безошибочностью в понимании друг друга. Но она дала пчелам «право на
ошибку». Даже процент пчел, сбившихся с пути, определен достаточно
строго (около 5%). Именно «ошибочные» вылеты приносят, как правило, в улей информацию о других богатых источниках взятка, на которые эти пчелы иногда случайно натыкаются. Без определенной доли
ошибки, абсурда, случайности природа не смогла бы развивать и усложнять свои формы.
36
Таким образом, в абсурде всегда есть доля здравого смысла. Без
абсурда невозможно достичь оптимального состояния. Вероятно, каждому человеку придется многое пересмотреть в своем мировоззрении,
в своем отношении к своим и особенно к чужим ошибкам. Может
быть, мы наконец–то осознаем мудрость слов Иисуса Христоса – «Не
судите, да не судимы будете»?
Выводы по теме
1. Под Вселенной следует понимать всю совокупность объективной и субъективной реальности как материального, так и идеального плана.
2. «Красное смещение» спектров далеких галактик свидетельствует о том, что все далекие галактики удаляются от нас.
3. Попытки выйти за пределы горизонта Вселенной равносильны
попыткам войти внутрь математической точки, не имеющей пространственных размеров.
4. В природе действует один из самых эффективных алгоритмов
поиска оптимального решения: метод случайного поиска.
5. Во Вселенной господствует принцип оптимальности, который
является прямым следствием принципа единства Вселенной и принципа дополнительности.
6. Эволюция форм проявления принципа оптимальности породила в конечном итоге человеческий разум. Вселенной же в целом он
присущ изначально.
7. Некоторые проявления Вселенной невозможно разложить на
составляющие. Их можно объяснить только как результат воздействия
на конкретные явления всей Вселенной как единого целого.
Вопросы для самоконтроля
1. Что следует понимать под Вселенной?
2. Каков радиус Вселенной?
3. Что такое световой год?
4. Сформулировать закона Хаббла.
5. Каков возраст Вселенной?
6. Приведите примеры, подтверждающие, что в целом Вселенная
до сих пор является абсолютным «ничто».
7. Каково современное представление принципа Маха?
8. Сформулировать принцип единства Вселенной.
9. Сформулировать принцип Ле Шателье–Брауна.
10. Сформулировать принцип дополнительности.
11. Сформулировать принцип оптимальности.
37
12. Что следует понимать под оптимальным состоянием?
13. Какие два взаимодополняющих постулата положены в основу
принципа оптимальности?
14. Какой из самых эффективных алгоритмов поиска оптимального решения действует в природе?
15. Какова доля ошибки, абсурда, случайности, при которой природа может развивать и усложнять свои формы?
Лекция 3
ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
Детализированные цели изучения раздела
–познакомиться с законами, лежащими в основе возникновения и
развития жизни;
–познакомиться с принципами самоорганизации.
–познакомиться с законами, лежащими в основе возникновения
жизни, и с теориями происхождения жизни на Земле.
ВВЕДЕНИЕ
Если мы не знаем своей истории, то мы обречены на повторение
ошибок, свершенных уже однажды. Как возникла земная жизнь? Были
ли в истории Земли катастрофы, подобные той, которая грозит нам? В
чем их причины? Можем ли мы хоть как–то изменить «логику» катастроф и надо ли это делать?
3.1. ПРИНЦИП САМООРГАНИЗАЦИИ
Динамика Вселенной проявляется в двух противоречивых взаимодополнительных процессах: разрушение и созидание.
Исторически первым был открыт принцип разрушения, который
более известен как второй закон термодинамики, или принцип роста
энтропии: в любом реальном процессе энтропия Вселенной возрастает.
Как выяснилось, этот закон имеет всеобщий характер.
1. Энтропия есть мера хаоса, а также мера неопределенности, непредсказуемости, абсурда в системе. Мера определенности, предсказуемости, логичности в системе называется негэнтропией или информацией. Чем более упорядочена структура системы, тем более она
предсказуема, тем больше ее негэнтропия.
То есть, согласно принципу роста энтропии любой процесс сопровождается разрушением упорядоченных структур систем Вселенной и
нарастанием хаоса и неопределенности.
2. Энтропия является также мерой качества энергии, под которой
понимают степень ее концентрации и направленности. Чем больше
качество энергии, тем меньше ее энтропия, тем большее количество
38
превращений из одной формы в другую она может претерпеть. Например, электрическую энергию (направленное движение электронов)
можно превратить в механическую (направленное движение физического тела), затем опять в электрическую, затем, например, в химическую и т.д. При каждом превращении часть энергии необратимо рассеивается в тепло, так что КПД любого превращения энергии всегда
меньше единицы. В конце концов, вся энергия после ряда превращений переходит в тепловую форму. Это конечный пункт любой порции
энергии. Дальнейшее полезное использование этой энергии возможно
только при наличии более холодного резервуара в окружающей среде.
Но когда температура данной порции энергии станет равной температуре окружающей среды, ее повторное использование становится невозможным, энергия окончательно деградирует.
Парадокс жизни состоит в том, что вопреки второму закону термодинамики биосистемы способны наращивать и усложнять свою
упорядоченную структуру, понижая тем самым внутреннюю энтропию.
Долгое время теория эволюции развивалось в полном отрыве от
физики, которая не могла понять, как вообще возможно объяснить феномен жизни. Ответ был получен только тогда, когда выяснилось, что
запрет существует для замкнутых систем, которые в чистом виде в
природе отсутствуют. Все живые организмы существуют потому, что
они открыты для окружающей среды.
Парадокс был рожден, по сути дела, механистическим подходом к
попытке понять жизнь. Только в механистической науке существует
понятие замкнутой системы, оторванной от внешнего мира.
Наличие процессов эволюции, усложнения форм жизни вытекает
из принципа единства Вселенной (во Вселенной все взаимосвязано,
любое явление влияет на весь мир и само испытывает влияние от всех
явлений Вселенной) и принципа дополнительности (дуальности):
при наличии во Вселенной процессов разрушения следует ожидать в
ней равного по объему созидания. Более конкретно, жизнь является
следствием принципа Ле Шателье–Брауна: рост энтропии Вселенной
вызывает процессы, сдерживающие этот рост, то есть направленные на
рост негэнтропии, а значит, на возникновение и усложнение упорядоченных структур. Это называется самоорганизацией.
Существование жизни во Вселенной оказывается возможным
лишь благодаря данному нам «разрешению» на разрушение окружающей среды и рассеяние энергии. Любое изменение внутри самоорганизующейся системы (например, протекание физиологических процессов
в организме) согласно второму закону термодинамики приводит к рос39
ту энтропии (неопределенности, хаоса, ошибки). Это грозит живому
организму потерей упорядоченности. Поэтому организм может существовать, лишь выводя эту энтропию (хаос) в окружающую среду. Вывести энтропию – значит упорядочить внутреннюю организацию.
Таким образом, человек, в принципе, не может жить не разрушая.
Другое дело, в каких количествах мы можем разрушать. Природа накладывает определенный «лимит» на разрушение.
В процессе самоорганизации происходит самопроизвольный поиск
устойчивых структур.
Под устойчивостью системы понимают ее способность сохранять
свою структуру при наличии внешних воздействий на нее; при снятии
воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние.
Для устойчивых систем характерно подобие части и целого. Однако
подобие не должно быть абсолютным. Как уже говорилось, устойчивые структуры гармоничны, то есть в них заложено «золотое соотношение» между предсказуемостью и непредсказуемостью.
По–видимому, основная причина экологической катастрофы заключается в следующем: человек выделился из природы, утратил связь
и подобие с ней, стал слишком «свободным», а потому пошел вслепую
по пути, ведущему в «пропасть». Здесь же и ответ на вопрос, как избежать катастрофы. Надо вспомнить, что не природа (метасистема)
должна подстраиваться под человека, а человек должен принять главенствующую роль природы и подчиниться ее требованиям.
3.2. ТЕОРИИ ПОЯВЛЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
Существует несколько теорий появления жизни на Земле. Из них
можно выделить три наиболее известные:
• теория креационизма (от английского слова create – создавать)
– жизнь создана высшим существом – Богом;
• теория панспермии – жизнь принесена на Землю из космоса;
так уже в метеоритах находят белковые соединения;
• теория эволюции – жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения форм организации материи.
У каждой теории есть свои плюсы и минусы, свои сильные и слабые стороны. Так теория панспермии многое объясняет, но не решает
вопроса о происхождении жизни во Вселенной вообще, вопрос лишь
отодвигается на более далекие космические объекты. К тому же существует ряд веских аргументов в пользу земного происхождения жизни.
Например, известно, что только земная биоорганика обладает оптической асимметрией. Так если раствор сахара, полученного из свеклы
(“живой сахар”), осветить лучом поляризованного света, то плоскость
40
поляризации луча на выходе оказывается смещенной вправо на некоторый угол. Если же сахар синтезирован искусственным путем, то такой раствор не поворачивает плоскость поляризации света. Вся биоорганика Земли поворачивает плоскость поляризации света. Вся «космическая» и искусственная органика оптически нейтральна.
Известно также, что вся биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки нам
известны, но они не поддаются какой–либо логике. Похоже, что природа установила эти правила произвольным образом, как, например, в
компьютерной таблице кодировки символов. Но однажды принятый
«стандарт» един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.
Теория креационизма хорошо вписывается в принцип роста энтропии и легко объясняет природу целесообразности в устройстве
Вселенной.
Теория эволюции подтверждается огромным количеством научных фактов. Слабым местом эволюционизма является отрицание всякого рода целесообразности в природе и признание случайности, господствующей в эволюционном процессе, что никак не согласуется с
данными статистического анализа, который говорит, что всего времени существования Выселенной не хватит на то, чтобы воспроизвести
существующие формы случайным образом. В то же время новые достижения синергетики (науки о самоорганизации) и неравновесной
термодинамики позволяют надеяться на то, что в научном понимании
жизни уже в ближайшее время ожидается существенный прорыв. Мы
уже понимаем механизмы самоорганизации. И все же целесообразность Вселенной не вписывается в концепции «слепых законов природы». Необходимо всегда помнить о принципе дополнительности. Теория эволюции, безусловно, идет по верному пути, но эмерджентные
свойства природы оказываются близкими к идеальным формам, до сих
пор остающимся лишь в ведении религиозных и мистических культов
и учений.
Земная жизнь является естественным следствием глобального эволюционного процесса, который в свою очередь достаточно однозначно
(телеологично) «запрограммирован» в структуре изначальных принципов существования Вселенной.
Под действием сил гравитации протопланетное облако сжимается
и недра планеты значительно разогреваются. Сейчас температура ядра
Земли составляет порядка 4000–5000оС. Уплотнение протопланетного
сгущения и нарастание температуры недр свидетельствует об уменьшении энтропии внутри планеты, а значит, и о процессах структурооб41
разования (для тепловой энергии высокая температура является показателем низкой энтропии). В соответствии с теорией самоорганизации
это говорит о том, что планета является типичной устойчивой самоорганизующейся системой. Другими словами, это есть одна из форм небиологической жизни.
По мере возрастания температуры недр возрастает и поток энергии в космос, который выступает для разогревающейся планеты в роли
«холодильника». Согласно принципу Ле Шателье–Брауна это приводит к формированию структур, аккумулирующих энергию, уменьшая
темпы остывания планеты, то есть происходит формирование своего
рода «теплоизолирующего» слоя планеты.
Насколько мы знаем, в настоящее время недра планеты больше не
разогреваются, то есть согласно теории самоорганизации, информация
может расходоваться только на формирование и поддержание упорядоченных структур. Значит, недра планеты имеют достаточно сложную организацию. И эта организация усложняется по мере того, как
разогреваются недра планеты и остывает ее поверхность.
Иная картина складывается на ее поверхности. Здесь можно выделить два основных источника энергии: энергия Солнца и энергия недр
планеты. В период разогревания планеты, по–видимому, именно за
счет возрастающего потока энергии из ее недр формировались и усложнялись первые формы биологической жизни. По мере ослабевания
темпов разогрева недр планеты и роста мощности “теплоизолирующего” слоя понижается температура на поверхности и поток собственной
энергии планеты уменьшается. Поэтому тем формам жизни на поверхности планеты, которые существуют за счет этого потока энергии, суждено, вероятно, постоянно уменьшать сферу своего присутствия. В
наше время она представлена лишь хемосинтезирующими бактериями
и некоторыми многоклеточными организмами в глубоководных впадинах. Чем ниже температура на поверхности планеты, тем интенсивней поток энергии, приходящей от Солнца. Именно это, по–видимому,
является движущей силой эволюции на Земле. То есть сложность форм
жизни в биосфере, судя по всему, находится в обратной зависимости
от средней температуры поверхности Земли.
Динамика остывания поверхности планеты в условиях стабильности температуры Солнца обеспечивает однонаправленность процессов
усложнения форм молекул. Возможно, существует еще немало подобных факторов, посредством которых планета, Солнце, космос и в конечном итоге вся Вселенная направляют, «руководят» процессами самоорганизации. В любом случае именно метасистема «отбирает» и
«закрепляет» те формы макромолекул, которые претендуют на будущ42
ность. Когда наступает предел возможностей «неживой» органики по
обеспечению энергобаланса, на поверхности планеты возникают сложные формы, которые мы по праву можем назвать живыми существами,
точнее, биологической жизнью.
Уже на уровне макромолекул можно говорить о жизни в общепринятом понимании. Вершина эволюции молекул – вирусы, являющиеся
сложными молекулярными комплексами, основами которых являются
молекулы ДНК, окруженные белковыми оболочками.
Пьер Тейяр де Шарден предполагал, что прежде, чем была создана
первая живая клетка, на Земле существовала эра вирусов, которую он
назвал «забытой эпохой». Вероятно, мы уже никогда не сможем найти
реликтовые макромолекулы. Современные вирусы не могут жить автономно. Они либо вошли в состав более сложных живых организмов
(клеток), либо стали паразитами. Шарден назвал этот закон «устранением эволюционных черешков»: Современная жизнь даже в простейших формах в корне отличается от аналогичных форм в прошлом, так
как во многом трансформирована современной реальностью. Раз возникнув и закрепившись, любая форма вплетается в ткань Вселенной и
меняется до неузнаваемости.
В то же время зарождение принципиально новых форм будет
уничтожено современной жизнью. Именно поэтому мы сейчас не наблюдаем явлений самозарождения жизни. По словам И.С. Шкловского, микроорганизмы и вирусы буквально съедят уже первые ростки
новой жизни. По словам Шардена, появление биосферы обеднило первоначальный химизм планеты, поэтому данный феномен зарождения
жизни больше не может повториться в естественных условиях.
Поэтому одной из особенностей современной жизни является подчинение ее закону, окончательно доказанному Пастером и более известному под названием «принцип Реди»: все живое происходит только от живого. Имеется мнение, что этот принцип действовал всегда. То
есть единственным объяснением того, как могла возникнуть жизнь,
является то, что вся Вселенная, породившая эту жизнь, сама является
живым существом.
По теории Опарина А.И., первые клетки возникли в результате
эволюции коацерватных капель. Это пример агрегации (создание
групп с определенной внутренней структурой) в мире макромолекул.
Крупные молекулы имеют обычно довольно сложную форму. Они окружают себя молекулами воды, тем самым, упорядочивая их. В соответствии со вторым законом термодинамики система стремится
уменьшить количество порядка. В данном случае это достигается путем уменьшения суммарной поверхности органики, упорядочивающей
43
воду. Поэтому энергетически более выгодно оказывается слияние молекул органики в каплю. Сложные капли способны улавливать и впитывать в свою структуру вполне определенные вещества из окружающего их раствора, поддерживая этим стабильность своей структуры и
состава внутренней среды.
Агрегация клеток приводит к возникновению многоклеточных организмов. Эволюция многоклеточных сначала шла по линии усложнения физиологии, потом (а частью и одновременно) поведения по цепи:
раздражимость–инстинкт–психика–сознание. Эволюция поведения
свидетельствует об агрегации многоклеточных организмов, то есть о
формировании и эволюции систем более высокого иерархического
уровня: социальных систем типа стаи, общества и т.п., которые с полным правом можно назвать социальными живыми существами. Наиболее яркими примерами таких существ являются муравейники, пчелиные семьи, человеческая цивилизация и т.п. Здесь присутствуют все
признаки органичной целостности и функциональной взаимозависимости, которую мы в своей жизни называем разделением труда. Наблюдая эволюцию социальных форм жизни, в частности на примере
истории человечества, можно понять суть самого алгоритма эволюции.
Выводы по теме
1. К моменту образования Земли эволюция Вселенной подготовила возможность зарождения земной жизни.
2. Расширяясь, Вселенная быстро остывает, что приводит к возникновению фрактальных структур, объединяющих в себе порядок и
случайность, хаос.
3. Пока Вселенная расширяется, эволюцию не остановить.
4. Динамика Вселенной проявляется в двух противоречивых
взаимодополняющих процессах: разрушение и созидание.
5. Существует три наиболее известные теории появления жизни
на Земле. У каждой теории есть свои плюсы и минусы, свои сильные и
слабые стороны.
6. Эволюция поведения свидетельствует об агрегации многоклеточных организмов, то есть о формировании и эволюции систем более
высокого иерархического уровня: социальных систем типа стаи, общества и т.п., которые с полным правом можно назвать социальными живыми существами.
1.
2.
Вопросы для самоконтроля
Поясните три основные теории появления жизни на Земле.
Каковы основные этапы эволюции жизни на Земле?
44
3.
4.
5.
6.
7.
Понятие и примеры социальных систем.
Что такое энтропия?
Что такое негэнтропия или информация?
Сформулируйте принцип самоорганизации.
В чем состоит парадокс жизни?
Лекция 4
ПЛАНЕТА КАК ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ
Детализированные цели изучения раздела
–сформировать экологическое мировоззрение, основанное на эволюционной теории развития жизни на Земле, а также на понимании
законов и принципов, присущих всей Вселенной в целом;
–показать применимость системного подхода к изучению социальных «живых организмов» и их особенностей, отражающих свойства
сложных взаимосвязей между различными элементами.
– сформировать экологическое мировоззрение, согласно которому:
Земля есть небиологическое, но живое существо космических масштабов.
ВВЕДЕНИЕ
Как мы выяснили ранее, жизнь на поверхности Земли зарождалась
и развивалась в условиях постепенно увеличивающегося потока энергии от Солнца (в результате остывания поверхности планеты). Это
говорит о том, что структура биосферы должна постоянно усложняться. Поэтому на протяжении всей истории жизни мы наблюдаем неуклонное усложнение организмов, увеличение видового разнообразия, а
также увеличение количества структурных уровней в иерархической
организации биосферы. Все это порождает ряд более частных законов,
которым подчиняется эволюция биосистем Земли.
В основу экологического мировоззрения должна быть положена
следующая аксиому – Земля есть небиологическое, но живое существо
космических масштабов.
4.1. ХАРАКТЕРНЫЕ ЧЕРТЫ
ЭВОЛЮЦИОННОГО ПРОЦЕССА
Эволюция есть следствие единства Вселенной: расширение Вселенной в соответствии с принципом Ле Шателье вызывает ответный
поток роста сложности организации ее структуры. Эволюцию нельзя
остановить, пока расширяется Вселенная. Эти два процесса, по–
видимому, взаимодополняют друг друга. Объем Вселенной и сложность ее структур взаимоувязаны.
Для усложнения своей структуры природа задействует «взрывной
механизм». То есть, по мере расширения, являющегося результатом
45
предыдущего взрыва, происходят локальные сжатия (консолидация)
элементов, которые на более высоких стадиях эволюции выступают в
форме агрегации (другими словами, агрегация есть более сложная
форма гравитации, своего рода биогравитация). Взаимодополнительность расширения и сжатия можно проиллюстрировать рядом примеров. Так один из проектов энергетической подпитки луноходов с Земли посредством лазерного луча предусматривал создание на пути луча
псевдолинзы, представляющей собой расширяющееся мелкодисперсное облако. Было доказано, что такое облако оказывает на луч действие, аналогичное собирающей линзе. Имеются и более известные нам
примеры. Например, свободное расширение в пространстве облака
водяного пара (адиабатическое расширение) приводит к уменьшению
его температуры, что вызывает процессы конденсации молекул воды в
капли.
Конкретные механизмы всех процессов могут быть самыми неожиданными. Природа очень изобретательна. Так, например, одним из
примеров может являться стратегия жизни Пьера Тейяра де Шардена: жизнь действует путем создания множества различных вариантов
(мутаций), которое, расширяясь во всех возможных направлениях,
обязательно найдет верные решения задачи поиска наиболее удачной
организации живых существ, отвечающих требованиям внешней среды в данный момент времени. Он назвал это техникой пробного нащупывания, которая есть «неотразимое оружие всякого расширяющегося
множества. В нем сочетаются слепая фантазия больших чисел и определенная целенаправленность. Это не просто случай, с которым его
хотели смешать, но направленный случай.»
Когда какой–то вид сталкивается с определенной проблемой, например, с изменением условий существования, то в нем увеличивается
количество мутаций, которые «прощупывают» все возможные варианты изменения структуры организма. Неудачные мутации «забраковываются» внешней средой. Они называются рецессивными, т.е. исчезающими через несколько поколений. Среди огромного количества
неудачных вариантов, заполняющих собой все пространство потенциальных возможностей, обязательно найдутся варианты, для которых
новые условия среды окажутся наиболее оптимальными. Такие решения получают преимущества во внутривидовой конкуренции, быстро
заполняя собой имеющиеся экологические ниши. В результате со временем количество вариантов уменьшается до нескольких наиболее
удачных решений. Остальные уходят с арены жизни, обогатив ее опытом ошибок. Они как бы отдают свою жизненную силу тем, кто «уга-
46
дал» правильный путь. Все работает на благо выживания вида в целом,
а не отдельной особи.
Существует точка зрения, что человекообразные (а возможно и
все) обезьяны, реликтовые гоминоиды (петикантроп, неандерталец и
т.п.) и современные люди возникли одновременно в процессе единой
мутовки, поэтому бесполезно искать промежуточные ветви. Поэтому
человек, скорее всего, не произошел от человекообразной обезьяны, но
мы имеем общего предка.
Есть основание полагать, что наибольшей изменчивостью обладают наиболее развитые в данный момент виды организмов. То есть сейчас наиболее интенсивно эволюционирует человек, как наиболее
сложная на Земле форма организации материи. Наиболее развитый вид
не имеет врагов, поэтому заполняют все доступное пространство, после чего дальнейшее усложнение жизни количественным путем становится невозможным, поэтому формируется мутовка, одним из механизмов которой является, по–видимому, кровосмешение.
Современному человеческому обществу присущи все признаки
мутовки.
4.2. ИЕРАРХИЯ И СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ
Самоорганизующиеся системы, в том числе и живые организмы,
могут существовать только в потоке энергии, из которого они черпают
информацию для упорядочения своей внутренней структуры. Чем
сложнее структура организма, тем больший поток информации из окружающей среды требуется для того, что поддерживать эту структуру
в упорядоченном состоянии, тем большим разрушениям подвергнет он
окружающую среду. Если организм развивается, то количество потребляемой информации оказывается большим, чем это требуется для
поддержания упорядоченности. Излишек потребленной информации
накапливается в усложняющейся четко упорядоченной структуре организма. Таким образом, организм аккумулирует в себе информацию
(порядок), и чем сложнее структура организма, тем больше информации в нем аккумулировано.
Мы пока еще не привыкли оперировать понятием информации.
Тем не менее, это вполне реальная физическая величина, обратная энтропии. В физике понятию информации в наибольшей мере соответствует понятие свободной энергии, то есть энергии, информационное
содержание которой (качество) выше (а энтропия ниже), чем качество
энергии в окружающей среде. Поэтому вместо потока информации в
настоящее время часто говорят о потоке энергии, вместо накопленной
информации говорят о накопленной энергии, хотя это не совсем кор47
ректно. Отдавая дань традиции, в дальнейшем мы также будем оперировать понятием энергии, не забывая при этом, что речь идет именно о
свободной энергии, являющейся своего рода мерой информации.
Таким образом, чем сложнее форма организации системы, тем
больший поток энергии требуется для поддержания стабильности ее
структуры и, наоборот, если поток энергии, проходящий через систему, усиливается, то структура системы усложняется. Пример: турбулентное течение жидкости в трубе. Пока разность давлений на концах
трубы, по которой течет жидкость, незначительна, отдельные струи
потока не перемешиваются (ламинарное течение), то есть поток оказывается упорядоченным. Когда давление превышает определенное
критическое значение, отдельные струи начинают закручиваться в
вихри, которые перемешиваются друг с другом. Чем больше разность
давлений, тем сложнее картина потока, тем больше энергии аккумулирует в себе поток. То есть можно провести прямую зависимость между
сложностью организации потока энергии и количеством энергии, переносимым данным потоком.
Как мы выяснили ранее, жизнь на поверхности Земли зарождалась
и развивалась в условиях постепенно увеличивающегося потока энергии от Солнца (в результате остывания поверхности планеты). Это
говорит о том, что структура биосферы должна постоянно усложняться. Поэтому на протяжении всей истории жизни мы наблюдаем неуклонное усложнение организмов, увеличение видового разнообразия, а
также увеличение количества структурных уровней в иерархической
организации биосферы. Все это порождает ряд более частных законов,
которым подчиняется эволюция биосистем Земли.
К числу таких законов можно отнести в частности закон максимизации энергии, который гласит: «Выживание одной самоорганизующейся системы в конкуренции с другими определяется ее способностью организовать поступление наибольшего количества качественной (низкоэнтропийной) энергии и использовать эту энергию с наибольшей эффективностью (в максимальной степени уменьшить внутреннюю энтропию системы за счет увеличения энтропии выходного
потока)». Поэтому энергетическая конкуренция в условиях ограниченного количества энергии, поступающей от Солнца, способствует усложнению форм организации систем.
Более сложные устойчивые структуры потребляют больше энергии, лишая ее менее сложные структуры.
Таким образом, эволюционный процесс неизбежно сопровождается ростом сложности организации и ростом упорядоченности систем.
Это сдерживает рост энтропии системы. Здесь уместно вспомнить за48
кон Фишера: «Чем выше сложность и больше разнообразие функций
в организации сложной системы (в живой природе это достигается
видовым разнообразием), тем больше ее устойчивость, то есть ее защищенность от случайностей».
Если вы помните, разнообразие создает многомерный базис, на
который проецируется любое внешнее явление. Это и позволяет биосистеме сформировать более правильную реакцию на внешнее воздействие. Как уже отмечалось, разнообразие функций может быть повышено путем консолидации элементов различного происхождения в
единую систему, то есть путем агрегации. При объединении такие
элементы получают особые внутрисистемные функции, наиболее соответствующие их изначальной природе. Это повышает энергетическую эффективность системы. Поэтому агрегация присутствует на
всех уровнях природных систем.
По сути дела, именно агрегация является механизмом формирования иерархической лестницы природных систем:
• агрегация элементарных частиц рождает атомы,
• агрегация атомов – молекулы,
• агрегация молекул – макромолекулы (полимеры), вирусы
и т.п.,
• агрегация макромолекул – клетки,
• агрегация клеток – многоклеточные организмы,
• агрегация многоклеточных организмов – социальные
формы жизни (социальные организмы).
С каждым новым иерархическим уровнем количество элементов
уменьшается, зато возрастает сложность системной организации, возникают новые (эмерджентные) качества. Аксиома эмерджентности
гласит: целое имеет всегда особые свойства, отсутствующие у чаcтей
подсистем и не равно сумме элементов, не объединенных системообразующими связями. Именно эти связи рождают те свойства, которые
отсутствуют на предыдущем уровне системной иерархии.
Чем четче специализация и чем сложнее организация, тем сильнее
система проявляет себя как единое целое (организм), тем сильнее ее
эмерджентные качества и тем труднее выявить те конкретные внутрисистемные связи (и даже целые комплексы связей), которые породили
ту или иную эмерджентность данной системы. Каждая эмерджентность подчинена определенной внутрисистемной цели. Весь комплекс
эмерджентностей данной системы оказывается слитым в единое целое.
Он, с одной стороны, стабилизирует структуру системы, а с другой
стороны, вписывает данную систему в метасистему более высокого
иерархического уровня, обеспечивая выполнение данной системой
49
какой–то особой внутриметасистемной функции. Вследствие всего
этого он обладает качеством, аналогичным в той или иной степени
человеческому разуму, так как призван реализовать внутрисистемную
целесообразность. Если система существует долго и устойчиво, то
можно сказать, что она гармонична, а потому целесообразность функционирования данного комплекса эмерджентностей подчинена принципу оптимальности, что еще больше усиливает аналогию с разумом.
Конечно, это не человеческий разум. Это лишь проявление целесообразности и оптимальности. Но в сложных системах (например, в
экосистеме леса) это проявление настолько сложное, что оно невольно
ассоциировалось у наших предков с существом, обладавшим пусть не
совсем понятной, но, без сомнения, большой мудростью.
В этом плане наши предки были более наблюдательны, чем мы.
Современный человек проникнут идеями редукционизма, и стремится
все разложить по полочкам, выяснить «как это устроено». Но через
микроскоп не увидишь слона. Для этого надо расширить поле зрения.
Это у наших предков получалось гораздо лучше. Мы же только в рамках системного подхода начинаем приближаться к подобному пониманию природы.
Таким образом, под организмом мы будем понимать самоорганизующуюся систему, которая представляет собой агрегацию элементов
с четкой специализацией функций, ориентированных на поддержание
устойчивости системы в целом, в результате чего поведение элементов
подчинено целостному комплексу эмерджентностей системы.
В принципе, любую форму жизни можно назвать социальной
формой по отношению к существам более низкого уровня данной иерархии. Последней наблюдаемой нами ступенью агрегации являются
так называемые социальные системы или, образно говоря, «многоособевые организмы». Примерами таких систем могут служить муравейники, пчелиные семьи и т.п.
Так, инстинкты муравья, например, можно понять только изучая
муравейник как единый организм. И не важно, что «клетки» этого организма очень подвижны. Внутри данного организма наблюдается
четкое разделение функций, выразившееся даже в изменении строения
тел различных групп насекомых. Здесь есть муравьи–самки, муравьи–
самцы, воспитатели, строители, воины и т.п. Их специализация закреплена в особенностях строения их тел. Каждый муравей в отдельности
нежизнеспособен. Все переплетено и отлажено. И не только муравьи
населяют муравейник. Для усиления разнообразия функций внутри
муравейника присутствуют и другие формы жизни, взаимоотношения
с которыми достигли симбиоза. Например, некоторые тропические
50
муравьи разводят для своего питания целые грибные сады на листьях,
принесенных в муравейник. Муравьи специально удобряют посевы
грибов, что ускоряет разложение листьев, потому что в фекалиях муравьев содержатся ферменты, которых нет у грибов. Только после этого грибы могут успешно размножаться на свежих листьях. Подобных
примеров огромное множество. Для них характерно проявление четкой органичной взаимосвязи всех подсистем, не позволяющей разложить целостную систему на независимые компоненты. Это и есть отличительная особенность живого организма. Вся совокупность внутрисистемных связей муравейника образует нечто целостное, неразрывно связанное с муравейником и управляющее всей его жизнью –
«дух муравейника».
К аналогичным социальным видам относится и человек. Человеческое общество все больше напоминает единый высокоразвитый организм, который обладает индивидуальностью в той мере, в какой дифференцированы и специализированы внутриобщественные связи.
Этот вывод можно применить практически к любой биосистеме.
Так четко организованная и высоко дифференцированная колония клеток организма человека имеет свои системные качества, которые находят многочисленные проявления в его инстинктах, психике, разуме и
т.п. Даже отдельная группа людей, объединенных какой–то целью
(возможно, даже временной) имеет свою особенность (семьи, коллектива, толпы и т.п.). Любая стая или стадо животных объединяется в
единое целое соответствующим «эффектом стаи». Любая экосистема
также имеет свою особенность, сложность проявлений которой зависит от четкости и степени сложности организации данной системы.
4.3. ГИПОТЕЗА ГАИ
Гипотеза Гаи (Гая, или Гея – богиня земли): «Сообщества живых
организмов и среда их обитания развиваются как единое целое (социальный организм); при этом не только среда влияет на организмы, но и
организмы изменяют среду; то есть организмы вместе с физической
средой образуют сложную стабильную саморегулирующуюся систему,
в которой сохраняются условия, благоприятные для жизни». В такой
формулировке эта гипотеза сейчас практически ни у кого не вызывает
возражений. Однако, ее можно существенно расширить.
Известно, что в биосфере все тесно взаимосвязано и взаимообусловлено. Биосфера как организм настолько высокоорганизованна, что
не исключено наличие у нее мощного личностного фактора. В недрах
Земли также идут какие–то упорядоченные процессы, о чем свидетельствует, в частности, наличие магнитного поля и т.п. Известно, что
51
Земля (не только верхние слои, но и недра планеты) активно влияет на
процессы в биосфере. Достаточно вспомнить, что согласно статистическим данным количество землетрясений, извержений вулканов и
прочих природных катаклизмов в местах локальных военных конфликтов возрастает. Из всего этого в совокупности с вышесказанным
напрашивается вывод: планета представляет собой грандиозный социальный организм со всеми особенностями, свойственными живым организмам, где каждой подсистеме (в том числе и человеческому обществу) соответствует определенное место и особая роль, которую должна играть данная подсистема ради сохранения системной целостности.
Выводы по теме
1. В биосфере все тесно взаимосвязано и взаимообусловлено.
2. Биосфера как организм настолько высокоорганизованна, что
не исключено наличие у нее мощного личностного фактора.
3. Планета представляет собой грандиозный социальный организм со всеми особенностями, свойственными живым организмам, где
каждой подсистеме (в том числе и человеческому обществу) соответствует определенное место и особая роль, которую должна играть данная подсистема ради сохранения системной целостности.
4. Жизнь действует путем создания множества мутаций, которое, расширяясь во всех возможных направлениях, обязательно найдет
верные решения задачи поиска наиболее удачной организации живых
существ, отвечающих требованиям внешней среды в данный момент
времени.
5. Человеческое общество все больше напоминает единый высокоразвитый организм, который обладает индивидуальностью в той
мере, в какой дифференцированы и специализированы внутриобщественные связи.
6. Все работает на благо выживания вида в целом, а не отдельной особи.
7. Современному человеческому обществу присущи все признаки мутовки.
8. Чем сложнее форма организации системы, тем больший поток
энергии требуется для поддержания стабильности ее структуры и, наоборот, если поток энергии, проходящий через систему, усиливается,
то структура системы усложняется.
9. Любую форму жизни можно назвать социальной формой по
отношению к существам более низкого уровня данной иерархии
52
Вопросы для самоконтроля
1. Сформулируйте Гипотезу Гаи.
2. О чем свидетельствует, в частности, наличие магнитного поля у
Земли?
3. Приведите аргументы, что Земля активно влияет на процессы в
биосфере.
4. Основные этапы эволюции жизни на Земле.
5. Характерные черты эволюционного процесса.
6. Дайте определение понятиям «агрегация» и «эмерджентность».
7. Дайте определение понятиям «мутации» и «мутовки».
8. Сформулируйте закон максимизации энергии.
9. Механизм формирования иерархической лестницы природных
систем.
10. В чем проявляется эмерджентность высокоорганизованных биосистем?
11. Сформулируйте закон Фишера.
Тестовые вопросы
1. Суть теории креационизма (панспермии, эволюции).
1) Жизнь принесена на Землю из космоса;
2) Все живое происходит только от живого;
3) Жизнь создана высшим существом – Богом;
4) Жизнь возникла в результате эволюции на Земле.
2. Формулировка принципа единства Вселенной:
1) совокупность взаимодействующих друг с другом явлений всегда едина;
2) все экосистемы Вселенной находятся в тесной и неразрывной
взаимосвязи;
3) целостность и единство экосистем представляют собой слаженный организм;
4) все явления Вселенной находятся в тесной и неразрывной взаимосвязи.
3. Формулировка принципа дополнительности:
1) во Вселенной все взаимосвязано, любое явление влияет на весь
мир и само испытывает влияние от всех явлений Вселенной;
2) любое явление может рождаться и существовать в физической
реальности только в паре со своей противоположностью (отрицанием);
3) все явления и процессы во Вселенной взаимоуравновешены так,
что по любому проявлению в целом Вселенная равна нулю так же, как
и до ее возникновения;
53
4) все явления Вселенной находятся в тесной и неразрывной взаимосвязи.
4. Формулировка закона Хаббла – …
1) все галактики удаляются от земли с постоянной скоростью;
2) все далекие галактики удаляются от нас со скоростями, прямо
пропорциональными расстояниям до них;
3) вселенная представляет собой расширяющуюся четырехмерную
сферу;
4) чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
5. Эмерджентность означает ...
1) образное отражение окружающего мира;
2) наличие особых свойств у целой системы, отсутствующих у частей–подсистем;
3) свойства отдельных компонентов системы.
6. Эмерджентными свойствами обладают ...
1)сложные системы;
2)отдельные биосистемы;
3)отдельные экосистемы;
4)высокоорганизованные биосистемы.
7. Иерархичность систем:
1) индивидуальное развитие особи повторяет историческое развитие вида
2) наличие особых свойств у целой системы, отсутствующих у частей–подсистем;
3) меньшие подсистемы составляют большие подсистемы, сами
являющиеся подсистемами более крупных систем;
4) часть является миниатюрной копией целого, а потому все части
одного уровня систем похожи друг на друга.
8. Найти соответствие методам изучения сути явлений в науке:
1 – редукционизм, 2 – холизм.
[а] Исходит из наличия факта существования самого явления как
некой целостности, не вдаваясь в вопросы о механизмах его реализации. Зная особенности этой целостности, можно прогнозировать свойства элементов, из которой она состоит;
[b] Необходимость разложения явления на составляющие его детали, механизмы и прочие частности. Зная механизмы данного явления, можно судить о явлении в целом, а значит, прогнозировать его,
воспроизводить и использовать на практике.
54
9. Агрегация клеток приводит к
1) эволюции систем; 2) возникновению живых существ;
3) возникновению социальных живых систем;
4) возникновению многоклеточных организмов.
10. Соотнести формулировки:
1 – второго закона термодинамики, 2 – энтропии, 3 – принципа Реди.
[а] Мера хаоса, а также мера неопределенности, непредсказуемости, абсурда в системах;
[b] В любом реальном процессе энтропия Вселенной возрастает;
[c] Все живое происходит только от живого.
11. Найти соответствующие определения: 1– принципу единства
Вселенной, 2 – принципу дополнительности, 3 – принципу оптимальности, 4 – принципу абсолютного нуля.
[a]Любое явление может рождаться и существовать в физической
реальности только в паре со своей противоположностью (отрицанием);
[b]Во Вселенной реализуются лишь оптимальные состояния и процессы;
[c]Во Вселенной все взаимосвязано, любое явление влияет на весь
мир и само испытывает влияние от всех явлений Вселенной;
[d]Все явления и процессы во Вселенной взаимоуравновешены
так, что по любому проявлению в целом Вселенная равна нулю так же,
как и до ее возникновения.
12. Найти соответствующие определения законам
1)максимизации энергии 2) Фишера.
[a]Выживание одной самоорганизующейся системы в конкуренции с другими определяется ее способностью организовать поступление наибольшего количества качественной энергии и использовать эту
энергию с наибольшей эффективностью;
[b]Чем выше сложность и больше разнообразие функций в организации сложной системы, тем больше ее устойчивость, то есть ее защищенность от случайностей.
13. Формулировка принципа оптимальности:
1)любое явление может рождаться и существовать в физической
реальности только в паре со своей противоположностью (отрицанием);
2) во Вселенной все взаимосвязано, любое явление влияет на весь
мир и само испытывает влияние от всех явлений Вселенной;
3) во Вселенной реализуются лишь оптимальные состояния и процессы.
55
Лекция 5
БИОСФЕРА
Детализированные цели изучения раздела
– познакомить с устройством и функционированием целостного
«организма» биосферы;
– сформировать знания для построения неистощительного природопользования;
– сформировать знания о современном состоянии биосферы и механизмах устойчивости биосферы;
– проанализировать учение В.И. Вернадского и оценить его занчение для современной науки.
ВВЕДЕНИЕ
Глобальная экология изучает биосферу в целом, т.е. как экосистему, охватывающую весь земной шар. Термин ввел в 1977 г. Будыко
М.И. Основные направления исследований:
• Взаимодействие биосферы с различными факторами (антропогенными, космическими, геохимическими и др.);
• Внутренние связи самой биосферы (роль процессов, происходящих в недрах Земли, в космосе и пр.);
• Эволюция биосферы, ее связь с антропогенным воздействием на
окружающую среду;
• Прогнозы возможных направлений развития биосферы;
• Методы сохранения и улучшения биосферы (в частности, контроль и управление факторами антропогенного происхождения).
Термин «биосфера» ввел австрийский ученый–геолог Э.Зюсс в
1875 г. В современной науке под биосферой понимают глобальную
экосистему – совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты, где встречаются живые организмы и продукты их жизнедеятельности. Верхняя граница теоретически определяется озоновым слоем
(20–60 км), практически же максимальная высота над уровнем моря,
на которой может существовать живой организм, ограничена уровнем,
до которого сохраняются положительные температуры (6–7 км).
Нижняя граница определяется дном океана (11 022 м – Марианская впадина) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100 0С ( 6 км на Кольском полуострове).
Структура биосферы:1. Тропосфера – воздушная среда – нижняя
часть атмосферы, 10–15км в высоту;
1. Гидросфера – водная среда, до 12 км в глубину;
2. Литосфера – значительная часть твердой оболочки земли, до
2–5 км в глубину.
56
5.1. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО
Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит
нашему соотечественнику академику Владимиру Ивановичу Вернадскому.
Рассмотрим только некоторые из положений В.И. Вернадского,
которые наиболее полно характеризуют теорию биосферы:
1) жизнь есть неизбежное следствие мирового эволюционного
процесса, любые теории случайного зарождения жизни не выдерживают критики;
2) возникновение Земли как космического тела и появление на ней
жизни произошло практически одновременно, следы жизни обнаруживаются в самых глубоких геологических слоях;
3) наша планета и космос есть единая система, в которой жизнь
связывает все процессы в единое целое;
4) жизнь является главной геологической силой на планете. Не
вулканизм и не физико–химические процессы выветривания определяют эволюцию верхних слоев литосферы, а первостепенную преобразующую роль играют именно живые организмы и обусловливаемые
ими механизмы разрушения горных пород, круговороты веществ, изменения водной и атмосферной оболочек Земли. Весь лик Земли, ее
ландшафты, химизм океана, структура атмосферы – это порождение
жизни;
5) человек есть неизбежное следствие эволюции планеты, на которого возложена определенная роль в жизни планеты;
6) однажды развитие биосферы и человеческого общества сделается неразрывным, и биосфера перейдет в новое состояние – ноосферу
(сфера разума).
В общепринятом сейчас понимании под ноосферой подразумевают такое состояние взаимоотношений человека и природы, в котором
развитие планеты будет подчинено управляющей силе Разума Человека в интересах Человека. Действительно, человеку в организме биосферы, по крайней мере на современном этапе эволюции планеты, отводится, по–видимому, роль подсистемы, координирующей внутренние процессы биосферы. Особый интерес вызывает точка зрения Пьера Тейяра де Шардена, близкого друга Вернадского, епископа и одновременно ученого–эволюциониста. Он предложил использовать термин ноосфера для обозначения особого этапа эволюции планеты, на
котором человеческий разум, слившийся с биосферой в единое целое,
породит особое эмерджентное качество – сверхразум планеты, что
57
знаменует собой «прорыв» в самоосознании планетой себя как личности (если этого еще не произошло).
Основные свойства биосферы.
1. Биосфера – это централизованная система. Центральным ее звеном выступают все живые организмы (живое вещество), в том числе и
человек.
2. Биосфера – это открытая система. Ее существование немыслимо
без поступления энергии извне, прежде всего от Солнца. Однако разного рода космические излучения также вероятно поставляют на Землю какие–то энергии, о влиянии которых можно пока лишь догадываться.
3. Биосфера – это саморегулирующаяся система. Это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность гасить возникающие возмущения и приходить в исходное состояние включением ряда
механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями.
4. Биосфера – это система, характеризующаяся большим разнообразием. Это повышает ее устойчивость. В настоящее время описано
около 2 млн. видов живых организмов. Полагают, что их на Земле в 2–
3 раза больше. К настоящему времени арену биосферы оставили более
95% существовавших когда–то видов. Вся деятельность человека без
исключения подчинена упрощению экосистем любого ранга, то есть
уменьшению разнообразия видов. Так мы засеваем огромные площади
монокультурами, тратя при этом огромные средства на борьбу с природой, пытающейся восстановить разнообразие видов на данных территориях путем одновременного засевания их семенами “диких” растений, которых мы относим в разряд сорняков. Простые экосистемы с
малым разнообразием удобны для эксплуатации. Они позволяют в короткое время получить большой объем продукции. Плата за это снижение устойчивости экосистем, их распад и деградация среды.
5. Наличие механизмов, обеспечивающих круговорот веществ. Это
гарантирует неисчерпаемость отдельных химических соединений. При
отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан
весь углерод. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов. Как говорил академик–почвовед В.Р. Вильямс,
есть единственный способ сделать какой–либо процесс бесконечным –
пустить его по пути круговоротов.
Современное состояние биосферы определяется в большей степени деятельностью человека. С каждым годом воздействие человека на
природу становится все более масштабным. Примером тому может
58
служить возросшее количество природных катаклизмов на планете,
что является прямым следствием нашей жизнедеятельности.
5.2. ТИПЫ ВЕЩЕСТВ, СЛАГАЮЩИХ БИОСФЕРУ
В.И.Вернадским был определен вещественный состав биосферы,
куда он включил него семь глубоко разнородных природных, но геологически не случайных частей:
1) живое вещество – совокупность живых организмов биосферы,
численно выраженная в элементарном химическом составе, массе и
энергии. Живое вещество составляет порядка 0.01–0.02 % от массы
всей биосферы. Общий вес живого вещества порядка (2.4–3.6)×1012 т
(в сухом весе);
Рис.5.1.
2) биогенное вещество, образующееся в результате жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть, торф, а также известняки, руды металлов и т.п.);
3) косное вещество – образуется без участия живых организмов и
не вовлекается в круговороты веществ (лава, метеориты);
4) биокосное вещество – создается совместно процессами неорганической природы и живыми организмами – вода, почва, кора выветривания, илы);
59
5) вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);
6) рассеянные атомы – создающиеся из земного вещества под
действием космических излучений;
7) вещество космического происхождения в форме метеоритов,
космической пыли и др.
В настоящее время данную классификацию дополняют еще одной
группой веществ, образующихся в процессе деятельности человека.
Это так называемые антропогенные вещества. Часть из них участвует в естественном круговороте вещества, но многие соединения практически не утилизируются живым веществом, а потому представляют
огромную опасность для биосферы. Это в первую очередь разного рода полимерные материалы, типа целлофана, капрона и т.п. Единственным деструктором (разрушителем) для этих веществ пока что остается
человек. Правда, природа похоже начинает приспосабливаться к этой
стороне человеческой деятельности. Так известны случаи, когда крысы
перегрызали пластмассовую изоляцию кабелей. Некоторые, вероятно,
сталкивались также с поражением молью синтетических тканей. Многие антропогенные вещества являются ядовитыми для большинства
живых организмов. Особую опасность для жизни представляют радиоактивные вещества, прошедшие в производстве стадию обогащения, то
есть повышения концентрации до таких размеров, в которых в природе
они не встречаются.
Биосферу необходимо представлять как сложнейший механизм
геологического и биологического развития и взаимодействия косного
и биогенного вещества. Биосфера – с одной стороны среда жизни, а с
другой – результат жизнедеятельности. Главная специфика современной биосферы – это четко направленные потоки энергии и биогенный
(связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ.
Разрабатывая учение о биосфере Вернадский пришел к выводу,
что главным трансформатором космической энергии является зеленое
вещество растений. Только зеленые растения способны перехватывать
энергию солнечного излучения и создавать первичные органические
соединения. Для объяснения большой суммарной энергии биосферы
Вернадский произвел расчеты, которые действительно показали огромное значение фотосинтезирующих растений в создании общей органической массы. Ученый подсчитал, что поверхность Земли составляет меньше одной десятитысячной поверхности Солнца. Общая же
площадь трансформационного аппарата зеленых растений в зависимости от времени года составляет уже от 0,86 до 4,2% площади поверхности Солнца. Разница колоссальная. Этот зеленый энергетический
60
потенциал и лежит в основе сохранения и поддержания всего живого
на нашей планете.
Одним из центральных звеньев концепции биосферы является
учение о живом веществе. Анализируя проблему миграции атомов,
В.И.Вернадский пришел к выводу, что «нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества».
Главное предназначение живого вещества и его неотъемлемый атрибут – накопление свободной энергии в биосфере. Обычная биогеохимическая энергия живого вещества производится, прежде всего, путем размножения.
В 30–е годы В.И. Вернадский из общей массы живого вещества
выделяет человечество, как его особую часть. Такое обособление человека от всего живого стало возможным по трем причинам. Во–
первых, человечество является не производителем, а потребителем
биогеохимической энергии. Во–вторых, масса человечества, исходя из
данных демографии, не является постоянным количеством живого вещества. И, в–третьих, его геохимические функции характеризуются не
массой, а производственной деятельностью.
Рассмотрим основные свойства живого вещества.
1. Высокая химическая активность благодаря биологическим катализаторам (ферментам). В живых организмах при ничтожных температурах протекают реакции между веществами, которые в воздухе не
соединяются, даже в лабораторных печах при 1000–градусной жаре.
Живые организмы, например, способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при нормальных атмосферных условиях,
что в промышленных условиях требует температуры порядка 500°С. и
давления 300–500 атмосфер.
2. Высокая скорость протекания реакций. Она значительно выше,
чем в неживом веществе; например, некоторые гусеницы потребляют
за день количество пищи, которое в 100–200 раз больше веса их тела;
дождевые черви, совокупная масса которых в 10 раз больше биомассы
всего человечества, за 150–200 лет пропускают через свои организмы
весь однометровый слой почвы; практически все осадочные породы
(слой 3 и более километров) на 95–99 % переработаны живыми организмами;
3. Высокая скорость обновления живого вещества. В среднем для
биосферы она составляет 8 лет, для суши – 14 лет, а для океана – 33
дня (здесь преобладают организмы с коротким периодом жизни). За
всю историю существования жизни общая масса живого вещества,
прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.
61
4. Способность быстро занимать все свободное пространство. По
словам Вернадского, «живое вещество – совокупность организмов, –
подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает
определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия,
мешающие его движению, или ими овладевает, их покрывает. Это
движение достигается путем размножения организмов». Именно это
свойство позволило сделать вывод о постоянстве количества живого
вещества во все эпохи. Некоторые микроорганизмы могли бы освоить
весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности. Так, например,
численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 минуты.
Кроме того, жизнь обладает способностью увеличивать поверхность
своего тела. Например, площадь листьев растений на 1 га, составляет
8–10 га и более. То же относится и к корневым системам.
5. Активность движения вопреки принципу роста энтропии. Вся
история жизни есть свидетельство борьбы с энтропией, то есть с силами разрушения. Жизнь сопротивляется естественному ходу событий,
направленному на установление равновесия в природе. Наиболее показательными в этом плане являются такие примеры, как движение рыб
против течения реки, движение птиц против силы тяжести и воздушных потоков и т.п.
6. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти. В
любом живом организме, в том числе и в организме биосферы, жизнь
и смерть не могут обходиться друг без друга. Мы живем потому, что в
нас беспрерывно что–то умирает и заменяется новым, а нарождающееся новое через развитие приходит к своей гибели. Любая подсистема
организма после смерти должна вернуть вещество в круговорот жизни.
Это обеспечивает бесконечность жизненного процесса.
7. Высокая приспособительная способность (адаптация). Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к абсолютному нулю, другие встречаются в термальных источниках с температурой до 140°С, в жерлах вулканов, в сверхглубоких впадинах океана,
в водах атомных реакторов, бескислородной среде и т.п.
Для живого вещества характерно то, что слагающие его химические соединения, главнейшими из которых являются белки, устойчивы
только в живых организмах. После завершения процесса жизнедеятельности исходные живые органические вещества разлагаются до
химических составных частей.
Живое вещество существует на планете в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему вновь образовавшееся, оно генетически связано с живым веществом прошлых эпох. Это – главная
62
структурная единица биосферы, определяющая все другие процессы
поверхности земной коры. Для живого вещества характерно наличие
эволюционного процесса. Генетическая информация любого организма зашифрована в каждой его клетке. При этом этим клеткам изначально предначертано быть самими собой, за исключением яйцеклетки, из которой развивается целый организм.
Круговорот отдельных веществ В.И.Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Эти циклы и круговорот обеспечивают важнейшие функции живого вещества в целом.
Рассмотрим основные функции живого вещества в биосфере.
1. Энергетическая – аккумулирование энергии и перераспределение ее по пищевым цепям.
Основным механизмом накопления энергии в биосфере является
реакция фотосинтеза. Имеется также довольно незначительный процент хемосинтезирующих живых существ, чей жизненный цикл опирается на энергию химических соединений. Это разного рода бактерии
(железобактерии, серобактерии, азотобактерии и др.). Обнаружены
целые экосистемы, функционирование которых основано на активности хемосинтезирующих бактерий и не зависящих от продуктов фотосинтеза. Это глубоководные системы, где в абсолютной темноте вблизи выходов горячей воды, богатой минеральными солями и серой, помимо бактерий существуют и уникальные многоклеточные животные,
типа двустворчатых моллюсков длиной около 30 см и трехметровые
черви, получающие энергию от хемосинтезирующих бактерий. Возможно, было время, когда такие формы жизни были более разнообразными и заполняли всю поверхность Земли, до которой ввиду интенсивной вулканической деятельности не могли пробиться солнечные
лучи.
2. Окислительно–восстановительная – окисление вещества в процессе жизнедеятельности и восстановление в процессе разложения при
дефиците кислорода.
Наряду с фотосинтезом в зеленых растениях на Земле происходит
почти равное ему по масштабу окисление органических веществ в
процессе дыхания, брожения, гниения с выделением воды, углекислого газа и теплоты, которая после этого излучается в космическое пространство. Существенно меньшая часть энергии Солнца консервируется в земной коре, или, по словам Вернадского, «уходят в геологию»,
формируя залежи каменного угля, нефти, торфа и т.п. Эти процессы
связаны с протеканием в бескислородной среде реакций восстановления, сопровождающихся образованием и накоплением сероводорода и
метана.
63
3. Газовая – способность изменять и поддерживать определенный
газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.
Фотосинтез привел к постепенному уменьшению в атмосфере углекислоты и накоплению кислорода и озона. При этом в развитии биосферы наблюдалось по крайней мере два переломных момента: первая
точка Пастера (1.2 млрд лет назад), когда количество кислорода достигло 1 % от современного уровня и появились первые аэробные организмы (живущие только в кислородной среде, в отличие от анаэробных, живущих в бескислородной среде); вторая точка Пастера, когда
количество кислорода достигло 10 % от современного уровня, создались условия для синтеза озона и озонового слоя, что защитило организмы от ультрафиолетовых лучей. До этого данную функцию выполняли густые водяные облака.
4. Деструктивная – разрушение погибшей биоорганики и косных
веществ.
Это один из важнейших элементов круговорота веществ в биосфере, обеспечивающего непрерывность жизни путем превращения сложных органических соединений в минеральные вещества, необходимые
для растений, стоящих в самых первых звеньях пищевых цепей. Практически все живые организмы биосферы за исключением растений в
той или иной мере являются деструкторами (разрушителями). Однако
главная роль в этом процессе принадлежит грибам и бактериям.
Л.Пастер назвал бактерии «великими могильщиками природы». Одновременно жизнь участвует и в разрушении косных веществ (в частности горных пород), доводя их постепенно до состояния, после которого они могут быть вовлечены в круговорот жизни (так измельченные
горные породы являются необходимым компонентом почвы).
5. Информационная – накопление информации и закрепление ее в
наследственных структурах. Для живого характерен ряд свойств, которые в совокупности «делают» живое живым. Живое вещество отличается от неживого такими свойствами, как обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост, размножение, приспособляемость. Эти
свойства порознь в той или иной форме встречаются и в неживой природе, а, следовательно, не могут рассматриваться как специфические
свойства живого. Особенности живой природы базируются на генетической программе, передаваемой из поколения в поколение. Организация жизни на Земле характеризуется дискретностью и целостностью.
Среди живых организмов планеты нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Такое проявление дискретности и целостности основано на конвариантной редупликации, осуществляемой по матричному
принципу синтеза макромолекул (ДНК, РНК). Конвариантная редуп64
ликация, или самовоспроизведение с изменениями, является наиболее
общим и специфическим свойством жизни в известной форме существования на Земле. В его основе лежит способность к самовоспроизведению основных управляющих систем – ДНК, хромосом, генов. Конвариантная редупликация означает возможность передачи по наследству дискретных отклонений от исходного состояния (мутаций), что
создает предпосылку эволюции жизни. Таким образом, наиболее общим и специфическим свойством живого вещества является способность к самовоспроизведению.
6. Рассеивающая – рассеяние живых веществ на больших пространствах (рассеяние органики экскрементов или трупов разного рода
деструкторами, ветер разносит семена растений)
7. Концентрационная – способность организмов концентрировать
в своем теле рассеянные элементы окружающей среды. Любое живое
существо в процессе своей жизнедеятельности буквально по молекулам собирает из окружающей среды необходимые для него вещества и
консервирует их в своей структуре. Поэтому, например, концентрация
марганца в теле некоторых организмов превышает его концентрацию в
окружающей среде в миллионы раз. В условиях антропогенного загрязнения окружающей среды побочным следствием этого может являться накопление растениями, которые мы потребляем в пищу, веществ, которые являются токсичными для нашего организма. Результатом концентрационной деятельности живых организмов являются
залежи руд, известняков, горючих ископаемых и т.п.
8. Транспортная – перенос и перераспределение вещества и энергии. Это является одним из механизмов рассеивающей функции живого вещества. Часто такой перенос осуществляется на громадные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных.
9. Средообразующая – преобразование физико–химических параметров окружающей среды. В широком смысле результатом данной
функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают ее в определенном стабильном состоянии. Так состав атмосферы и гидросферы – это продукт жизнедеятельности в биосфере. Живые организмы создали особый тип биокосного
вещества – почвы. Коралловые заросли создают в океанах целые острова. Примером могут также служить леса, в которых микроклимат
существенно отличается от микроклимата поля. Анализ показывает,
что при отсутствии жизни на Земле, условия на ней были бы такими,
что по нашим понятиям жизнь на ней была бы попросту невозможной.
Ее атмосфера на 98 % состояла бы из углекислого газа (сейчас около
0.03 %), на 1,9 % – из азота (сейчас на Земле 79 % азота, являющегося
65
вопреки своему названию (азот – не поддерживающий жизни) основным элементом при построении аминокислот), кислорода практически
не было бы (сейчас 21 %), средняя температура поверхности 290 ±
50оС, не оставляющая никаких шансов на наличие воды в жидком состоянии. Словом, условия весьма похожие на условия планеты Венера.
При всем многообразии живое вещество физико–химически едино, имеет одни и те же эволюционные корни. Из закона физико–
химического единства живого вещества следует:
– нет такого физического или химического агента, который был
бы гибелен для одних организмов и абсолютно безвреден для других
(разница в концентрациях)
–количество живого вещества в пределах рассматриваемого геологического периода есть константа
– общее видовое разнообразие в биосфере есть константа (число
нарождающихся видов в среднем равно числу вымирающих).
5.3. УСТОЙЧИВОСТЬ БИОСФЕРЫ
Устойчивость — это способность биосферы сохранять в основных
чертах свою структуру и характер связей между элементами системы,
несмотря на внешние воздействия. Любая естественная экосистема,
сложившаяся исторически, сохраняется в относительно постоянном
виде достаточно длительное время. В этом проявляется ее устойчивость. При этом устойчивость обладает некоторой степенью толерантности (выносливости), позволяющей экосистеме самосохраняться при
небольших изменениях, происходящих в окружающей среде и самой
экосистеме. По устойчивости экосистемы делятся на два типа: резистентные, то есть способные сохраняться в устойчивом состоянии
под нагрузкой, и упругие, способные быстро восстанавливаться, если
по каким–то причинам были нарушены.
Назовем основные механизмы устойчивости биосферы.
1. Неизменное положение Земли в космосе в течение длительного
промежутка времени (не менее 4 млрд лет), определяющее постоянство поступления солнечной энергии (солнечная постоянная). Солнечная
постоянная определяет, в свою очередь, земные константы живого вещества: массу (около 1013 т), запасенную в химических связях энергию
(около 1018 ккал), средний химический состав биогенных элементов
(кислорода, водорода, углерода, азота).
2. Цикличность ее функционирования – то есть многократное использование биогенных веществ, которое лежит в основе биологического круговорота. Водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие
биогенные элементы совершают в экосистеме постоянные и много66
кратные миграции между телами живых организмов и физической
средой. Циклическое использование ограниченных по запасам веществ
делает их практически неисчерпаемыми. На этом основана бесконечность жизни экосистемы и ее устойчивое существование, иначе она
очень быстро исчезла бы, израсходовав все доступные ресурсы.
3. Стабильная численность популяций. Если представить, что растения образуют значительное количество растительной биомассы, а
фитофагов нет или их так мало, что они не успевают потреблять все
то, что производят зеленые продуценты, то экосистема не будет устойчивой и вскоре деградирует, так как в ней, с одной стороны, будет накапливаться неизрасходованная растительная биомасса (такое событие
произошло в биосфере 345 млн лет назад, в каменноугольный период),
а с другой — начнется истощение минеральных ресурсов, доступных
растению для его питания, поскольку не будет возврата веществ в неживую (абиотическую) среду. Того и другого сейчас не происходит,
так как на Земле существуют разнообразные биогеоценозы с различным видовым составом.
Устойчивость
биосферы
Видовое
разнообразие
Эволюция
видов
Передача
энергии
Круговорот
веществ
Стабильная
численность
популяции
Рис.5.2.
4. Видовое разнообразие. Чем более сложной является ее структура и чем выше степень упорядоченности, тем более устойчивой она
оказывается. Устойчивость глобальной экосистемы находится в прямой зависимости от того, насколько велико количество компонентов,
способных поддержать ее функционирование. Поэтому от многообразия природных комплексов живых организмов (биогеоценозов), распространившихся по всей поверхности Земли («растекание» жизни),
зависит устойчивость биосферы.
5. Непрерывное поступление солнечной энергии, используемой
фототрофными организмами и преобразуемой ими в первичное органическое вещество – пищу для консументов разных порядков.
67
6. Эволюция видов. Облик биосферы постоянно менялся во времени, так как изменялись условия жизни на планете. Палеонтологические
находки свидетельствуют, что организмы одних видов исчезали, уступая место другим, более приспособленным. Каждый период развития
биосферы характеризовался свойственным ему комплексом условий
среды и живых организмов. Стабильность биосферы на каждом этапе
ее развития обеспечивалась непрерывно поступающей солнечной
энергией и жизнедеятельностью бактерий, растений, животных, грибов. Организмы каждой из этих групп специализируются на выполнении определенных, свойственных только им функций, что обеспечивает замкнутость биогеохимических круговоротов веществ.
В поддержании устойчивости системы особенно большое значение
имеют избыточность информации и обратная связь. Избыточность информации в биосфере как глобальной экосистеме свидетельствует о
некотором сдвиге в сторону или созидания, или разрушения ее показателей. То и другое нарушает устойчивость экосистемы. С помощью
обратной связи система осуществляет управление многими процессами, происходящими в ней.
Биосфера — это сложная система, которая обеспечена внутренними механизмами (стратегиями) самостабилизации. Следует также заметить, что биосфера обладает предельной хозяйственной емкостью и
существует верхний порог этой емкости, превышение которого нарушает устойчивость биоты и окружающей среды. В пределах хозяйственной емкости биосфера и земные экосистемы выполняют принцип
Ле Шателье, быстро восстанавливая все нарушения окружающей среды. Превышение хозяйственной емкости приводит к прекращению
выполнения принципа Jle Шателье биотой, быстрому и все большему
размыканию биотического круговорота веществ, искажению геохимических балансов в экосистемах, что в конечном итоге ведет к загрязнению окружающей среды. Нарушения окружающей среды вызывают
трансформацию экологических ниш и, как следствие, гибель многих
видов организмов.
Выводы по разделу
1. Некоторые из положений В.И. Вернадского наиболее полно
характеризуют теорию биосферы. В общепринятом сейчас понимании
под ноосферой подразумевают такое состояние взаимоотношений человека и природы, в котором развитие планеты будет подчинено
управляющей силе Разума Человека в интересах Человека.
2. Современное состояние биосферы определяется в большей
степени деятельностью человека. С каждым годом воздействие чело68
века на природу становится все более масштабным и нарушает устойчивость биосферы.
3. Биосфера — это сложная система, которая обеспечена внутренними механизмами самостабилизации.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте определение биосферы.
2. Какова структура биосферы?
3. Перечислите основные положения теории Вернадского В.И.
4. Перечислите основные свойства биосферы.
5. Назовите различные типы веществ в биосфере.
6. Перечислите основные свойства живого вещества.
7. Каковы функции живого вещества в биосфере?
8. Перечислите основные механизмы, поддерживающие биосферу в устойчивом состоянии.
9. Перечислите признаки биосферы, которые отличают ее от
других оболочек Земли.
10. Каково значение зеленых растений для биосферы?
Тематика рефератов
1. Антропогенное воздействие на биосферу (литосферу, гидросферу,
атмосферу).
2. Пути сохранения биоразнообразия и генофонда биосферы.
3. Регламентация воздействия на биосферу.
4. Инженерная защита биосферы
5. Человек в биосфере.
6. Эволюция биосферы.
7. Ресурсы биосферы.
8. Особенности энергетики биосферы.
Тестовые задания
1. Функция живого вещества, связанная с поглощением солнечной
энергии в процессе фотосинтеза, а также с последующей передачей её
по пищевым цепям, называется:
1) энергетической; 2) концентрационной; 3) деструктивной.
2. Функция живых организмов, связанная с переносом вещества против действия силы тяжести и в горизонтальном направлении, называется:
1) транспортной; 2) энергетической;
3) газовой;
4) деструктивной.
69
3. Функция живых организмов, связанная со способностью изменять и
поддерживать определённый атмосферный состав, называется:
1) транспортной;
3) газовой;
2) энергетической;
4) деструктивной.
4. К признакам современной ноосферы относят:
[1] массовое потребление продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох;
[2] увеличение содержания свободного кислорода;
[3] появление новых трансурановых химических элементов;
[4] рассеивание энергии Земли;
]5] накопление энергии Земли.
5. К невозобновляемым природным ресурсам относят:
1) солнечную энергию;
2) топливно – энергетические ископаемые ресурсы.
6. К концентрационным функциям живого вещества биосферы относят:
[1] образование озонового экрана;
[2] выделение живыми организмами аммиака;
[3] аккумуляцию железобактериями железа;
[4] образование органических веществ при автотрофном питании;
[5] способность хвощей накапливать кремний.
7. К окислительно– восстановительным функциям живых организмов в
биосфере относятся:
[1] процессы аккумуляции железа; [2]) процессы фотосинтеза;
[3] процессы выделения аммиака; [4] процессы хемосинтеза;
[5] процессы минерализации органических веществ;
[6] процессы дыхания.
8. Гипотетическая стадия развития биосферы, когда в будущем разумная деятельность людей станет главным определяющим фактором её
устойчивого развития,– это:
1) магнитосфера;
3) литосфера;
2) ноосфера;
4) астеносфера.
9. Укажите три вещества, содержание которых в земной коре максимально:
[1] водород; [2] алюминий; [3] кислород; [4] кальций; [5] кремний.
70
10. Вернадский В.И. почву называл
1) косным веществом;
2) биокосным веществом;
3) биогенным веществом;
4) живым веществом.
11. Вернадский В.И. выделял пять биогеохимических функций живого
вещества в биосфере, одной из которых является
1) водная; 2) анаэробная; 3) газовая; 4) ферментативная.
12. Основным источником энергии всех природных процессов в биосфере является:
1) внутреннее тепло Земли; 2) космос; 3) солнечная радиация; 4) ветер.
13. Климат на планете изменялся в глобальном масштабе благодаря
1) химическим процессам внутри Земли;
2) жизнедеятельности растений;
3) изменению форм рельефа;
4) внешним космическим силам.
14. Закон константности количества живого вещества (Вернадского)
гласит:
1) количество живого вещества в биосфере – величина постоянная
2) количество живого вещества в биосфере увеличивается
3) количество живого вещества в биосфере уменьшается
Лекция 6
ДВИЖЕНИЕ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ
Детализированные цели изучения раздела
– сформировать у студента системы необходимых знаний о путях
движения
• энергии в биосфере по пищевым цепям и сетям;
• потоков вещества посредством круговоротов;
– научить студентов использовать полученные знания о процессах, происходящих в биосфере, для обоснования мероприятий по охране природы;
– сформировать у студентов отрицательное отношения к деятельности человека, наносящей ущерб природной среде, убедиться в том?
что Планета Земля – саморегулирующаяся система, но лишь до тех
пор, пока живые организмы поддерживают баланс окружающей среды.
ВВЕДЕНИЕ
Жизнь на планете развивается в условиях практически постоянного количества вещества. Это порождает особые механизмы, связанные
в первую очередь с понятием «смерть». Если бы не было смерти с по71
следующим возвращением вещества в круговорот, жизнь не смогла бы
существовать, тем более постоянно наращивать сложность форм.
Любой организм как открытая система существует в потоке вещества. Например, организм человека обновляет практически все вещество в среднем за семь лет. Это происходит благодаря гармонично сочетающимся процессам созидания и разрушения элементарных форм
жизни, образующих его. Сырье для внутреннего созидания мы получаем в основном с пищей. Отработанное вещество удаляется из организма в окружающую среду.
Особенность биосферы как организма, в том, что не существует
сколько–нибудь существенного потока вещества из космоса или из
недр Земли в биосферу и наоборот. Поэтому основные потоки вещества в биосфере организуются посредством круговоротов.
Движение энергии в биосфере существенно отличается от движения вещества. Согласно принципу роста энтропии поток энергии направлен всегда в одну сторону, круговорот энергии невозможен. Живое вещество уменьшает энтропию части энергии, аккумулируя ее в
своих структурах. Но большая часть энергии, проходя через биосферу,
деградирует и покидает планету в виде низкокачественной тепловой
энергии. Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться
или экспортироваться, но ее нельзя использовать вторично.
Принципиальная невозможность утилизации тепловой энергии на
фоне прогрессирующего роста количества энергии, высвобождаемой
человеком непосредственно на планете (сжигание топлива, расщепление ядра, термоядерный синтез и т.п.) помимо солнечной энергии, есть
один важнейших факторов надвигающейся экологической катастрофы.
За год фотосинтезирующими организмами Земли создается около
170 млрд. тонн живого вещества. За этот же период времени приблизительно такое же количество биоорганики разрушается, превращаясь
в углекислый газ и воду. Часть синтезированной органики «уходит в
геологию», поэтому баланс продукции и распада неточен. Похоже, что
на протяжении всего периода существования жизни на Земле синтез
органики преобладал над распадом.
Особенно большое преобладание синтеза над распадом отмечалось примерно 300 млн. лет назад. Именно в этот период образовались
залежи горючих ископаемых, за счет которых существует современная
человеческая цивилизация. За последние 60 млн. лет установилось
достаточно стабильное равновесие в соотношении углекислого газа и
кислорода в атмосфере. Это равновесие не лишено флуктуаций, вызванных колебанием вулканической активности, солнечной активности, внутренними процессами в биосфере и т.д.
72
Своеобразная уникальность нашего времени состоит в наличии
процессов высвобождения накопленной за миллионы лет солнечной
энергии, а также углерода, серы и других элементов, возникающих при
сжигании органического топлива. Это происходит на фоне постепенного уменьшения синтеза биоорганики, вызванного обеднением биосферы. Количество углекислого газа в атмосфере неуклонно растет и
на нас надвигается новое, уже антропогенное потепление.
Похоже, что мы являемся свидетелями преобладания распада биоорганики над ее синтезом, что для Земли вовсе не характерно. Такое
наблюдается разве что на рубеже эпох, когда одна форма жизни сменяется другой, например, на смену динозавров приходят теплокровные.
6.1. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ
Процессы, в которых вещество, необходимое для жизни, может
использоваться многократно называются круговоротами веществ или
биогеохимическими циклами.
Круговорот веществ – процесс перемещения и превращения веществ в природе, носящий циклический характер.
Характерные особенности:
• Важную роль в круговороте веществ играет живое вещество;
•
Общий круговорот представляет собой систему взаимосвязанных частных круговоротов;
•
Круговорот веществ не бывает полным (часть вещества выходит из цикла и накапливается в том или ином компоненте
биосферы).
Типы круговоротов веществ
• Биосферный, планетарного масштаба, охватывающий экосистемы биосферы;
• Биологический, в пределах экосистем различного иерархического уровня – от биогеоценоза до биосферы;
• Биогеоценотический, малый, в пределах биогеоценоза.
Энергия практически для любого круговорота поставляется от
Солнца. Механизмы, обеспечивающие возвращение веществ в круговорот, основаны главным образом на биологических процессах.
В каждом круговороте удобно различать два фонда: резервный –
большая масса медленно движущихся веществ, в основном в небиологической сфере; обменный – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружением.
73
Резервный фонд хранится обычно в относительно рассеянном и
подвижном виде, доступном большинству живых организмов, где бы
они не находились. Наилучшим образом для этих целей подходит атмосфера и гидросфера, выполняющие роль своеобразных буферных
зон, соединяющих между собой разные формы жизни. Менее подвижной буферной зоной является почва. Именно из буферных зон получают многие организмы питательные вещества, тщательно отбирая их из
всего разнообразия веществ, присутствующих в резервном фонде.
Продукты жизнедеятельности организмов также сбрасываются в буферные зоны, где они затем более или менее тщательно перемешиваются: то, что является “отходами” для одной формы жизни, может послужить пищей для другой формы жизни.
Рис.6.1
Все биогеохимические циклы принято делить на два типа:
• круговорот газообразных веществ с резервным фондом в
атмосфере или гидросфере (океане) и
• осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Часть вещества уходит из круговорота в захоронения (прежде всего в бескислородной среде), то есть, по словам Вернадского, «уходят в
геологию» в виде угля, торфа, нефти, осадочных пород и т.п.
74
Рассмотрим круговороты наиболее важных для жизни веществ.
6.1.1 Круговорот воды
Круговорот воды – замкнутый цикл, который может совершаться,
как было сказано выше, и в отсутствии жизни, но живые организмы
видоизменяют его (рис.11). Движущие силы: солнечная энергия, сила
тяжести, жизнедеятельность живых организмов, хозяйственная деятельность человека.
Различают:
•
большой (общий), происходит по схеме
Океаны –атмосфера–суша–океаны;
•
малый (внутренний) происходит по схеме
Океаны –атмосфера – океаны.
Рис. 6.2
Круговорот основан на принципе: суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Для планеты в целом испарение и осадки уравновешивают друг друга. При этом из океана испаряется воды
больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, но излишек стекает в озера и реки, а оттуда снова в
75
океан. Баланс влаги между континентами и океанами поддерживается речным стоком.
Таким образом, глобальный гидрологический цикл имеет четыре
основных потока: осадки, испарение, влагоперенос, транспирация.
Вода – самое распространенное вещество в биосфере – служит не
только средой обитания для многих организмов, но и является составной частью тела всех живых существ. Несмотря на огромное значение
воды во всех жизненных процессах, происходящих в биосфере, живое
вещество не играет определяющей роли в большом круговороте воды
на земном шаре. Движущей силой этого круговорота является энергия солнца, которая тратится на испарение воды с поверхности водяных бассейнов или суши. Испарившаяся влага конденсируется в атмосфере в виде облаков, переносимых ветром; при охлаждении облаков
выпадают осадки.
Общее количество свободной несвязанной воды (доля океанов и
морей, где жидкая соленая вода), приходится от 86 до 98 %. Остальное
количество воды (пресная вода) хранится в полярных шапках и ледниках и образует водные бассейны и ее грунтовые воды. Падающие на
поверхность суши, покрытой растительностью, осадки частично задерживаются листовой поверхностью и в дальнейшем испаряются в
атмосферу. Влага, достигшая почвы, может присоединиться к поверхностному стоку или поглотиться почвой. Полностью поглотившись
почвой (это зависит от типа почв, особенности горных пород и растительного покрова), избыток осадка может просочиться вглубь, к грунтовым водам. Если количество выпавших осадков превышает влагоемкость верхних слоев почвы, начинается поверхностный сток, скорость
которого зависит от состояния почвы, крутизны склона, продолжительности осадков и характера растительности (растительность может
предохранить почву от водной эрозии). Вода, задержавшаяся в почве,
может испаряться с ее поверхности или, после поглощения корнями
растений, транспирироваться (испаряться) в атмосферу через листья.
Транспирационный ток воды (почва – корни растений – листья –
атмосфера) представляет собой основной путь воды через живое вещество в ее большом круговороте на нашей планете.
76
6.1.2 Круговорот углерода
Углерод является одним из самых необходимых для жизни компонентов.
Приход СО2
1) Дыхание живых организмов.
2) Почвенное дыхание.
3) Разложение отмерших животных и растений микроорганизмами, брожение.
4) Антропогенные выбросы, включая сжигание (угля, мазута).
Расход СО2
1) Фиксация СО2 из атмосферы при фотосинтезе с освобождением
соответственно кислорода.
2) Потребление части углерода животными, питающимися растительной пищей.
3) Фиксация углерода в литосфере (образование угля, торфа, горючих сланцев, гумуса).
4) Фиксация углерода в гидросфере (образование карбонатных пород–известняков, доломитов).
В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза. Затем основная его масса поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов.
Главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа СО2. Этот фонд пополняется при
дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Однако человек в последнее время достаточно успешно разрабатывает эти захоронения, возвращая в круговорот жизни углерод и другие важные для жизни элементы, накопленные за миллионы лет. За
последние 100 лет содержание СО2 постоянно растет из–за новых антропогенных поступлений и сведения лесов. Полагают, что в начале
промышленной революции (1800 г) в атмосфере Земли присутствовало
около 0.029 % CO2. В 1958 г., когда были проведены первые точные
измерения, – 0.0315 %, в 1980 – 0.0335 %. Когда доиндустриальный
уровень будет превышен вдвое (2050 г), ожидается повышение температуры в среднем на 1.5–4.5 градуса. Это связано в первую очередь с
парниковым эффектом, к которому приводит повышенное содержание
углекислого газа в атмосфере. Если в XX–м веке уровень моря поднялся на 12 см, то в XXI–м веке нас может ожидать нарушение стабильности полярных ледяных шапок, что приведет к их таянию и катастрофическому подъему уровня мирового океана.
77
Рис. 6.3
78
6.1.3 Круговорот азота
Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Хотя азот требуется в меньших количествах, чем, например, углерод, тем не менее дефицит азота отрицательно сказывается на продуктивности живых организмов.
Основным источником азота является атмосфера, откуда в почву, а
затем в растения азот попадает только в форме нитратов, которые являются результатом деятельности организмов–азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине–зеленых водорослей и грибов), а также
электрических разрядов (молний) и других физических процессов. Остальные соединения азота не усваиваются растениями.
Второй источник азота для растений – результат разложения органики, в частности, белков. При этом вначале образуется аммиак, который преобразуется бактериями–нитрификаторами в нитриты и нитраты.
Рис. 6.4
79
Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий–денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода.
Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со сточными континентальными водами), частично используется водной растительностью, а затем по пищевым цепям через животных возвращается
на сушу. Небольшая часть азота выпадает из круговорота, уходя в осадочные соединения. Однако эта потеря компенсируется поступлением
азота в воздух с вулканическими газами, а также с индустриальными
выбросами. Если бы наша цивилизация достигла такой технической
мощи, что смогла бы блокировать все вулканы на Земле, то при этом
из–за прекращения поступлений углерода, азота и других веществ, от
голода могло бы погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений вулканов.
Антропогенный азот поступает в природу в основном в форме
азотных удобрений. Их количество примерно равно природной фиксации азота в атмосфере, но ниже биологической фиксации.
В природных экосистемах порядка 20 % азота – это новый азот,
полученный из атмосферы путем азотофиксации. Остальные 80 % возвращаются в круговорот вследствие разложения органики. В агросистемах из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть используется повторно, большая же часть теряется с собираемым урожаем, а также в результате выщелачивания (выноса водой)
и денитрификации.
Условно круговорот азота можно представить схемой 1–2–3–4–5–
6–1:
1этап (фиксация азота):
а) азотобактерии фиксируют газообразный азот с образованием
аммонийной формы (NH3 и солей аммония);
б) вследствие грозовых разрядов и фотохимического окисления
образуются оксиды азота, при взаимодействии с водой они образуют
азотную кислоту, которая в почве превращается в нитраты, т.е. азот
фиксируется в нитратной форме (НNO3 и нитраты)
2 этап (превращение в растительный белок). Обе формы фиксированного азота усваиваются растениями и превращаются в сложные
белковые соединения.
3 этап (превращение в животный белок). Животные поедают растения, в их организме растительные белки превращаются в животные.
4 этап (разложение белка, гниение). Продукты метаболизма растений и животных, а также ткани отмерших организмов под воздействи-
80
ем микроорганизмов разлагаются с образованием аммиака (процесс
аммонификации).
5 этап (процесс нитрификации). Аммонийный азот окисляется до
нитритов и нитратов.
6 этап (процесс денитрификации). Нитраты под воздействием денитрифицирующих бактерий восстанавливается до молекулярного
азота, который поступает в атмосферу. Круг замкнулся.
6.1.4 Круговорот фосфора
Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот
(РНК и ДНК), выполняющих в биосистемах функции, связанные с записью, хранением и чтением информации о строении организма. Фосфор – достаточно редкий элемент. Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем относительное
содержание его в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы. То есть дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды.
Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях.
Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями. Особенность круговорота фосфора в
том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются
эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного
потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге
выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по–видимому, возвращали фосфор в круговорот.
Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая
большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты.
6.1.5 Круговорот кислорода
Кислород является наиболее распространенным элементом на
Земле. В атмосферном воздухе его содержится 23,15% по весу или
20,93% по объему. Такая концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В этом процессе зеленые растения под действием солнечного света превращают
диоксид углерода и воду в углеводы и кислород. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в
состав белков, жиров, углеводов из которых «построены» организмы.
81
Рис. 6.5
Большинство организмов получают энергию, необходимую для
выполнения их жизненных функций, за счет окисления тех или иных
веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв,
различные горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают круговорот на значительных территориях.
Наряду с этим, мощным источником кислорода является, по–
видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях
атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха.
Приход кислорода:
1) Выделение наземными растениями при дыхании;
2) Выделение фитопланктоном в освещенной части гидросферы;
82
3) Образование в озоновом слое под воздействием УФ–
излучения (незначительное количество);
4) Диссоциация молекул воды в верхних слоях атмосферы под
воздействием УФ–излучения (незначительное количество)
Расход кислорода:
1) Потребление животными при дыхании
2) Окислительные процессы в земной коре
3) Окисление оксида углерода (II), выделяющегося при извержении вулканов (O2+2CO=2CO2)
4) Образование озона.
Полное обновление всего атмосферного кислорода происходит за
2 т. лет
Пути возврата элементов в круговорот
Можно выделить несколько путей возврата элементов в круговорот:
• через микробное разложение;
• через экскременты животных;
• физическими процессами (молния, ионизация и т.п.);
• за счет энергии топлива (например, при промышленной фиксации азота);
• автолиз (саморастворение) – высвобождение питательных веществ из
остатков растений и экскрементов без участия микроорганизмов;
• прямой передачей от растения к растению в симбиозе.
Если не разрушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они самопроизвольно реализуют возврат элементов в
круговорот веществ, но человек так ускоряет движение многих веществ, сто круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность: в одних местах возникает недостаток, в других–
избыток каких–либо веществ. Кроме этого, человек изымает из установившихся круговоротов многие элементы, связывая их в таких веществах, для которых в природе отсутствуют деструкторы. Он сам
вынужден быть деструктором. Одной из основных целей общества
должно стать возвращение веществ в круговороты.
6.2. ДВИЖЕНИЕ ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ
Понятие энергии определяется, как способность совершать работу.
Хотя вся современная наука проникнута этим понятием, природа энергии до сих пор до конца не понята.
Два наиболее основополагающих закона, описывающих свойства
энергии:
83
1) первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии) –
энергия может переходить из одной формы в другую, но она никогда
не исчезает и не создается заново;
2) второй закон термодинамики (принцип роста энтропии) – все
реальные процессы превращения энергии сопровождаются ростом энтропии, то есть переходом энергии в более рассеянное состояние.
Все упорядоченные структуры имеют тенденцию к разрушению.
«Все разрушается, все умирает, все приходит в хаос» – это еще одна
формулировка второго закона термодинамики.
Правда, помимо такого разрушения есть еще один способ – усложнение структуры системы. Именно по этому пути движется глобальный эволюционный процесс. При этом природа никогда не стремится достичь полного хаоса на данном уровне системной иерархии. В
этом случае эволюция Вселенной остановилась бы достаточно быстро.
Обычно в пределах данного иерархического уровня открываются некоторые устойчивые структуры, из которых строятся более высокие
иерархические уровни, характеризующиеся большими значениями
максимально возможной энтропии, чем на предыдущем уровне. Это
дает возможность непрерывному росту энтропии.
В рамках таких сверхорганизмов, как экосистемы, дифференциация достигается путем увеличения экологических ниш и разнообразия
видов, населяющих данную экосистему, удлинением и усложнением
пищевых цепей, совершенствованием внутривидовых и межвидовых
отношений и т.п. Все это есть следствие принципа роста энтропии.
Таким образом, разрушение структуры, требуемое принципом
роста энтропии, является необходимым компонентом жизненного процесса. Но жизнь научилась использовать разрушение во благо, поэтому
разрушение не обязательно сопровождается гибелью биосистем.
«Умеренное разрушение», на которое накладываются определенные
запрограммированные ранее ограничения, приводит к расширению и
усложнению жизни. Наиболее характерно в этом отношение деление
клетки. Здесь смерть и рождение слились в одном процессе. Очень
ярко об этом свойстве жизни выразился Ричард Бах: «Там, где глупец
видит смерть гусеницы, мудрец видит рождение бабочки».
Как отмечалось ранее, движение энергии в биосфере существенно
отличается от движения вещества. Согласно принципу роста энтропии
поток энергии направлен всегда в одну сторону, круговорот энергии
невозможен. Живое вещество увеличивает качество части энергии,
аккумулируя ее в своих структурах. Но большая часть энергии, проходя через биосферу, деградирует и покидает планету в виде низкокачественной тепловой энергии. Энергия может накапливаться, затем сно84
ва высвобождаться или экспортироваться, но ее нельзя использовать
вторично.
Движение энергии удобно рассматривать на примере какой–то одной экосистемы. Достаточно крупные экосистемы, такие как биогеоценозы, имеют все промежуточные уровни, которые проходит энергия
при движении ее от состояния солнечного света до состояния тепла,
которое сначала утилизируется в буферных зонах биосферы (атмосфера, гидросфера, литосфера), а затем излучается в космическое пространство (в инфракрасной части электромагнитного спектра). Основная функция экосистем – поддержание круговорота веществ в биосфере – базируется на пищевых взаимоотношениях.
Один из принципов функционирования экосистем в биосфере
– существование экосистем поддерживается относительно постоянным, избыточным и практически вечным потоком солнечной энергии.
• ИЗБЫТОЧНОСТЬ связана с тем, что растения используют
лишь от 0,5 до 1,2% солнечной энергии, достигающей Земли.
В принципе, поступающего ее количества более чем достаточно для удовлетворения любых мыслимых потребностей
человечества.
• ЧИСТОТА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ связана с тем, что мощное радиационное излучение термоядерного реактора, каким
является солнце, не достигает Земли.
• ПОСТОЯНСТВО определяется тем, что количество солнечной
энергии, падающей на Землю, было приблизительно постоянным в течение всего времени существования жизни на Земле.
• ВЕЧНОСТЬ. По оценкам астрономов светимость Солнца
принципиально не изменится в течение ближайших трех миллиардов лет, что является бесконечно большой величиной по
сравнению со временем существования человека на Земле.
Организмы берут из окружающей среды необходимые компоненты (пищу) и создают условия для протекания реакций, в которых разрушаются структуры молекул белков, жиров, углеводов. Продукты
распада удаляются из организма. Себе же организм оставляет НЕЧТО,
характеризующееся разностью энтропии исходных компонентов и энтропии продуктов реакции:
∆S = S исх - S прод < 0
За счет этой отрицательной энтропии приводятся в движение
внутренние упорядоченные процессы. Продукты реакции, двуокись
углерода и вода удаляются из организма при дыхании, потоотделении,
экскрементации.
85
Размножение и
развитие
Рост биомассы
Передача в
пределах организма
Движение
Дыхание
Поддержание
целостности и
функций организма
Реакция на внешние раздражители
Рис. 6.6
Часть энергии связывается в сложные молекулярные структуры
реакции синтеза белков, нуклеиновых кислот). Ввиду наличия в своей
структуре сложномолекулярных соединений, живой организм может
служить пищей для другого организма. При этом его структура подвергается механическому и химическому разрушению. Можно проследить бесчисленные пути движения вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другим и т.д. (трава – корова – человек;
злаки – насекомые – лягушка – змея – орел). Таким образом формируется пищевая (трофическая) цепь, в которой происходит перенос энергии через ряд организмов путем поедания одних организмов другими.
Трофическая цепь иерархична. На каждом уровне организмы потребляют определенный вид пищи, в качестве которой выступают организмы предыдущего уровня. Каждый следующий уровень трофической цепи аккумулирует в себе более качественную энергию и играет
регулирующую роль.
Трофические цепи можно разделить на два основных типа: пастбищную цепь (при движении вдоль нее размеры организмов увеличиваются) и детритную цепь (при движении вдоль нее размеры организмов уменьшаются).
На вершине пастбищной цепи стоят зеленые растения. Они не могут высвобождать энергию путем разрушения органики с предыдущего
86
трофического уровня, поэтому единственным источником энергии для
синтеза биоорганики для них является солнечный свет.
В качестве строительного материала, то есть исходных компонентов для синтеза, используются простейшие минеральные и органические вещества, рассеянные в почве и в воздухе. К наиболее важным
компонентам относится углекислый газ, являющийся продуктом жизнедеятельности всех организмов планеты. Именно здесь происходит
возвращение в круговорот биологического углерода. Так как зеленые
растения “никого не едят” и все необходимое для их жизни синтезируют сами с использованием энергии солнца, их называют автотрофами («самопитающимися»).
Рис. 6.7 – Передача энергии по трофическим уровням
Все остальные уровни трофической цепи существуют за счет энергии, накопленной в органическом веществе зеленых растений. Поэтому по отношению к трофической цепи растения называют продуцентами, то есть создающими первичную продукцию. Организмы на всех
остальных уровнях трофической цепи называются консументами (потребителями) первого, второго и т.д. порядка в зависимости от занимаемого ими трофического уровня. Так как эти организмы не могут
сами синтезировать органическое вещество и вынуждены питаться
другими организмами, их называют гетеротрофами (питающийся
другими).
87
На втором уровне пастбищной цепи стоят обычно фитофаги, то
есть животные, питающиеся растениями, в частности травоядные. Третий и более высокий уровни занимают хищники или зоофаги (питающиеся животными). Иногда эта цепочка может быть достаточно длинной, особенно в водоемах.
Любая пастбищная цепь переходит в детритную цепь. Термин
детрит означает «продукт распада». В экологии детритом называют
органическое вещество, вовлеченное в процесс разложения.
В отличие от пастбищной цепи размеры организмов при движении
вдоль пищевой цепи не возрастают, а, наоборот, уменьшаются. Уровень животных–падальщиков можно считать началом детритной цепи,
а на следующем уровне могут стоять насекомые–могильщики. Всех
консументов, участвующих в процессе разложения детрита, называют
детритофагами. Но самыми типичными представителями детритной
цепи являются грибы и микроорганизмы. Этих консументов выделяют
в особую группу – редуценты (возвращающие). Они питаются мертвым органическим веществом и при этом разлагают его до простейших
веществ и биогенов (минеральных компонентов). Затем эти вещества в
растворенном виде потребляются корнями зеленых растений в вершине пастбищной цепи, начиная тем самым новый круг движения вещества.
Пастбищная и детритная цепи в разных экосистемах присутствуют
по–разному. Например, в лесу лишь небольшая часть зелени поступает
в пищу консументам. Большая часть отмерших растений и их фрагментов поступает непосредственно к редуцентам. То есть лес считается экосистемой с преобладанием детритных цепей. В экосистеме
гниющего пня пастбищная цепь вообще отсутствует. В то же время,
например, в экосистемах поверхности моря практически все продуценты, представленные фитопланктоном, потребляются животными, а их
трупы опускаются на дно, то есть уходят из данной экосистемы. В таких экосистемах, как говорят, преобладают пастбищные пищевые цепи, или цепи выедания.
Но любая экосистема с необходимостью включает в себя представителей всех трех принципиальных экологических групп организмов –
продуцентов, консументов и редуцентов.
Консументы являются не просто потребителями органического
вещества, они выполняют важные функции в экосистеме: возвращают
вещество в круговорот, увеличивают скорость движения вещества и
энергии и их количество в экосистеме, являются основными звеньями
механизмов гомеостаза экосистем, т.е. участвуют в процессах саморегуляции экосистемы, а значит, обеспечивают ее устойчивость.
88
С одного трофического уровня на другой передается не вся энергия данного уровня, а только та, которая накапливается в структуре
организмов данного уровня. Основная часть энергии, усвоенной консументами с пищей, тратится на их жизнеобеспечение. В сумме с неусвоенной пищей (экскременты) это составляет в среднем порядка 90
% от потребленной энергии.
Следовательно, энергия, накопленная в структурах организмов, а
значит, передаваемая на следующий трофический уровень, в среднем
составляет около 10 % от энергии, потребленной с пищей. Эта закономерность называется «правилом десяти процентов» (правило Линдемана).
Из ограниченности количества поступающей энергии и правила
десяти процентов также следует, что все трофические цепи могут
иметь ограниченное количество уровней, как правило, не больше 4 – 5.
Количество живого вещества на каждом следующем уровне примерно
на порядок меньше, чем на предыдущем.
Существует и еще одно следствие, очень важное для человека: с
энергетической точки зрения потребление животной продукции, особенно с дальних уровней цепей питания, нецелесообразно. Чем короче
цепочка, по которой идет передача энергии, тем меньше потери.
Особенно велики потери энергии при переходе от растений к травоядным животным. Поэтому с точки зрения роста народонаселения
планеты энергетически наиболее выгодным является вегетарианство.
При нормальном питании взрослый человек потребляет 80–100 кг
мяса в год. При таком рационе уже невозможно обеспечить животной
пищей 6 миллиардов людей планеты. При минимальном расходе мяса
можно прокормить около 8 миллиардов людей. Переход всех людей на
вегетарианство может обеспечить пищей приблизительно 15 миллиардов людей.
Но почему же съев несколько кусочком мяса, мы можем более
длительно и интенсивнее выполнять ту же работу, для выполнения
которой нам пришлось бы съесть несколько килограмм растительной
пищи? Мясо очень калорийно. В нем запасено больше свободной энергии, чем в растительной пище. Кроме того, в нем много белков, близких по составу тем белкам, которые требуются нам для строения нашего тела. То есть существенно облегчается процесс синтеза необходимых белков.
При движении вдоль пастбищной пищевой цепи от одного уровня
к другому вместе с уменьшением количества живого вещества на каждом уровне увеличивается качество энергии, запасенной в этом веществе.
89
Для того, чтобы образовать 1 ккал биомассы хищника, требуется
около 10000 ккал энергии солнечного света, или 10 ккал биомассы
травоядных животных в энергетическом эквиваленте. Соответственно
качество энергии, накопленной в биомассе организмов более высокого
уровня трофической цепи, т.е. хищников, в 10 раз выше, чем в биомассе организмов предыдущего трофического уровня, т.е. травоядных.
Только живые организмы могут кропотливо, по крупинке концентрировать энергию. С каждым шагом вдоль трофической цепи возрастает степень управляющего воздействия организмов на природу. Каждый следующий уровень трофической цепи аккумулирует в себе более
качественную энергию и поэтому играет регулирующую функцию по
отношению к нижним уровням,
Чем дальше трофический уровень от начала цепи, тем сильнее
влияние организма на окружение, тем больше его возможности.
Уменьшение
количества
вещества
100000
1
1000
Растительноядные
Растения
Солнце
Повышение
качества
энергии
1000
10
100
Хищники
100
1000
Рис. 6.8
В настоящее время наиболее мощные управляющие функции в
биосфере несет на себе человек. Дело в том, что энергетика человека в
большей своей части вынесена за пределы человеческого тела в сферу
его производственной деятельности.
Особенности человека как биологического вида в трофических цепях
• Человек всеяден и может жить то за счет одних, то за счет других звеньев трофической цепи; это снимает с него узду умеренности.
• Он может приближать к себе ресурсы с помощью одомашнивания растений и животных или привозить их, выходя из–под контроля среды в месте проживания.
90
• Он может уходить из нарушенной им цепи в другую. Это дает
человеку чувство свободы, однако это свобода от немедленного ответного воздействия и от ответственности перед потомками
• Мы давно перестали довольствоваться выделенным нам природой местом в трофической системе биосферы
• Мы довольно долго вытесняли хищников, обрекая их почти на
поголовное истребление
• Видя, что природные редуценты не справляются с антропогенным загрязнением природы, мы вынуждены осваивать и их экологические ниши
• Мы уже всерьез говорим о синтезе искусственной пищи, то
есть, по сути дела, претендуем на экологические ниши автотрофов
• Мы ставим себя во все звенья механизмов гомеостаза. Прямое
следствие этого – обеднение видового разнообразия жизни на планете
Мы действительно сильнее хищников, мы действительно «питаемся» хищниками и не только хищниками, но и месторождениями полезных ископаемых, массивами лесов, ландшафтами, морями (например,
мы почти уже «выпили» Аральское море) и многим–многим другим.
Но наши «органы пищеварения» находятся внутри тела цивилизации, а
не внутри наших тел. Поэтому мы даже не заметили, как разрослись
эти органы и «съели» уже практически всю природу. В этом главная
особенность энергетики человека.
Выводы по разделу
1. Основные потоки вещества в биосфере организуются посредством круговоротов. Поток энергии направлен всегда в одну сторону,
круговорот энергии невозможен.
2. Если не разрушать природные механизмы рециркуляции и не
отравлять их, то они в основном самопроизвольно реализуют возврат в
круговорот воды и элементов питания.
3. К сожалению, человек так ускоряет движение многих веществ,
что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность.
4. Одной из основных целей общества должно стать возвращение веществ в круговорот. Без этого жизнь не смогла бы постоянно
усложнять свои формы, то есть рано или поздно исчерпался бы лимит
возможности роста энтропии. В рамках всей Вселенной это противоречит самим принципам ее существования. Таким образом, несмотря
на то, что Земля – это «планета растений» (именно растения являются
91
настоящими созидателями на планете), животные также необходимы
для жизни биосферы.
5. Чем сложнее трофическая сеть данной экосистемы, тем интенсивней круговорот. Это облегчает поток энергии через экосистему.
6. Консументы – это не просто «пассивные едоки». Удовлетворяя свои потребности в энергии, они регулируют всю экосистему, то
есть являются основными звеньями механизмов гомеостаза экосистем.
Причем реализуемые ими обратные связи могут быть не только отрицательными (выедание, то есть уменьшение биомассы предыдущего
уровня трофической цепи), но и положительными. Так многие животные разными способами «ухаживают» за своими кормовыми растениями или как–то иначе способствуют их росту. Например, злаки, листья которых объедают кузнечики, быстрее восстанавливаются, чем
злаки с обрезанными листьями.
Вопросы для самоконтроля
1. Типы круговоротов веществ.
2. Характерные особенности круговоротов веществ.
3.
На что влияет недостаток азота и фосфора в организме?
4. Пути возврата веществ в круговороты.
5. В чем отличие движения энергии от движения веществ в биосфере?
6. Поясните термины «энергия» и «энтропия».
7. На что расходуют живые организмы энергию, полученную с пищей?
8.
Как формируются трофические цепи?
9.
Назовите типы трофических цепей.
10. Дайте определение автотрофов и гетеротрофов.
11. Дайте определение фитофагов, зоофагов и сапрофагов.
12. Дайте определение продуцентам, консументам и редуцентам.
13. Как происходит передача энергии по трофическим уровням?
14. Из какого источника поставляется энергия практически для любого круговорота?
15. Какие фонды различают в каждом круговороте?
16. Сформулируйте правило десяти процентов.
17. В чем заключаются особенности человека как биологического
вида в трофических цепях?
18. Какие функции в экосистемах выполняют консументы (деструкторы)?
19. Что общего в круговоротах воды и кислорода?
20. Принципы функционирования экосистем в биосфере.
92
Тематика рефератов
1. Влияние вредных выбросов на атмосферу (литосферу, гидросферу)
2. Круговорот серы. Воздействие оксидов серы на окружающую среду.
3. Мусороперерабатывающие заводы. Вред или польза?
4. Роль редуцентов в функционировании экосистем.
5. Передача энергии по цепям в биоценозах (речных, морских, лесных
и пр.).
Тестовые задания и задачи
1. Пищевая цепь – это
1 ) последовательность переноса энергии в рамках биосферы;
2) последовательность переноса энергии от одного организма к другому.
2. Совокупность пищевых цепей в экосистеме, соединённых между
собой и образующих сложные пищевые взаимоотношения называются:
1) пищевой цепью;
3) трофическим уровнем;
2) пищевой сетью;
4) непищевым взаимоотношением.
3. Отдельные звенья цепей питания называются:
1) пищевой цепью;
3)трофическим уровнем;
2) пищевой сетью;
4) непищевым уровнем.
4. Назовите самую малочисленную группу организмов входящую в
состав пищевой цепи выедания (пастбищной):
1) продуценты;
2) консументы первого порядка
3) консументы второго порядка;
4) консументы третьего порядка
5. Пищевые цепи подразделяют на виды:
[1] пастбищные; [2] детридные; [3] выедания;
[4] разложения; [5] трофические.
6.Растительный опад – личинки насекомых – лягушка – гадюка. Укажите, какой организм в этой пищевой цепи является детритофагом:
1) растительный опад; 2) личинки насекомых; 3) лягушка; 4) гадюка.
7. Растения – тля – синица – ястреб. Укажите, какой из организмов в
этой пищевой цепи является консументом 1–го порядка:
1) растения; 2) тля; 3) синица; 4) ястреб.
8. Растение – полевая мышь – ястреб – бактерии. Укажите, какой из
организмов в пищевой цепи является консументом 2 –го порядка:
1) растение; 2) полевая мышь; 3) ястреб; 4) бактерии.
93
9. Жёлудь – белка – рысь – бактерии. Укажите, какой из организмов в
этой пищевой цепи является редуцентом:
1) жёлудь; 2) белка; 3) рысь; 4) бактерии.
10. Капуста – гусеница – скворец – ястреб. Укажите, какой из организмов в этой пищевой цепи является продуцентом:
1) капуста; 2) гусеница; 3) скворец; 4) ястреб.
11. Каким законом описывается переход энергии с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой:
1) законом минимума (Либиха);
2) законом толерантности (Шелфорда);
3) законом (правилом) конкурентного исключения (Гаузе);
4) законом (правилом) десяти процентов (Линдемана).
12. Какой процент энергии, поглощённой продуцентами, доходит до
пятого трофического уровня в данной схеме: растения – кузнечик –
лягушка – змея – орёл? Энергия, поглощённая растениями, принята за
100%.
13. Какой процент от энергии, поглощённой растениями (100%), переходит к степной гадюке в данной схеме: растения – полевка – степная
гадюка – змееяд?
14. Сколько энергии (%) доходит до четвёртого трофического уровня
в приведённой схеме: растения – гусеница – синица – ястреб – перепелятник? Энергия, поглощённая растениями, составляет 100%.
15. Сколько энергии (%) доходит до второго трофического уровня в
приведённой схеме: растения – кузнечик – лягушка – змея – орёл.
Энергия, поглощённая растениями, составляет 100%.
16. Растения, в отличие от хемосинтезируюших бактерий, играют важную роль в круговороте
1) азота; 2) кислорода; 3) серы; 4) железа
17. Энергия, необходимая для круговорота веществ, вовлекается из
космоса
1) растениями в процессе фотосинтеза; 2) гнилостными бактериями;
3) клубеньковыми бактериями; 4) организмами–гетеротрофами
18. В круговороте веществ и превращении энергии в биосфере наиболее активно участвует
1) кислород; 2) живое вещество; 3) климат; 4) тепло земных недр.
94
19. Благодаря круговороту веществ в биосфере, осуществляемому организмами,
1) сокращается число химических элементов в биосфере;
2) увеличивается содержание вредных веществ в окружающей среде;
3) одни и те же химические элементы используются многократно;
4) накапливается содержание кислорода в атмосфере.
20. Животные, участвуя в круговороте веществ в биосфере,
1) используют кислород атмосферы;
2) способствуют накоплению кислорода в атмосфере;
3) синтезируют на свету органические вещества из неорганических;
4) способствуют образованию торфа.
21. В круговороте веществ в биосфере плесневые грибы
1) разрушают органические вещества до неорганических;
2) синтезируют белки из неорганических веществ;
3) усваивают молекулярный азот;
4) выделяют молекулярный кислород.
22. Бактерии, включаясь в круговорот, веществ в биосфере,
1) участвуют в формировании озонового экрана;
2) разлагают органические вещества до неорганических;
3) участвуют в образовании известняков;
4) участвуют в нейтрализации радиоактивных веществ в почве.
23.Клубеньковые бактерии играют большую роль в биосфере, участвуя
в круговороте1) углерода; 2) фосфора; 3) азота; 4) кислорода.
24. Углерод в круговорот веществ включается благодаря
1) морским органическим отложениям;2) деятельности вулканов;
3) фотосинтезу; 4) запасу полезных ископаемых.
25. Неоднократному использованию живыми организмами химических
веществ в экосистеме способствует
1) саморегуляция; 2) обмен веществ и превращения энергии;
3) колебание численности популяций; 4) круговорот веществ.
26. Какие организмы в экосистеме преобразуют солнечную энергию в
химическую?
1) редуценты; 2) консументы первого порядка;3) продуценты;
4) консументы второго порядка.
27. Какова роль продуцентов в круговороте веществ?
1) накапливают воду в вегетативных органах;
2) используют атмосферный азот в фотосинтезе;
95
3) синтезируют минеральные вещества;
4) запасают энергию Солнца в органических веществах.
28. Живое вещество биосферы образовано совокупностью особей:
1) всех видов животных, включая человека;
2) всех видов растений и животных;
3) всех организмов, населяющих биосферу, включая человека.
29. Установите соответствие между круговоротом веществ и их признаками:
1–Цикл азота; 2–Цикл серы
а) растения из почвы поглощают сульфатные соединения;
b) в водной среде это вещество фиксируется цианобактериями;
c) попадает в почву в результате разложения медного колчедана;
d) фиксатором атмосферного элемента являются клубеньковые бактерии бобовых растений.
Лекция 7
ЭКОЛОГИЯ СООБЩЕСТВ (СИНЭКОЛОГИЯ)
Детализированные цели изучения раздела
–Изучить:
–структуру сообществ (видовую, пространственную) и распределение в них ресурсов по вертикали и горизонтали;
–вопросы организации сообществ как единого целого и определить
основные свойства экосистем;
–закономерности адаптации сообществ организмов к окружающей
среде.
–Сформировать у студента необходимые знания о концепции продуктивности и динамики экосистем.
ВВЕДЕНИЕ
Синэкология – раздел экологии, изучающий ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов (биоценозов), пути их формирования, их взаимодействие с внешней средой.
Часто синэкологию рассматривают как науку о жизни биоценозов,
то есть многовидовых сообществ животных, растений и микроорганизмов.
Термин «синэкология» был предложен швейцарским ботаником К.
Шрётером (1902) и принят Брюссельским международным ботаническим конгрессом (1910) для обозначения учения о растительных сообществах – фитоценозах.
Основные направления исследований:
96
•
•
•
•
•
•
Структура сообществ
•
видовое разнообразие
•
пространственная структура
•
распределение ресурсов
•
биологическая продуктивность
•
пищевые цепи
•
круговорот веществ
Взаимодействие между видами в пределах сообществ
Организация сообществ как единого целого
Антропогенное воздействие
Динамика экосистем
Продуктивность экосистем
7.1. СТРУКТУРА СООБЩЕСТВ
Биоценоз (термин ввел в 1877 г. немецкий зоолог К. Мёбиус)– организованная группа популяций растений, животных, микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах некоторого пространства. Это не просто сумма образующих его видов, но и совокупность взаимодействий между ними. Биоценоз состоит из взаимо-
Рис. 7.1
97
связанных организмов разных видов, которые входят в него не отдельными особями, а популяциями. Частный случай биоценоза – сообщество, оно может объединять только часть видов биоценоза (например,
растительное сообщество– фитоценоз, совокупность видов животных –
зооценоз, сообщество грибов – микоценоз, сообщество микроорганизмов –микробиоценоз и т.д.).
Любой биоценоз занимает определенный участок абиотической
среды – биотоп.
Биотоп (экотоп) –
– пространство с более или менее однородными условиями, заселенное тем или иным сообществом организмов или биоценозом;
–среда обитания биоценоза;
–местообитание.
Это может быть территория данного биогеоценоза, характеризующаяся определенным составом слагающих ее геологических пород.
Поваленное дерево, дающее жизнь разного рода деструкторам (насекомым, грибам, микробам и прочим организмам, разрушающим органику вплоть до минерального состояния) также является экотопом
существующей на его базе экосистемы.
Характерные особенности биоценоза:
• Тесное и непрерывное взаимодействие между организмами
и биотопом;
• Сложность биотических связей между компонентами
• Сложившийся, устойчивый характер связей;
• Групповое взаимоприспособление;
• Наличие локального биологического круговорота;
• Взаимная необходимость одного компонента для другого,
взаимодействие компонентов.
Кроме приведенной классификации экосистем в экологии традиционно рассматривается еще понятие биогеоценоза, которое близко по
смыслу к понятию экосистемы. Биогеоценоз (Сукачев В.Н.)– совокупность живых организмов (биоценоза) и абиотической среды вместе
с занимаемым ими участком поверхности (биотопом).
Биогеоценоз – это частный случай крупной экосистемы, охватывающей, как правило, значительную территорию, предполагающий
обязательное наличие в качестве основного звена растительности, то
есть фитоценоза, обеспечивающего данную экосистему поступлением
первичной энергии (информации). Ввиду подобной энергетической
автономности биогеоценоз теоретически бессмертен, в отличие, например, от гниющего поваленного дерева, экосистема которого гибнет
после того, как будет израсходована вся энергия, накопленная деревом
98
за время жизни, а само дерево превратится в компоненты гумуса (плодородного слоя почвы).
Всякий биоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема
является биоценозом
Экосистема (от греческого oikos–жилище, местопребывание и
systema–сочетание, объединение) экологическая система – совокупность совместно обитающих организмов и условий их существования,
находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом и образующих систему взаимообусловленных биотических и абиотических явлений и процессов. Термин «экосистема» ввел Артур Джордж Тенсли
(1871–1955) в 1935году.
Рис.7.2
Наиболее крупные экосистемы, соответствующие основным климатическим зонам Земли называются биомами (рис.7.2)
Примеры экосистем – лиственные леса, хвойные леса, степи, пустыни, тундра, реки, леса, озера и т.д.
99
Каждая экосистема характеризуется особым растительным сообществом, которому характерен особый набор животных и микроорганизмов.
19
20
18
17
16
16
14
12
13
11
10
10
8
8
6
6
4
пустыни
горы
экв. леса
саванны
ш/л леса
степь
тундра
0
тайга
2
Рис.7.3. Доля суши, занятая крупными экосистемами (биомами)
Все экосистемы можно разделить по рангам:
1) микроэкосистемы – лужа, гниющий пень, аквариум в квартире и
даже капля воды и т.п.;
2) мезоэкосистемы – лес, озеро, река, небольшой остров и т.п.;
3) макроэкосистемы – море, океан, континент, большой остров и
т.п.;
4) глобальная экосистема – биосфера в целом.
Основные свойства экосистем:
1) способность осуществлять круговорот веществ;
2) способность противостоять внешним воздействиям;
3) способность производить биологическую продукцию.
Особенности экосистем:
1. Иерархичность. Всякая экосистема определенного уровня
включает в себя ряд экосистем предыдущего уровня, меньших по размеру.
2. Саморегуляция – свойство систем вырабатывать внутри самой
системы управляющие воздействия, устанавливать и поддерживать на
100
относительно постоянном уровне те или иные физиологические или
биологические показатели. Саморегулирующий гомеостаз на экосистемном уровне обеспечен множеством управляющих механизмов:
– мутации;
– адаптации (генетические, биохимические, поведенческие);
– сложные цепи причинно–следственных связей, основанные на
механизме обратных связей (например, система «Хищник – жертва»).
3. Способность к самовоспроизведению (размножению).
4. Взаимоприспособленность. К. Мебиус и Г.Ф. Морозов сформулировали правило взаимоприспособленности, согласно которому виды
в биогеоценозе приспособлены настолько, что их сообщество составляет внутренне противоречивое, но единое и взаимоувязанное целое.
Так, например, попытка избавиться от “вредных” с точки зрения
человека насекомых или животных в какой–либо экосистеме может
привести к непредсказуемым последствиям вплоть до гибели данной
экосистемы. Достаточно вспомнить широкомасштабную эпопею с отстрелом волков в наших лесах. Это теперь мы называем волков санитарами леса. Как всегда учимся на ошибках. Другой пример – уничтожение воробьев в Китае.
Есть и более тонкие механизмы, которые мы разрушаем, даже не
замечая этого, что приводит впоследствии к большим неприятностям.
Примером может служит парадоксальная локальная сейсмическая активность в Москве, приводящая к катастрофам в метро и в коммуникациях, к разрушению дорог и домов, нередко с человеческими жертвами. Одной из причин является то, что малые реки и ручьи, русла которых были вовсе не случайными, ныне загнаны в трубы. Если раньше
они ослабляли напряжения между геологическими плитами, на которых стоит город, то теперь эти напряжения постоянно накапливаются
и, в конце концов, ослабляются, но уже с использованием катастрофических механизмов.
5.Саморазвитие, самоорганизация, самоуправление.
Исходя из правила полноты составляющих – число функциональных составляющих экосистемы и связей между ними всегда оптимально.
Нарушение этого правила, выводящеее систему из состояния равновесия и стимулирущее ее переход в новое качество, возможно из–за
• внутреннего саморазвития;
• внешнего воздействия.
В саморазвивающейся динамической системе всегда присутствуют
2 типа подсистем:
101
Первая – сохраняет и закрепляет ее строение, функциональные
особенности;
Вторая – ориентируется на ее изменение.
Многие динамические системы стремятся к избыточности системных элементов при минимуме числа вариантов организации. В процессе развития избыточность может быть заменена повышением качества
и надежности элементов, при этом может происходить их агрегация в
подсистему (принцип кооперативности).
Согласно правила конструктивной устойчивости, надежная (устойчивая) система может быть сложена из ненадежных (менее устойчивых) элементов, не способных к самостоятельному существованию.
Закон оптимальности гласит, что любая экосистема функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее
пространственно–временных пределах, т.е. размер экосистемы должен
соответствовать выполняемым функциям, в противном случае она будет неэффективной, неконкурентноспособной.
6. Явно выраженная эмерджентность – экосистема обладает особыми свойствами, отсутствующими у составляющих элементов.
Известны попытки насадить леса в зонах, для которых они мало
характерны, например в степи. Деревья почему–то не приживались.
Успеха удавалось добиться только после того, как на место посадки
завозили почву из лесов, богатую грибницей. Нити грибницы опутывают корни, образуя с ними симбиоз – микрозу. Грибы при взаимодействии с тканью корня образуют своего рода “сложные органы”, повышающие способность растения извлекать из почвы питательные вещества. В свою очередь грибы получают некоторые продукты фотосинтеза растений. Поток энергии через микрозу является одним из главных
элементов пищевой цепи и дерева и грибницы. Многие деревья не могут расти без микрозы. Лес – это не просто много деревьев, это живая
система с большим количеством эмерджентных свойств, способная
изменять среду вокруг себя. Высокий коэффициент эмерджентности
(степень органичности, неразрывности внутренних связей, невозможности разложить на составляющие) повышает устойчивость экосистемы и ее способность к саморегулированию.
7. Структурированность – четко выраженные закономерности в
соотношениях и связях его частей.
Видовая структура – это количество видов, образующих биоценоз, и соотношение их численностей. Видовой состав зависит от условий среды. Самыми богатыми по видовому разнообразию чвлчются
биоценозы влажных тропических лесов.
102
Виды, преобладающие по численности, массе и развитию называют доминантными. Среди них выделяют эдификаторы – виды, которые своей жизнедеятельностью в наибольшей степени формируют
среду обитания, предопределяя существование других организмов ( в
еловом лесу – ель, под ее пологом могут жить только тенелюбивые
растения и т.д.).
Пространственная структура позволяет популяции эффективнее использовать ресурсы среды и снизить внутривидовую конкуренцию, обеспечивает взаимодействие особей внутри популяции.
Пространственная структура по вертикали определяется ярусностью (расчленением растительных сообществ по высоте), обеспечивающую более высокую продуктивность и более полное использование среды. В каждом ярусе растительности обитают свои животные из
состава биоценоза.
Пространственная структура по горизонтали проявляется в мозаичности и реализуется в неравномерном распределении популяции по
площади из–за рельефа, неоднородности почвенно–грунтовых усовий,
количественного соотношения различных видов. Мозаичность может
возникнуть искусственно в результате антропогенного воздействия.
Для пространственных отношений важно:
•
Разграничение используемого пространства по горизонтали и по вертикали
• Расстояние (до источника загрязнения, между местом рождения и размножения)
• Расположение (внутри – паразиты, на поверхности)
• Размерные связи 1↔2↔3
1)Масса животного;
2)Масса необходимой пищи;
3)Необходимая площадь участка, обеспечивающая
пищу,
Наиболее благоприятные условия для существования множества
видов характерны для переходных зон между сообществами, которые
называют экотонами, а тенденцию к увеличению здесь видового разнообразия называется краевым эффектом.
7.2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ НИШИ ВИДОВ В СООБЩЕСТВАХ
Одним из основных в современной экологии является понятие
экологической ниши. В 1914 г. американский зоолог–натуралист Дж.
Гриннелл и в 1927 г. английский эколог Ч. Элтон термином «ниша»
определили самую мелкую единицу распространения вида, а также
103
место данного организма в биотической среде, его положение в цепях
питания.
Аксиома экологической адаптированности: каждый вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий существования – экологической нише.
Обобщенным определением экологической ниши является следующее: это место вида в природе, обусловленное совокупным набором факторов внешней среды. Экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в
сообществе.
Так как при определении экологической ниши следует учитывать
большое число факторов, то место вида в природе, описываемое этими
факторами, представляет собой многомерное пространство. Такой
подход позволил американскому экологу Г. Хатчинсону дать следующее определение экологической ниши: это часть воображаемого многомерного пространства, отдельные измерения которого (векторы)
соответствуют факторам, необходимым для нормального существования вида. При этом Хатчинсон выделял нишу фундаментальную, которую может занять популяция при отсутствии конкуренции (она определяется физиологическими особенностями организмов), и нишу
реализованную, т.е. часть фундаментальной ниши, в пределах которой вид реально встречается в природе и которую он занимает при
наличии конкуренции с прочими видами. Понятно, что реализованная
ниша, как правило, всегда меньше фундаментальной.
Суммарный эффект диффузной конкуренции может сильно сократить величину реализованной ниши (R на рис.7.4), таким образом, что
она становится непригодной для поддержания жизнеспособности популяции.
Некоторые экологи подчеркивают, что в пределах своей экологической ниши организмы должны не только встречаться, но и быть способными к воспроизводству.
Большинство видов растений и животных могут существовать
только в специальных нишах, в которых поддерживаются определенные физико–химические факторы, температура и источники питания.
Все эти аспекты проявляются через строение организма, его адаптации, инстинкты, жизненные циклы, жизненные «интересы» и т.п. Право организма выбирать свою экологическую нишу ограничено довольно узкими рамками, закрепленными за ним от рождения. Однако его
потомки могут претендовать на другие экологические ниши, если в
них произошли соответствующие генетические изменения.
104
Б
А
R
Д
В
Г
Рис. 7.4. Схема сокращения фундаментальной ниши до ее реализованной в результате диффузной конкуренции
Правило соответствия экологической ниши фенотипическим
требованиям вида: cвойства экологической ниши отражают в среде
требования вида к условиям существования, выработанные в эволюции.
С использованием концепции экологической ниши правило конкурентного исключения Гаузе можно перефразировать следующим
образом: два разных вида не могут длительное время занимать одну
экологическую нишу и даже входить в одну экосистему; один из них
должен либо погибнуть, либо измениться и занять новую экологическую нишу. Кстати сказать, внутривидовая конкуренция часто сильно
уменьшается именно потому, что на разных стадиях жизненного цикла
многие организмы занимают разные экологические ниши. Например,
головастик – растительноядное животное, а взрослые лягушки, обитающие в том же пруду, – хищники; насекомые на стадии личинки и
взрослой особи; животные, проявляющих свою активность ночью или
днем.
Экологические амплитуды некоторых видов бывают очень малы.
Так, в тропической Африке один из видов червей живет под веками
105
гиппопотама и питается исключительно слезами этого животного. Более узкую экологическую нишу трудно себе представить.
Понятие «экологическая ниша» следует отличать от понятий «местообитание» и «ареал». Симпатрия – совместное обитание видов с
частичным или полным совпадением ареалов. Симпатрические виды
занимают различные экологические ниши.
На богатство экологических ниш в биоценозе оказывают влияние
две группы причин. Первая — условия среды, предоставляемые биотопом. Чем мозаичнее и разнообразнее биотоп, тем больше видов могут размежевать в нем свои экологические ниши.
Другой источник разнообразия ниш — сами виды, являющиеся ресурсом и создающие среду для других. Любой новый вид, внедряющийся в сообщество, увеличивает число имеющихся в нем экологических ниш не только за счет своего собственного положения среди других, но и предоставляя ресурсы для паразитов, хищников, норовых и
гнездовых сожителей и т.п.
Таким образом, в любой экосистеме присутствует определенный
набор строго увязанных друг с другом потенциально возможных (виртуальных) экологических ниш, призванных обеспечить целостность и
устойчивость экосистемы. Эта виртуальная структура и есть своего
рода «биополе» данной экосистемы, содержащее «эталон» ее актуальной (вещественной) структуры. И по большому счету, даже не важно,
какова природа этого биополя: электромагнитная, информационная,
идеальная или какая–то другая. Важен сам факт его существования.
Разделение совместно живущими видами экологических ниш с
частичным их перекрыванием – один из механизмов устойчивости
природных биоценозов. Если какой–либо из видов резко снижает свою
численность или выпадает из состава сообщества, его роль берут на
себя другие.
В любой сформировавшейся естественным образом экосистеме, не
испытавшей на себе воздействие человека, все экологические ниши
оказываются заполненными. Это называется правилом обязательности заполнения экологических ниш. Его механизм строится на свойстве жизни плотно заполнять собой все доступное ей пространство
(под пространством в данном случае понимается гиперобъем факторов
среды). Одним из главных условий, обеспечивающих выполнение этого правила, является наличие достаточного видового разнообразия.
Чем интенсивней человек обедняет разнообразие, тем большее количество экологических ниш становится свободными. При этом
уменьшается и межвидовая конкуренция, и оставшиеся виды одного
трофического уровня замещают исчезнувшие, заполняя освободив106
шиеся ниши. При этом, как правило, действует схема: мелкий сменяет
крупного, эволюционно менее организованный сменяет высокоорганизованного, генетически изменчивый сменяет менее изменчивого. Например, копытных в степи могут сменять грызуны, а в некоторых случаях – насекомые (вспомните нашествия саранчи). Исчезающих хищников может заменить крыса.
Количество экологических ниш и их взаимоувязка подчинена единой цели функционирования экосистемы как единого целого, имеющего механизмы гомеостаза (устойчивости), связывания и высвобождения энергии и круговорота веществ. Как уже отмечалось, многие виды
на разных стадиях жизненного цикла занимают разные экологические
ниши. Поэтому для экологического разнообразия важно не столько
количество видов, сколько видовое богатство, в которое помимо количества видов целесообразно включить еще и количество разных жизненных фаз внутри каждого вида. Кроме этого, нужно учесть еще и
генетическое разнообразие, то есть генетическую изменчивость видов,
без которой они оказались бы неспособными адаптироваться к изменяющейся среде. Большое значение для заполнения экологических
ниш имеет и «поведенческое разнообразие», зависящее:
• от сложности организации организмов,
• их способности формировать в природе разного рода структуры (строить гнезда, объединяться в стаи, формировать симбиозы и т.п.),
• гибкости их инстинктов и уровня их психического развития
(для высокоорганизованных животных),
• от наличия разума (достаточно вспомнить, что человек заполняет собой все большее количество экологических ниш).
Все вместе это можно обозначить одним термином – экологическое разнообразие.
Если не принимать в расчет деятельность человека, то можно отметить, что экологическое разнообразие повышает устойчивость экосистем к воздействию неблагоприятных факторов среды. Например,
видовое разнообразие обеспечивает дублирование разных функций.
Так вид, представленный в данной экосистеме единицами особей, способен в случае гибели широко представленных видов резко увеличить
свою численность и занять освободившиеся экологические ниши, сохранив жизнь экосистеме в целом. Этому значительно способствует
генетическое разнообразие.
Гипотеза экологического дублирования: эволюционно отсутствующий в сообществе или исчезнувший вид (сообщество,) замещается
экологически эквивалентным видом того же трофического уровня
107
(например, хищник замешается паразитом, копытные – грызунами и
т.п.). При уничтожении видов крупные, более организованные, пластичные виды замещаются мелкими, ниже организованными, консервативными.
Особенно ярко этот механизм заметен на популяциях микроорганизмов, возбудителей человеческих болезней. Период деления бактерий, например, может составлять всего несколько часов. У вирусов
динамика еще более высокая. Это значит, что видообразование в этой
среде может происходить буквально на глазах. Успехи медицины по
уничтожению возбудителей болезней свидетельствуют, что на смену
«побежденному» виду микроорганизмов, через достаточно короткое
время приходит другой, уже адаптированный к действиям препаратов,
вызвавших гибель его предшественника. Период времени от появления нового лекарства до соответствующей мутации в мире микроорганизмов все более сокращается и грозит свести на нет саму целесообразность существования фармакологии. Это вызвано тем, что освободившиеся экологические ниши занимают зачастую более примитивные
микроорганизмы, чем их предшественники.
Деятельность человека также способствовала бы устойчивости
экосистем, если бы он не возгордился, и не противопоставил себя природе. Присутствие разума дало бы экосистеме защиту даже от таких
фатальных разрушителей, как верховые пожары, иногда полностью
уничтожающие экосистемы, сопровождая это уничтожение сильной
эрозией почвы. Человек, по–видимому, призван был быть мудрым правителем, потому–то природа, наделив его огромной силой, не сделала
его хищником. Способность природы увеличивать разнообразие может
явиться мощным оружием против человека. Деятельность человека по
отношению к природе можно сравнить с потрясением, грозящим погубить жизнь. Такое в истории планеты случалось не однажды, о чем
свидетельствуют бедные жизнью прослойки между геологическими
слоями, когда жизнь, похоже, на время замирала, а потом взрывоподобно возрождалась, но уже в новых формах. То есть адаптации к подобным потрясениям жизнь уже сформировала. В соответствии с
принципом Ле Шателье–Брауна, жизнь всегда пытается компенсировать неблагоприятные воздействия на нее.
7.3. ПРОДУКТИВНОСТЬ ЭКОСИСТЕМ
Важнейшим свойством организмов и экосистем в целом является
их способность создавать и наращивать органическое вещество, используя солнечную энергию, диоксид углерода и элементы минерального питания, которое называют продукцией (древесину, листовую
108
массу растений, плоды, животную биомассу). Производительность
экосистемы, измеряемая количеством органического вещества, которое создано за единицу времени на единицу площади, называется биологической продуктивностью. Единицы измерения продуктивности:
г/кв.м. в день, кг/кв.м. в год, т/кв.км в год.
Все живое вещество, содержащееся в экосистеме вне зависимости
от того, за какой период оно накоплено, называется биомассой.
На суше 99,2% – биомасса растений, 0,8% – биомасса животных.
На море 6,3% – биомасса растений, 93,7% – биомасса животных.
Биомассу [БМ] и продуктивность [Пр] экосистемы оценивают в
сухом весе. Следует отметить, что для сравнения отдельных экосистем
можно выражать биомассу и продуктивность через энергетический
эквивалент, то есть [БМ] = ккал/га, [Пр] = ккал/(га.год).
Под первичной продуктивностью экосистемы понимается скорость, с которой солнечная энергия усваивается продуцентами, в основном зелеными растениями, накапливаясь в форме органических
веществ.
Первичная продукция может создаваться также хемосинтезирующими бактериями. Эти реакции могут идти в полной темноте, так как в
качестве источника энергии выступает не солнечный свет, а реакции
окисления простых неорганических соединений, например, аммиака
или соединений серы. Но доля такой продукции в биосфере Земли
очень мала. Следует различать валовую первичную продуктивность,
под которой понимают общую скорость фотосинтеза, и чистую первичную продуктивность, которая отличается от валовой на величину
энергии, затрачиваемой растениями в единицу времени на поддержание собственных процессов жизнедеятельности, т.е. на дыхание (к
дыханию в данном случае кроме собственно дыхания относят опадение листьев, сучьев, коры и т.п.). Именно чистая первичная продукция
доступна для питания консументам (животным). Однако они потребляют не всю эту продукцию, а только ее часть. Оставшуюся же часть
накопленного в единицу времени органического вещества, не потребленную консументами, называют чистой продукцией сообщества.
Скорость накопления энергии консументами называется вторичной продуктивностью.
Правило удельной продуктивности: удельная продуктивность
(на единицу площади) мелких животных выше, нежели крупных,
вследствие большей численности.
Продуцирование, т.е. синтез нового вещества происходит за счет
роста организмов и нарождения новых особей. Для этих процессов
требуются определенные затраты вещества и энергии.
109
Продуцирование – непрерывный процесс, поэтому при расчетах за
временной промежуток необходимо учитывать приросты не только
выживших, но и погибших особей, т.к. они тоже участвовали в формировании продукции сообщества
Фактическая скорость наращивания биомассы (чистая продуктивность) меньше общей энергии, полученной организмами с пищей, т.к.
некоторая ее часть расходуется на дыхание или теряется при отмирании организмов.
В сообществе, сохраняющем устойчивое состояние продукция
трофического уровня должна покрывать пищевые потребности организмов следующего уровня. Иначе грозит выедание. В стабильных
сообществах практически вся продукция тратится в трофических цепях и биомасса остается постоянной.
Как и энергия, продукция резко убывает при переходе от низших
трофических уровней к высшим.
При переходе энергии с одного трофического уровня на другой (от
растений к фитофагам, от фитофагов к хищникам первого порядка, от
хищников первого порядка к хищникам второго порядка) с экскрементами и затратами на дыхание теряется примерно 90% энергии. Кроме
того, фитофаги съедают только около 10% биомассы растений, остальная часть пополняет запас детрита и затем ее разрушают редуценты.
Поэтому вторичная биологическая продукция в 20–50 раз меньше, чем
первичная.
Продуктивность
Первичная
Биомасса и энергия,
производимые
продуцентами
Вторичная
Биомасса и энергия,
производимые всеми
консументами
Чистая
Оставшаяся после
расходов на дыхание и
корневые выделения
Валовая
Общее количество
созданного
органического вещества
Рис. 7.5
110
Правило зависимости продуктивности от размера особей
Ю.Одума; мелкие наземные организмы создают относительно меньшую биомассу, нежели крупные, что ведет к снижению продуктивности при исчезновении крупных животных.
Оценки продуктивности особенно важны для сельского хозяйства.
По отношению к экосистеме урожай, собранный человеком, является
утечкой энергии, обедняющей экосистему.
Увеличение продуктивности экосистемы достигается только за
счет дополнительных вложений энергии, затрачиваемой на обработку
земли, орошение, удобрение, селекцию, борьбу с вредителями и т.п.
Всякое дополнительное вложение энергии, увеличивающее продуктивность экосистемы, называется энергетической субсидией.
Энергетические субсидии не обязательно организуются человеком. Самым простым примером природной энергетической субсидии
является ветер. Возможность получать высокие урожаи, совершенно
немыслимые еще 100 лет назад, человек обеспечил только за счет
энергетических субсидий в искусственно созданные им экосистемы
(агроценозы). При этом он селекционировал новые высокоурожайные
сорта сельскохозяйственных культур, выращивание которых оправдано только при наличии таких субсидий. Это, кстати, является причиной некоторых неудач при попытках возделывать такие сорта в бедных
странах. Для удвоения урожая дополнительные поступления энергии
необходимо увеличить где–то в 10 раз. Могут ли такое себе позволить
бедные страны, где до сих пор в сельском хозяйстве преобладает немеханизированный труд?
Оценивая ситуацию в мире, надо сказать, что ввиду отсутствия
достаточных взвешенных энергетических субсидий в развивающихся
странах урожаи растут медленнее, чем численность населения. В результате с каждым годом растет число стран, которые вынуждены ввозить продукты питания. Таким образом, без энергетических субсидий в
производство пищи человеческая цивилизация существовать уже не в
состоянии. И с каждым годом эта ситуация будет усугубляться.
Все искусственные экосистемы характеризуются тем, что определенное количество продукции изымается из экосистемы человеком.
Если не возмещать эти потери в форме энергетических субсидий, то
рано или поздно экосистема деградирует.
Биомасса и продуктивность экосистем определят не только количество урожая, которое мы можем снять с данной экосистемы. От этих
показателей зависит средообразующая и средостабилизирующая роль
экосистем. Например, от этих параметров экосистем напрямую зависит углекислотный баланс в атмосфере.
111
7.4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ
Пирамида экологическая – графическое изображение трофической структуры и трофической функции.
Трофическую структуру экосистемы можно изобразить в виде
разного рода экологических пирамид (рис.7.6). Различают три типа
пирамид: пирамида энергии, пирамида биомассы и пирамида численности организмов.
Пирамида энергии наглядно иллюстрирует «правило десяти процентов». Она строится из прямоугольников, размер которых пропорционален энергетическому эквиваленту в единицу времени, т. е. количеству энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через
определенный трофический уровень за принятый период, точнее, той
части энергетического потока, которая идет на формирование биомассы данного уровня, то есть на продукцию. Поэтому пирамида энергии,
построенная в единицах измерения продуктивности, называется пирамидой продуктивности. Основанием пирамиды может служить прямоугольник, соответствующий уровню продуцентов или прямоугольник,
отражающий соответствующе количество Солнечной энергии. Поэтому продуктивность каждого следующего уровня где–то в 10 раз меньше продуктивности предыдущего уровня. Это напрямую вытекает из
второго закона термодинамики и принципа Онзагера (Ларс Онзагер –
норвежско–американский физхимик и физик, лауреат Нобелевской
премии по химии): повысить качество определенной порции энергии
можно только путем соответствующего преобразования гораздо большего количества менее качественной энергии. Поэтому пирамида
энергии (продуктивности) любой экосистемы всегда имеет правильную форму, то есть подчиняется правилу: на каждом последующем
уровне пищевой цепи продуктивность меньше, чем на предыдущем.
Пирамида биомассы характеризует общую массу живого вещества в сухом весе на каждом трофическом уровне экосистемы. Для разных экосистем эта пирамида может выглядеть по–разному. Пирамиды
биомассы экосистем суши обычно характеризуются такой же формой,
как и пирамида энергии. То есть количество биомассы на каждом последующем уровне такой экосистемы, как правило, меньше, чем на
предыдущем уровне. Но это правило уже не является абсолютным. Так
для экосистем моря характерна перевернутая пирамида биомассы, основание которой меньше, чем последующие ступени.
112
Численность организмов на каждом трофическом уровне экосистемы также можно изобразить в виде пирамиды численности. Однако такая пирамида не очень показательна. Ввиду существенного разброса численности организмов на разных уровнях ее трудно изобразить в одном масштабе. Форма ее может быть самая различная. Однако
в любом случае эта пирамида свидетельствует о том, что количество
организмов уменьшается от основания к вершине.
Рис.7.6– Пирамиды численности
Одним из наиболее удачных и наглядных примеров классических
экологических пирамид служат пирамиды, изображенные на рис.7.7.
Они иллюстрируют условный биоценоз, предложенный Ю. Одумом,
который состоит из мальчика, питающегося только телятиной, и телят, которые едят исключительно люцерну.
1
48
35·103
Мальчик
4,5
1035
5·106
Телятина
20000000
8211
62,4·107
26,4·10
Численность, шт
Биомасса, кг
9
Люцерна
Солнечная
энергия
Энергия, кДж
Рис. 7.7–Условный биоценоз, состоящий из мальчика, питающегося только
телятиной и телят, которые едят только люцерну
7.5. ДИНАМИКА ЭКОСИСТЕМ
Любая экосистема постоянно находится в состоянии динамики
(изменений), вызванной как изменением факторов среды, то есть
внешними возмущениями, так и внутренними процессами. При этом
удобно различать циклическую динамику и поступательную.
113
К разряду циклической динамики можно отнести:
1) суточную динамику, связанную с изменением активности растений и животных в течение суток: изменения в фотосинтезе, транспирации (испарение воды с поверхности листьев), у животных это смена
периодов активности и сна и т.п.;
2) сезонную динамику (смена периодов вегетации и покоя), связанную с сезонными колебаниями: смена времен года, периодов дождей и засухи, муссонная периодичность и т.п.;
3) многолетнюю цикличность, вызванную, например, периодичностью солнечной активности (период порядка 10–11 лет), или же какими–то другими колебаниями с многолетним периодом, например, цикл
Эль–Ниньо, который приводит к усилению ураганов, обрушивающихся на Южную Америку с периодичностью 5–7 лет, и т.п.
Особого внимания заслуживает поступательная динамика экосистем, или развитие – последовательный ряд изменений видовой и трофической структур экосистемы, всей ее организации, или последовательная смена экосистем, поэтому данный процесс называется сукцессией (от латинского слова сукцессио – преемственность, наследование).
Экологическая сукцессия – поступательная динамика экосистемы
– последовательный ряд изменений видовой и трофической структур
экосистемы, всей ее организации, или последовательная смена экосистем, возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием различных факторов или воздействий человека; процесс вытеснения одних экосистем другими под влиянием изменяющихся природных условий. Сукцессионный ряд завершается формированием зрелого сообщества, наиболее адаптированного к комплексу сложившихся
климатических условий. Такое сообщество было названо Ф. Клементсом климакс–формацией или климаксом.
Рис.7.8
114
По наличию или отсутствию жизни на предыдущей стадии сукцессии классифицируют на
• первичные (экосистема возникает на безжизненном месте)
• вторичные (сообщество развивается на месте уже существующего, например, после пожара)
Пример: был лес, вырубили, распахали, превратили в поле, засевали зерновыми культурами, затем забросили, лес восстановится снова.
Рис.7.9
Вторичные сукцессии могут начинаться с более поздних видов, например, с трав или кустарников. Так, например, сукцессии на заброшенных полях начинаются с однолетних трав, бывших ранее сорняками. Затем они сменяются многолетними травами, кустарниками и деревьями. Ввиду большего исходного плодородия почвы такие сукцессии достигают климакса гораздо быстрее, чем в случаях первичной
сукцессии. В последнее время для биосферы характерны именно вторичные сукцессии, что связано главным образом с деятельностью человека.
По направленности движущих сил, вызывающих сукцессию:
• автогенные (или аутогенная) – являются результатом внутренних биологических процессов в сообществе, изменяющих
условия и ресурсы (эндодинамические)
• аллогенные – обусловленные внешними геофизико–
химическими обстоятельствами (экзодинамические)
115
Экзодинамические сукцессии могут быть вызваны изменениями
климата, понижением уровня грунтовых вод, подъемом уровня мирового океана и т.п. Такие смены могут длиться столетиями и тысячелетиями. Они связаны в основном с действием механизмов адаптации
экосистемы к факторам внешней среды, которые в свою очередь базируются на механизмах адаптации живых организмов экосистемы.
Эндодинамические сукцессии приводятся в действие особыми законами, механизмы которых до сих пор во многом непонятны. Известно, что на любом, даже абсолютно безжизненном, субстрате типа песчаных дюн или затвердевшей лавы, рано или поздно расцветает жизнь.
При этом формы жизни, точнее, типы сообществ, в данном пространстве последовательно сменяют друг друга, постепенно усложняясь и
увеличивая видовое разнообразие, формируя так называемый сукцессионный ряд, состоящий из последовательных стадий, отмечающих
смену одного сообщества другим. Сукцессионный ряд заканчивается
стадией зрелости, на которой экосистема изменяется очень мало. Экосистемы на этой стадии, как было определено ранее, называются климаксными.
Рис. 7.10 – Типичный пример сукцессии, характерный для
южной тайги
116
Продолжительность сукцессии от зарождения экосистемы до стадии климакса может составлять до сотен и даже до тысяч лет. Столь
длительная продолжительность связана в основном с необходимостью
накопления питательного вещества в субстрате. Изначально на безжизненном субстрате поселяются так называемые пионерные виды,
типа лишайников и корковых водорослей (рис. 7.10). За 5–10 лет они
несколько обогащают субстрат питательными веществами, формируя
зачатки почвы. Затем на этих еще совсем бедных почвах поселяются
травы, еще более обогащая почву. Лет через 15 от начала сукцессии на
когда–то безжизненном пространстве поселяются первые кустарники,
которые постепенно вытесняются лиственными светолюбивыми деревьями, чаще всего березой и осиной, которые характеризуются быстрым ростом. К 50–летнему возрасту в молодом лиственном лесу выделяются наиболее сильные деревья, которые затеняют более слабую
поросль, которая погибает, давая возможность поселиться под пологом
лиственного леса поросли ели. Ель более теневынослива, под защитой лиственных деревьев она постепенно догоняет их в росте, отвоевывая у них жизненное пространство, ель становится доминирующим видом–эдификатором, формируя особым образом всю жизнь населяющего данную экосистему сообщества.
Следует различать автотрофные и гетеротрофные сукцессии. Все
описанные выше примеры относятся к автотрофным сукцессиям, так
как они протекают в экосистемах, где центральным звеном является
растительность (фитоценоз). Динамика гетеротрофов целиком подчинена динамике автотрофов – смена животных сообществ зависит от
смены растительных сообществ. Автотрофные сукцессии могут длиться теоретически вечно, так как они постоянно подпитываются энергией Солнца.
В гетеротрофных сукцессиях участвуют только животные (гетеротрофы, консументы). В этот процесс могут быть также вовлечены и
мертвые растения, например, поваленные деревья, пни и т.п., которые
являются, как правило, источником энергии для гетеротрофной сукцессии. Примером такой сукцессии может служить разрушение поваленного дерева. Первыми на мертвом или ослабленном дереве поселяются насекомые–короеды, которые повреждают кору, давая возможность проникнуть в места повреждений спорам грибов. Грибы–
пионеры размягчают древесину, окрашивая ее в разные цвета. Это облегчает появление следующей волны насекомых, которые питаются
уже древесиной (ксилофаги). В поврежденной ими древесине развиваются грибы–деструкторы, способствующие появлению мягкой гнили. Затем их сменяют грибы–гумификаторы, превращающие гнилую
117
древесину в гумус. На всех стадиях гетеротрофной сукцессии также
идет соответствующая смена видов микроорганизмов. В конечном
итоге все органическое вещество разлагается до конечных продуктов:
минеральных веществ и углекислого газа. Аналогичные процессы идут
и при разложении трупов животных, а также в экскрементах животных, в лесной подстилке, в загрязненных водах и т.д.
Гетеротрофная сукцессия предполагает обязательное наличие определенного запаса энергии, аккумулированной в органическом веществе. Она заканчивается вместе с исчерпанием ресурса энергии, то есть
после полного разложения исходного субстрата. После этого экосистема перестает существовать. То есть для нее не определено понятие
климакса. В отличие от биогеоценозов, такие экосистемы смертны.
По причинам (или агенту, явлениям, событиям), вызвавшим сукцессию бывает:
•
Антропогенная, вызванная деятельностью человека
•
Природная
• Зоогенная (вызванная животными);
• Фитогенная (вызванная растениями);
• Катастрофическая (стихийная) – (вызванная извержениями вулканов, наводнениями);
• Пирогенная (вызванная пожарами).
Вмешательство человека в природу ведет зачастую также к явлениям дигрессии, когда климакс экосистемы (устойчивое равновесное
состояние) достигается на более ранних стадиях сукцессии, вследствие
чего экосистемы значительно упрощаются (ухудшение состояния экосистем из–за внешних (экзогенных (затопление, засоление) и антроподинамических (перевыпас)) или внутренних (эндогенных) причин).
Финальная стадия называется катаценозом. Типичным примером является пастбищная дигрессия, когда вместо леса, на данном пространстве формируется обширная луговая экосистема. Чем дальше отступает пояс лесов, тем реже достигают данного пространства семена кустарников и деревьев. Регулярный выпас скота не дает развиться молодым деревьям. Постепенно на этом месте вдали от лесов формируется
особая зона, богатая гумусом, где никогда (точнее, очень долго) не
вырастет лес, даже если человек оставит этот район.
Так, вероятно, формировались степи, на которых древние кочевые
племена пасли свои табуны и стада. Попытки возобновить леса в степной зоне требуют немалых усилий, так как помимо колонии деревьев,
лес характеризуется особой структурой симбиотических связей, особенно между конями деревьев и грибницей (микроза). Поэтому лес
может постепенно «наступать» на степь. Но, чтобы лес самопроиз118
вольно возник посреди степи – случай практически невозможный. Для
того, чтобы лес заменил степи после ухода человека потребуются, вероятно, десятки тысяч лет.
В любом сукцессионном процессе можно выявить ряд закономерностей:
1. Изменение энергетики.
На ранних стадиях автотрофной сукцессии скорость образования
валовой первичной продукции (П) превышает скорость дыхания сообщества (Д) (расходы на жизнеобеспечение плюс потребление гетеротрофами), то есть П/Д > 1. В результате биомасса (Б) будет постоянно
накапливаться. Поэтому по мере сукцессии и первичная продуктивность и расходы на дыхание сообщества растут, но при этом отношение П/Д стремится к балансу П/Д = 1, характерному для стадии климакса. На этой стадии вся первичная продукция расходуется на дыхание и потребление гетеротрофами. Это значит, что на стадии климакса
чистая продукция экосистемы теоретически равна нулю, а количество
биомассы максимально.
Постулат “нулевого” максимума Маргалефа: экосистема в сукцессионном развитии стремится к образованию наибольшей биомассы
при наименьшей биологической продуктивности (практически, нулевой).
Гетеротрофная сукцессия, наоборот, начинается с отношения П/Д
< 1, но также по мере развития сукцессии стремится к П/Д = 1. В обоих случаях наблюдается тенденция к равновесию между связанной
энергией и энергией, затрачиваемой на поддержание биомассы. Поэтому отношение П/Д = 1 может служить показателем зрелости системы.
2. Изменение разнообразия.
На ранних стадиях сукцессии видовое разнообразие незначительно, но по мере развития сукцессии, оно нарастает, меняется видовой
состав сообщества, усложняются и удлиняются жизненные циклы,
увеличивается величина организмов, развиваются взаимовыгодные
симбиозы, усложняется трофическая структура экосистемы. Однако
пик разнообразия приходится вовсе не на стадию климакса, а либо на
середину сукцессионного ряда, либо ближе к климаксу.
На ранних стадиях сукцессии преобладают виды с высокой скоростью размножения и роста, но низкой способностью к индивидуальному выживанию.
На стадии равновесия давление естественного отбора благоприятствует видам с низкой скоростью роста, но большей способностью к
выживанию. Таким образом, в процессе сукцессии происходит, по–
119
видимому, переход от количества продукции к качеству, сопровождаемый генетическими изменениями, охватывающими всю биоту.
Принцип “сукцессионного очищения” Маргалефа: при приближении к климаксу видовое разнообразие снижается.
3. Совершенствование круговоротов биогенных элементов.
По мере усложнения трофической структуры экосистемы увеличивается время оборота биогенных веществ. Кроме того, циклы многих биогенных элементов, таких как азот, фосфор и кальций, замыкаются в пределах данной экосистемы. Все это способствует накоплению
запаса биогенных элементов. То есть, в процессе сукцессии количество этих элементов на входе оказывается большим, чем их количество
на выходе. В зрелой климаксной системе вход и выход биогенных элементов почти уравновешиваются, однако некоторое накопление все же
происходит. Таким образом, равновесная система более независима от
внешних поступлений вещества.
4. Относительность неизменности климаксных стадий.
После достижения климакса динамические процессы вовсе не прекращаются, но динамика экосистемы изменяет свой характер. Она
становится более замедленной. Одни организмы сменяют другие,
происходит внедрение в экосистему новых видов, формируются новые
экологические ниши, совершенствуются адаптации, происходит образование новых видов, формируются новые симбиозы и т.д. Особенно
явно эти процессы можно наблюдать в регионах с относительно стабильной средой. Возраст экосистем в этих районах может исчисляться
миллионами лет, сложность их организации превышает сложность
организации любого организма.
Однако очень большое влияние на динамику климаксных систем
оказывают внешние воздействия, которые способны отбросить всю
экосистему или отдельные ее районы на более ранние стадии сукцессии. Это могут быть пожары, сильные бури, наводнения, горные лавины и другие природные катаклизмы. Правило незавершенности сукцессии в нарушенной среде: в нарушенной, обедненной видовым составом среде сукцессия не достигает климакса и заканчивается на тем
более ранних стадиях, чем больше нарушения.
Модели суксессий Коннела – Слейтера
Модель стимуляции. В ходе сукцессии происходит улучшение
условий среды (например, процесс зарастания отвалов пустой породы
от горных разработок, если порода пригодна как субстрат для жизни
растений. Ускорить сукцессию можно высевом травосмеси или внесением удобрений).
120
Модель ингибирования. Сукцессия приводит к ухудшению условий среды. Такие сукцессии описывались в Англии на гарях, где развивался густой покров мха кукушкин лен (Polytrichum commune). Семена деревьев не достигают поверхности почвы, и фитоценозы десятки лет существуют в состоянии такой зеленомошной гари.
Модель толерантности. Компенсация ингибирования внедрением
в сообщество все более толерантных видов (при восстановлении леса
поселение ели возможно только под полог ольхи).
Модель нейтральности. Смена видов с разными жизненными
циклами и разными типами эколого–ценотических стратегий, без заметного воздействия на среду (сукцессия как чисто популяционный
процесс).
7.6. СТАБИЛЬНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ ЭКОСИСТЕМ
Важнейшими показателями динамики экосистем являются устойчивость и стабильность.
Устойчивость экосистем – это способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после снятия внешнего воздействия, выведшего ее из равновесия.
Под стабильностью экосистемы понимают ее способность сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии на
нее внешних факторов. Напомним, что иногда понятия устойчивость и
стабильность рассматриваются как синонимы, но тогда следует различать два вида устойчивости: резидентная устойчивость (стабильность)
– способность оставаться в устойчивом (равновесном) состоянии под
нагрузкой, и упругая устойчивость (собственно устойчивость) – способность быстро восстанавливаться при снятии нагрузки. В разных
терминах имеются различные смысловые оттенки, которые нужно
учитывать.
Системы с высокой резидентной устойчивостью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей
структуры, то есть практически не выходя за пределы равновесного
состояния.
Системы с малой резидентной устойчивостью более чувствительны к внешним возмущениям, под действием которых они как бы “прогибаются”, частично деформируя свою структуру, но после снятия или
ослабления внешних воздействий быстро возвращаются в исходное
равновесное состояние. При превышении пороговых воздействий такая система теряет устойчивость, то есть все дальше удаляется от состояния равновесия.
121
Природа обоих видов устойчивости состоит в наличии в экосистеме разного рода обратных связей. В основном это отрицательные обратные связи, которые направлены на стабилизацию параметров экосистемы, возвращая их значения к какой–то изначально заданной величине. Однако немаловажную роль играют и положительные обратные связи, усиливающие благоприятные для системы изменения, например, в плане роста и выживаемости организмов. Однако деятельность положительных обратных связей обязательно должна быть ограничена соответствующими отрицательными обратными связями, иначе
ничем не контролируемая экспансия жизни может привести экосистему к гибели.
Механизмы реализации обратных связей называются механизмами
гомеостаза (от греческих слов homoios – подобный, одинаковый и ststis
– состояние). Обычно они достаточно сложны, так как их компоненты
связаны в единые информационные сети факторами среды, а также
различными физическими и химическими агентами – “посредниками”,
подобно тому, как нервная или гормональная системы связывают в
одно целое части организма. С энергетической точки зрения можно
выделить одну закономерность, о которой уже говорилось ранее: обладатели высококачественной энергии, оставаясь в меньшинстве,
управляют большими потоками энергии более низкого качества. Например, хищники управляют численностью травоядных животных. В
то же время активность хищников и их численность управляется численностью их жертв по цепи обратной связи. По этой цепи на более
высококачественный энергетический уровень (к хищникам) подается
небольшая часть низкокачественной энергии – хищники уничтожают
не всех жертв, а лишь небольшой их процент. Причем влияние этой
части энергии на управление всей системой существенно усиливается
деятельностью хищников.
Помимо отрицательной обратной связи устойчивость экосистемы
может быть обеспечена избыточностью компонентов. Например, если
в системе имеется несколько автотрофов, каждый из которых характеризуется своим температурным диапазоном функционирования, то
скорость фотосинтеза сообщества в целом может оставаться неизменной, несмотря на колебания температуры. То же самое можно сказать
и про гетеротрофов. Поэтому видовое разнообразие способствует повышению устойчивости экосистем (закон Уильяма Эшби).
Примером абсолютно нежизнеспособных экосистем являются агроценозы, создаваемые человеком из однолетних и двулетних культурных растений, то есть продукты сельскохозяйственной деятельности человека. Многие экологи даже не считают их экосистемами, хотя
122
есть все основания считать их экосистемами с искусственно поддерживаемыми начальными стадиями сукцессии. Заброшенные поля сразу
же втягиваются в естественный ход сукцессии. Что касается возделываемых полей, то они существуют только за счет человека. Свидетельством их нежизнеспособности является крайне малая устойчивость,
что является следствием очень скудного видового разнообразия как
флоры (все сорняки подавляются гербицидами), так и фауны (“вредных” насекомых мы травим пестицидами).
Выводы по разделу
1.Каждая экосистема характеризуется особым растительным сообществом, которому характерен особый набор животных и микроорганизмов.
2. Экосистемы имеют иерархическую структуру (видовую и пространстенную), они способны к саморегуляции, самовоспроизведению, саморазвитию, самоорганизации и самоуправлению, обладают
эмерджентными свойствами.
3. Каждый вид адаптирован к строго определенной, специфичной
для него совокупности условий существования – экологической нише.
Один и тот же вид в разные периоды жизни может занимать разные
экологические ниши, у совместно обитающих видов ниши могут частично перекрываться, но полностью не совпадают никогда. Реализованная ниша всегда меньше фундаментальной.
4. Если по каким–то причинам ниша освобождается, то она заполняется менее организованными, более агрессивными и способными к
мутациям, трудно уничтожимыми и более мелкими видами.
5. Важнейшим свойством организмов и экосистем в целом является их способность создавать и наращивать органическое вещество,
используя солнечную энергию, диоксид углерода и элементы минерального питания, которое называют продукцией.
6. Оценки продуктивности особенно важны для сельского хозяйства. По отношению к экосистеме урожай, собранный человеком, является утечкой энергии, обедняющей экосистему.
7. Увеличение продуктивности экосистемы достигается только за
счет энергетических субсидий.
8. Биомасса и продуктивность экосистем определят не только количество урожая, которое мы можем снять с данной экосистемы. От
этих показателей зависит средообразующая и средостабилизирующая
роль экосистем.
9. Трофическую структуру экосистемы можно изобразить в виде
разного рода экологических пирамид: энергии, биомассы и численно123
сти организмов. Пирамида энергии имеет всегда правильную форму и
отражает правило 10%.
10. Любая экосистема постоянно находится в состоянии динамики,
вызванной внешними возмущениями и внутренними процессами. Различают циклическую динамику и поступательную.
11. Экологическая сукцессия – последовательная смена экосистем,
возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием
различных факторов или воздействий человека; сукцессионный ряд
завершается формированием климаксной экосистемы.
12. Вмешательство человека в природу ведет к явлениям дигрессии, когда климакс экосистемы (устойчивое равновесное состояние)
достигается на более ранних стадиях сукцессии.
13. Человек все более подрывает способность природы сопротивляться внешним воздействиям и возвращаться в исходное состояние.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте определение понятиям: биотоп, биоценоз, биогеоценоз,
экосистема.
2. Перечислите особенности биоценоза.
3. Перечислите особенности экосистем.
4. Приведите пример действия механизма обратной связи в системе
«хищник–жертва».
5. Принцип кооперативности.
6. Закон оптимальности.
7. Правило конструктивной устойчивости.
8. Какие виды называются доминантными?
9. Какие виды называются пионерными (индикаторными, эдификаторами, эндемичными, редкими, автохонными, аллохтонными)?
10. Приведите пример распределения различных сообществ по высоте (ярусам).
11. Аксиома экологической адаптированности.
12. Что такое экологическая ниша? В чем отличие фундаментальной
ниши от реализованной?
13. Принцип Гаузе.
14. Какие виды называются симпатрическими?
15. Правило обязательности заполнения экологических ниш.
16. Гипотеза экологического дублирования.
17. Дайте определение понятиям: продукция, продуктивность, продуцирование, биомасса, первичная продукция, вторичная продукция,
валовая продукция, чистая продукция.
18. Какова роль энергетических субсидий?
124
19. Сравните продуктивность различных экосистем биосферы.
20. Приведите пример сезонного изменения в пирамидах численности и биомассы.
21. Дайте определение понятиям: сукцессия, климакс, дигрессия, катаценоз.
22. Как изменяется видовое разнообразие на различных стадиях сукцессии?
23. Каково влияние внешних, в том числе и антропогенных воздействий, на динамику климаксных экосистем?
24. Дайте определение экзодинамических и эндодинамических сукцессий.
25. В чем отличие первичной и вторичной сукцессии?
26. В чем отличие автотрофной и гетеротрофной сукцессии?
27. Что называют устойчивостью экосистем?
28. Что называют стабильностью экосистем?
29. Охарактеризовать циклическую и поступательную динамику экосистем.
30. Приведите примеры сукцессионных рядов.
Тематика рефератов
1. Индикаторные виды экосистем.
2. Особенности существования экосистемы –…(на выбор)
3. Проблемы динамики экосистем, вызванные антропогенным воздействием.
4. Причины и факторы уменьшения биологического разнообразия.
Тестовые задания
1.Наука о сообществах организмов называется
а) Синэкология; б) Демэкология; в) Аутэкология; г) Биоэкология.
2.Атмосфера, вода, почва (местообитание сообщества) называется
термином
а) экотип; б) экотоп; в) биом; г) биота.
3. Биомасса каждого трофического уровня (пирамида биомассы)
должна быть
а) меньше чем на предыдущем; б) неизменной;
в) не имеет никакой закономерности.
4. Самопорождающие сукцессии, возникающие вследствие изменения среды под действием сообщества, называются
а) аллогенными; б) аутогенными; в) антропогенными.
125
5. Термин экосистема впервые предложил ученый
а) Мёбиус; б) Тенсли; в) Сукачев; г) Докучаев.
6. Синэкология изучает …
а) экологию видов; б) глобальные процессы на Земле;
в) экологию микроорганизмов; г) экологию сообществ.
7. Минимальный уровень энергии в экосистеме (пирамида энергии) будет у
а) консументов первого порядка; б) продуцентов;
в) консументов второго порядка.
8. Ритмы в организме, возникающие как реакция на периодические
изменения среды (смену дня и ночи, сезонов, солнечной активности и
т.п.), называются:
а) экзогенными; б) эндогенными;
в) циркадными (околосуточными);
г) цирканными (окологодичными)
9. Ярусность и мозаичность распределения организмов разных видов − это…
а) экологическая структура; б) пространственная структура;
в) видовая структура.
10. Стабильное состояние экосистемы, производящей максимальную биомассу на единицу энергетического потока, называют …
а) первичной сукцессией; б) климаксом;
в) вторичной сукцессией; г) флуктуацией.
11. Растения, микроорганизмы, животные называются термином
а) Экотип; б) Биота; в) Биотоп; г) Экотоп.
12. Какая экологическая пирамида имеет универсальный характер
и отражает уменьшение количества энергии, содержащейся в продукции, создаваемой на каждом следующем трофическом уровне?
а) пирамида энергии;
б) пирамида биомассы;
в) пирамида численности.
13. Реакции организмов на смену дня и ночи, проявляющиеся в
колебаниях интенсивности физиологических процессов, называют …
а) фотопериодизмом;
в) цирканными ритмами;
г) анабиозом.
126
14. Способность к саморегулированию выше у
а) oтдельных особей; б) естественных биогеоценозов;
в) агробиоценозов; г) отдельных видов.
15. При формировании ярусности в лесном сообществе лимитирующим фактором является …
а) свет; б) температура; в) вода; г) почва.
16. Место вида в природе, включающее не только его положение в
пространстве, но и функциональную роль в сообществе, называют
а) Экотип; б) Экотоп; в) Экологическая ниша; г) Экосистема.
17. Самоподдержание и саморегулирование определенной численности (плотности) популяции называется …
а) гомеостазом; б) эмерджентностью;
в) элиминированием; г) эмиссией.
18. Наибольшая продуктивность характерна для экосистем
а) тропических дождевых лесов; б) центральных частей океана;
в) жарких пустынь; г) лесов умеренного климата.
19. Как называют общую биомассу, создаваемую растениями в ходе фотосинтеза?
а) валовая первичная продукция;
б) чистая первичная продукция;
в) вторичная продукция.
20. Агросистемы отличаются от естественных экосистем тем,
что…
а) требуют дополнительных затрат энергии;
б) растения в них угнетены;
в) всегда занимают площадь большую, чем естественные;
г) характеризуются большим количеством разнообразных популяций.
21. Совокупность популяций разных живых организмов (растений,
животных и микроорганизмов) обитающих на определенной территории называют?
а) биоценоз; б) фитоценоз; в) зооценоз; г) микробоценоз.
22. Экологическая ниша организмов определяется:
1) пищевой специализацией;
2) ареалом;
3) физическими параметрами среды;
4) биологическим окружением;
5) всей совокупностью условий существования.
127
23. Виды, экологическая ниша которых связана с хозяйственной
деятельностью человека, называются:
1) доминантными; 2) синантропными; 3) эврибионтными.
24. Невозможность длительного совместного выживания двух видов с близкими экологическими требованиями была названа:
1) законом минимума (Либиха);
2) законом толерантности (Шелфорда);
3) законом (правилом) конкурентного исключения (Гаузе);
4) законом действия факторов (Тинемана).
25. Доминантами сообщества называют виды:
1) сильно влияющие на среду обитания;
2) преобладающие по численности;
3) характерные для биоценоза;
4) сохраняющиеся при смене биоценоза.
26. Продолжите определение: «Экосистема– это…»
1) сохраняющаяся неопределённо долгое время совокупность различных популяций, взаимодействующих между собой и окружающей
средой;
2) взаимоотношения между видами в рамках биоценоза;
3) совокупность особей, проживающих на одной территории.
27. Крупные наземные экосистемы, включающие в себя связанные
друг с другом более мелкие экосистемы, называют:
1) биоценозами;
3) сукцессиями;
2) биотопами;
4) биомами.
28. Правило краевого (пограничного) эффекта гласит: на стыках
биоценозов количество видов в них:
1) не изменяется; 2) увеличивается; 3) уменьшается;
4) значительно не увеличивается.
29. Плотность населения организмов на каждом трофическом
уровне отражает:
1) пирамида биомассы; 2) пирамида численности;
3) пирамида энергии; 4) пирамида потребности.
30. Вторичная продукция в экосистемах образуется
1) продуцентами;
2) консументами;
3) детритофагами;
4) редуцентами.
128
Лекция 8
ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ (ДЕМЭКОЛОГИЯ)
Детализированные цели изучения раздела
Изучить
–количественные (статические и динамические) показатели популяций;
– механизмы популяционного гомеостаза;
– факторы, определяющие популяционные волны;
– стратегии выживания и кривые выживания особей в популяции;
– механизмы популяционного гомеостаза.
ВВЕДЕНИЕ
Демэкология – популяционная экология – изучает взаимоотношения популяций с окружающей средой; структурные и функциональные
характеристики; динамику численности популяции; внутрипопуляционные группировки и их взаимоотношения; условия, при которых
формируются популяции и др.
Основные направления исследований:
• Структура популяций;
• Численность;
• Плотность;
• Динамика;
• Самовоспроизводство;
• Нарушения поведенческих механизмов;
• Миграция;
• Популяционные волны;
• Степень и роль изоляции;
• Внутрипопуляционные группировки;
• Воздействие различных факторов.
Под популяцией понимается минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени населяющая определенное пространство, образующая генетическую систему и формирующая собственную экологическую нишу. Различные виды организмов представлены в экосистеме
именно популяциями. Поэтому в организации популяций черты единого организма зачастую просматриваются более явно, чем в экосистемах.
Популяция считается базовой единицей экологии. Если холистское направление в экологии на первое место ставит понятие экосистемы, рассматривая ее как единое целое, то редукционистское направление наибольшее внимание уделяет именно популяциям, считая,
129
что на этом уровне лежат все механизмы экосистемной динамики.
Именно на уровне популяций происходят основные адаптации и эволюционные процессы, здесь рождается видовое многообразие природы, формируются межвидовые и внутривидовые взаимодействия и т.п.
Для человека знание законов популяционной динамики имеет одно из первостепенных значений, так как эти законы применимы и к
динамике человеческих популяций. Особую важность эти знания приобретают в связи с демографической проблемой, являющейся одним из
основных компонентов надвигающейся глобальной экологической
катастрофы. Здесь же лежат ответы на вопросы о причинах нашей воинственности, стремления к безудержной экспансии планеты и даже
космоса, наших конфликтов с природой. Распространяя законы популяционной динамики на человеческое общество, мы можем прогнозировать, что может ожидать нас в будущем.
Существует масса подходов к классификации популяций: по размерам, степени генетической самостоятельности, длительности существования, способу размножения особей и др. Кратко рассмотрим основные из них.
1) По размерам территории занимаемой популяцией и степени
связи между особями (Наумов):
– элементарная (локальная) – наименьшая (элементарная) группировка особей, характеризующаяся практически полной панмиксией.
Например, зяблики, обитающие в одной березовой роще.
– экологическая – совокупность пространственно смежных элементарных популяций. Например, зяблики, которые живут в близлежащих зеленых насаждениях.
– географическая – совокупность групп пространственно смежных
экологических популяций. Например, зяблики всей лесной зоны.
2) По способности к самовоспроизведению выделяют:
– перманентные (постоянные) – популяции, относительно устойчивые в пространстве и во времени, способные к неограниченно длительному самовоспроизведению, являющиеся элементарными единицами эволюции.
– темпоральные (временные) – популяции, неустойчивые в пространстве и во времени, неспособные к длительному самовоспроизведению, с течением времени либо преобразуются в перманентные, либо
исчезают.
3) По способу размножения популяции делят на:
– панмиктические – состоят из особей, размножающихся половым
путем, для которых характерно перекрестное оплодотворение.
130
– клональные – состоят из особей, для которых характерно только
бесполое размножение.
– клонально-панмиктические – образованы особями с чередованием полового и бесполого размножения.
Количественные показатели популяции делят на статические, характеризующие состояние популяции на данный момент времени, и
динамические, характеризующие процессы, протекающие в популяции
за какой–либо промежуток времени (рис. 8.1).
Рис. 8.1.
8.1. СТАТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОПУЛЯЦИИ
Прежде, чем говорить о динамике, рассмотрим ряд свойств, которыми характеризуется популяция. Эти свойства можно разделить на
биологические и групповые.
Биологические свойства присущи как популяции в целом, так и составляющим ее организмам. Они характеризуют жизненный цикл популяции: популяция, так же как и отдельный организм, растет, дифференцируется и поддерживает сама себя, имеет определенную организацию и структуру.
131
Групповые свойства присущи только группе в целом. Как правило, это статистические параметры, такие как плотность, рождаемость, смертность, возрастная структура. В числе прочего, эти параметры хорошо характеризуют динамику популяции, то есть изменение во времени ее численности, структуры и т.п.
Ареал вида – это область географического распространения (территория или акватория) особей рассматриваемого вида вне зависимости от степени постоянства их обитания в данной местности, но исключая места случайного попадания (заноса, залета, захода, заплыва) в
соседние регионы.
Численность популяции – количество особей (растений) в пределах ареала.
Эффективная численность популяции – число размножающихся
животных, которое всегда меньше общего числа особей, составляющих популяцию.
На 1 января 2018 года по оценке Росстата в России было
146.880.432постоянных жителей, по этому показателю страна
занимает девятое место в мире по численности населения.
Генетическая гипотеза Читти: Популяции животных способны
регулировать свою численность за счет автогенных генетических процессов на основе полиморфизма (сильные и слабые расы). На пике
численности преобладают крупные агрессивные особи с низкими показателями репродукции, выживаемости, способностью к расселению
(С.С.Шварц).
Гипотеза Кристиана – Дейвиса: регуляция численности осуществляется механизмами социального стресса, возникающего при повышении плотности вследствие усиления конкуренции за индивидуальные участки, пищу, самок и пр., опосредующимися нейроэндокринными воздействиями на репродукцию, иммунную резистентность, дезадаптацию к хроническому стрессу. Современные болезни мало похожи
на болезни прошлого, если не считать того, что мы от них умираем
(Агнесс Репплайер).
К. Фридерихсом (1927) была сформулирована теория биоценотической регуляции численности популяции: регулирование численности
популяции есть результат комплекса воздействий абиотической и биотической среды в местообитании вида.
Плотность популяции выражается количеством особей или биомассой на единице пространства, например, число деревьев на 1 га или
масса планктона в 1 м3.
Плотность населения России— 8,58 чел./км2 (2018). Население
распределено крайне неравномерно: 68,36 % россиян проживают в европейской части России, составляющей 20,82 % терри-
132
тории. Плотность населения европейской России — 27 чел./км²,
а азиатской — 3 чел./км². Среди субъектов федерации наибольшая плотность населения зарегистрирована в Москве — более
4626 чел./км², наименьшая — в Чукотском автономном округе
— менее 0,07 чел./км².
Правило максимального размера колебаний плотности популяции
Ю. Одума: существуют определенные верхние и нижние пределы для
размеров плотности популяции, которые соблюдаются в природе или
которые теоретически могли бы существовать в течение сколь угодно
длительного отрезка времени в условиях стабильности среды обитания.
Общая численность и плотность населения популяций регулируется правилом максимальной рождаемости (воспроизводства): в популяции имеется тенденция к образованию теоретически максимально
возможного количества новых особей.
На разных стадиях жизненного цикла плотность может существенно колебаться. Это напрямую связано с двумя другими показателями популяции: рождаемостью и смертностью, которые рассмотрим в
следующей главе.
Рассмотрим показатели структуры популяции.
1) Половой показатель – соотношение особей мужского и женского пола (самцов и самок).
2) Возрастной показатель – распределение населения по возрастным группам, которые классифицируются следующим образом:
–предрепродуктивная группа (молодые особи);
–репродуктивная группа (способная воспроизводить новые
особи);
– пострепродуктивная группа (особи, утратившие способность к воспроизводству).
В популяциях животных также можно выделить различные возрастные стадии. Например, насекомые, развивающиеся с полным метаморфозом, проходят стадии яйца, личинки, куколки, имаго (взрослого насекомого).
Возрастная структура популяций растений.
латентный период – состояние семени;
прегенеративный период (включает состояния
проростка, ювенильного растения, (переходят к самостоятельному питанию, но размерами и морфологически еще отличаются от взрослых растений)
133
имматурного растения (обладают переходными признаками от ювенильных к взрослым растениям, еще очень малы, у
них идет смена типа нарастания, начинается ветвление побегов)
виргинильного растения «взрослые подростки», могут достигать размеров взрослых особей, но регенеративные органы
отсутствуют;
генеративный период
молодые генеративные – характерно наличие генеративных
органов, завершается формирование облика, типичного для
взрослого растения;
средневозрастные генеративные – отличаются максимальным годичным приростом и максимальной репродуктивностью;
старые генеративные – растения продолжают плодоносить,
но у них полностью прекращаются рост побегов и образование
корней;
постгенеративный период (включает состояния субсенильного рас-
Рис.8.2. Число женщин на 1000 мужчин в возрасте 40, 50, 60 и 70 лет в
разных поколениях россиян (по данным переписи 2010 г.)
134
тения, сенильного растения и фазу отмирания).
субсенильные – плодоносят очень слабо, идет отмирание вегетативных органов, новообразование побегов идет за счет спящих почек;
сенильные – очень старые, дряхлые особи, появляются черты
ювенильных растений: крупные одиночные листья, порослевые
побеги.
Возрастно–половая пирамида – это графическое распределение
представления населения по полу и возрасту, использующееся для характеристики половозрастного состава населения. Например, на
рис.8.3 можно увидеть различные виды таких пирамид на примере
данных численности населения Индии в 1960, 2010 и прогноза на 2060
г. На рис. 8.4. приведена возрастно–половая пирамида населения России по данным на 1 января 2017 г.
Рис.8.3
На половую структуру влияет снижение рождаемости на численность отдельных возрастных групп населения в виде, так называемых
провалов в возрастной структуре, войны, состояние населения в браке
и др.
Возрастно–половая пирамида растущая:
• Высокий коэффициент рождаемости;
• Большая часть молодых;
• Низкая доля пожилого;
• Короткая продолжительность жизни;
• Рост населения.
Возрастно–половая пирамида сокращаемая:
• Малый уровень рождаемости;
• Низкий процент молодых;
• Большая доля взрослых и пожилых;
• Высокая ожидаемая продолжительность жизни;
• Старение населения.
Возрастно–половая пирамида омолаживающая:
135
Распространение группы классов основной пирамиды;
Характерна для типично развитых стран, которые испытывают более высокий уровень рождаемости в результате демографической политики.
По числу детских и старческих групп можно судить о типе популяции.
Прогрессивный тип – большая доля детей в общей численности
населения.
Стационарный тип – доля детских и старческих групп уравновешены.
Регрессивный тип – большая доля пожилых и старых людей, невелико воспроизводство населения.
Гипотеза специализации полов Геодакяна: самцы ответственны
за качество, самки – за количество потомства. Поисковая активность
•
•
Рис.8.4. Возрастно-половая пирамида населения России на 1.01.17
136
мужского пола способствует мутациям и изменчивости признаков,
постоянство их обеспечивает женский пол. Быстрое распространение
вновь приобретенных признаков обеспечивается полигамией самцов.
Генетический поток информации (от поколения к поколению) о распределении генотипов в популяции больше реализует женский пол, а
экологический поток (от среды к потомству) – мужской.
3) Пространственная структура популяций.
Пространственная структура популяций выражается характером
распределения особей или их группировок по отношению к определенным элементам ландшафта и друг к другу и отражает свойственный
виду тип использования территории.
Пространственная структура популяций определяет наиболее эффективное использование ресурсов среды (пищевых, микроклиматических и др.), тем самым, снижая уровень конкурентных отношений особей внутри популяции, т.е. определяет пространственную дифференциацию особей.
Пространственная структура популяций поддерживает необходимый уровень устойчивых контактов между особями для осуществления внутрипопуляционных функций, т.е. определяет функциональную
интеграцию особей.
Осуществление функций популяции (воспроизводство, регуляция
плотности населения, общепопуляционная реакция на внешние условия, взаимоотношения с популяциями
других видов) возможно только на основе устойчивых, закономерных взаимодействий между отдельными особями и их группами.
Различают следующие типы пространственного распределения особей в популяциях: равномерный (регулярный), диффузный (случайный) и
агрегированный (групповой, мозаичный, неравномерный) (рис. 8.5).
Равномерный тип распределения
особей характеризуется равным удалением каждой особи от всех соседних,
причем расстояние между особями соответствует пределу, за которым начиРис.8.5.
нается взаимное угнетение (размещение деревьев в лесу; животных, которым свойственна территориальность и т.д)
137
Случайный тип распределения особей характеризуется неравномерным, случайным распределением особей в пространстве.
В этом случае расстояния между особями неодинаковы, что определяется, с одной стороны, вероятностными процессами (сила и направление воздействия абиотических и биотических факторов случайно изменяется во времени и пространстве), а с другой – определенной
степенью неоднородности среды.
Со случайным типом распределения особей в популяции связана
концепция «распределения риска», предложенная голландскими исследователями П. Буром и Я. Редингиусом: численность любого вида в
природе поддерживается на определенном уровне постольку, поскольку риск гибели особей от каких–либо неблагоприятных факторов случайно распределен во времени и пространстве.
Поэтому популяция, даже если какая–либо ее часть погибнет в результате катастрофического воздействия, не уничтожится, потому что
такие катастрофы не происходят сразу во всех или многих местах. Такой тип распределения особей встречается в природе значительно чаще.
Групповой тип распределения особей выражается в образовании
группировок особей, между которыми остаются достаточно большие
незаселенные территории.
Этот тип распределения связан с резкой неоднородностью среды и
мозаичностью экологических условий («пятнистость среды»), или
происходит на основе активного сближения особей, что особенно характерно для высших животных (эффект группы). Эффект группы –
это оптимизация физиологических процессов, ведущая к повышению
жизнеспособности особой при совместном существовании.
Это наиболее распространенный тип распределения особей в природных популяциях, так как групповой образ жизни обеспечивает животным более высокую устойчивость по отношению к неблагоприятным условиям среды, облегчает им удовлетворение важных жизненных потребностей (поиск и добывание пищи, защиту от врагов и др.):
– в большие стаи собираются водоплавающие птицы, готовящиеся
к дальним перелетам;
– волки в стаях нападают на крупных животных, тогда как одиночные особи этого сделать не в состоянии;
– известна коллективная оборона от хищников у крупных копытных;
– у многих животных вне группы не реализуется плодовитость и
т.д.
138
Вероятно, территориальность, каким–то образом удовлетворяет
принципу оптимальности. Как полагают, территориальное поведение
является одним из механизмов регулировки численности популяции,
защищая ее от перенаселенности. Обычно территории оказываются
вполне достаточными для того, чтобы прокормиться данной особи или
семейной группе даже при достаточно неблагоприятных условиях.
Кроме того, территориальность позволяет, по–видимому, избегать
давления хищников, распространения болезней, облегчается встреча
особей при размножении и т.п. Все это способствует снижению затрат
на жизнеобеспечение, то есть налицо экономия энергии.
Принцип Олли (1931): скопление особей, усиливает конкуренцию
между ними за пищевые ресурсы и жизненное пространство, но приводит к повышенной способности группы к выживанию. Следовательно, как «перенаселенность» (повышенная агрегация особей), так и
«недонаселенность» (отсутствие агрегации) могут служить лимитирующими факторами.
4) Размерный показатель – соотношение количества особей разных размеров. Учитывая зависимость особей от размеров размерные
группы могут выделяться в миллиметрах, сантиметрах или метрах.
Большое количество размерных групп свидетельствует о хороших условиях существования популяции. Размерная структура – соотношение разных размерных групп в популяции, выраженное в процентах от
общего числа изученных особей.
5) Этологическая (поведенческая) структура популяции – cистема взаимоотношений между членами одной популяции. Отражает разнообразные формы совместного существования особей в популяциях,
зависит от комплекса, включающего
• врожденные программы,
• индивидуальную приспособленность и
• обучение.
Формы совместного существования
• Одиночный образ жизни;
• Семейный образ жизни;
• Колонии (поселения) – групповое поселение оседлых животных на длительное время или период размножения;
• Стая – временное объединение (для защиты от врагов, добычи
пищи, миграции);
• Стадо– длительное или постоянное объединение животных.
Типы поведения:
• Территориальное
• Сигнальное
139
•
•
•
•
Половое
Родительское
Групповое
Исследовательское и пр.
8.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОПУЛЯЦИИ
Динамика численности и плотности определяется в основном рождаемостью, смертностью и процессами миграции. Это показатели,
характеризующие изменение популяции в течение определенного периода: месяца, сезона, года и т.д. Изучение этих процессов и причин
их обусловливающих очень важно для прогнозов состояния популяций.
Рождаемость – это способность популяции к увеличению численности, независимо от того, происходит ли это путем откладывания
яиц или путем деления, или почкования, или прорастания из семени,
или как–то иначе. Абсолютная рождаемость – это количество новых
особей, появившихся за единицу времени
Наиболее показательна удельная рождаемость, определяемая как
количество новых особей, появившихся за единицу времени, отнесенное к определенному числу особей (на 1000 чел.) (в демографии расчет
ведется на одну женщину репродуктивного возраста).
Коэффициент фертильности – средний коэффициент рождаемости – среднее число детей, которое рождает каждая гипотетическая
женщина за весь период ее детородного возраста. При К=2,3 – обеспечивается неизменная численность, в развитых странах К= 1,7…1,9, в
развивающихся К=4.
Рис.8.5
140
В РФ самый большой коэффициент наблюдался в 2015 г.–1,777. В
2017 г. составил –1, 621 (сельское население >2). В СССР в 1949 г.–
3,196.
Реальная рождаемость в значительной степени зависит от факторов среды, поэтому она всегда меньше максимальной рождаемости,
под которой понимают теоретический максимум рождаемости, определяемый только физиологией особей при оптимальных значениях
всех факторов среды.
Рождаемость определяется: условиями среды, наличием пищи,
биологией вида (скорость полового созревания, количество генераций
в течение сезона, соотношение самцов и самок в популяции).
Согласно правилу максимальной рождаемости (воспроизводства) в идеальных условиях в популяциях появляется максимально возможное количество новых особей; рождаемость ограничивается физиологическими особенностями вида.
Смертность характеризует гибель особей в популяции и выражается числом особей, погибших в единицу времени. Удельная смертность характеризует уровень смертности для определенной группы
особей, например, количество смертей за месяц на тысячу особей.
Смертность также зависит от факторов среды и бывает обычно значительно выше минимальной смертности при идеальных условиях среды, которая определяется физиологией данного вида организмов – даже в идеальных условиях особи будут умирать от старости.
Прирост популяции – разница между численностью особей в популяции в начале какого–либо промежутка времени и в конце этого
промежутка. Зависит не только от смертности и рождаемости, но и от
числа иммигрантов ( вселившихся в популяцию особей) и числа эмигрантов (выселившихся из популяции) за этот же промежуток времени.
Может быть как положительным, так и отрицательным (убыль).
Продолжительность жизни определяется физиологическими возможностями организма, при условии, что в период всей жизни на него
не оказывают влияние лимитирующий факторы.
Выживаемость – среднее число особей, сохранившихся за определенный промежуток. Если смертность на N особей обозначить через
М, то выживаемость определяется разностью N – M. Экологическая
стратегия выживания — стремление организмов к выживанию. Экологических стратегий выживания множество. Например, еще в 30–х гг.
А. Г Раменский (1938) среди растений различал три основные типа
стратегий выживания, направленных на повышение вероятности выжить и оставить после себя потомство: виоленты, патиенты и эксплеренты.
141
Виоленты (силовики) — подавляют всех конкурентов, например,
деревья, образующие коренные леса.
Патиенты — виды, способные выжить в неблагоприятных условиях («тенелюбивые», «солелюбивые» и т. п.)
Эксплеренты (наполняющие) — виды, способные быстро появляться там, где нарушены коренные сообщества, — на вырубках и гарях (осины), на отмелях и т. д.
Большой интерес представляют кривые выживания особей популяции – графики зависимости от времени числа выживших для некоторой группы новорожденных. По оси абсцисс откладывают относительный возраст, по оси ординат – абсолютное число выживших особей или их процент от исходного числа (Nвыживших×100%/.N популяции).
Различают три общих типа кривых выживания (рис.8.6). Выпуклая
кривая 1 характеризует относительно низкую смертность на протяжении почти всего жизненного цикла популяции. К концу жизненного
цикла смертность значительно возрастает. Такая кривая характерна
для популяций, в котоЧисленность
рых основной акцент
при размножении делается не на количество
1
новорожденных особей,
а на повышенную заботу о молодом поколе3
нии. Такого рода кривая характерна для
многих высших живот4
ных, а также и для че2
ловека.
Вогнутая кривая 2
характеризует
повыВозраст в % от продолжительности жизни
шенную смертность на
Рис.8.6. Кривые выживания
ранних стадиях жизненного цикла, которая
снижается, когда особи «входят в силу», достигая определенного возраста. Такие кривые типичны для низших организмов и растений. Например, смертность среди молодых дубов и прорастающих желудей
особенно велика, но когда дубы достигают определенных размеров, их
смертность резко снижается. Аналогичные кривые характерны для
рыб, где смертность среди мальков обычно гораздо выше, чем смертность среди взрослых особей. Повышенная смертность в раннем возрасте в таких случаях компенсируется повышенным количеством се142
мян, икринок, яиц и т.п. Промежуточные типы кривой выживания колеблются обычно вокруг средней линии 3. Одним из примеров может
служить ступенчатая кривая 4, характерная для видов, у которых
смертность значительно меняется на разных стадиях жизненного цикла. Примером могут служить некоторые виды насекомых, жизненный
цикл которых проходит последовательно через несколько стадий: яйцо, личинка, куколка, взрослое насекомое.
На основе кривых выживания можно уже сделать вывод о возрастной структуре популяции, которая определяет соотношение в ней
разных возрастных групп. Знание возрастной структуры определяет
возможность прогнозирования динамики численности популяции.
Однако наибольшее значение для экологии имеют не сами показатели плотности или численности популяции или ее возрастная структура, а скорости, с которыми меняются все эти показатели.
Если среда не лимитирует популяцию, то динамика численности
популяции описывается дифференциальным уравнением:
dN
= (b − d ) N = rN
dt
(скорость роста численности пропорциональна числу особей), которое имеет решение в виде: N = N 0 e rt
Здесь N0 – численN J-образная
N S-образная
ность в начальный момент времени, t – время,
K
r – коэффициент роста
популяции, определяемый как разность между
удельной рождаемостью
t
t
b (в расчете на одну
особь)
и
удельной
смертностью d в данный
N
N
Реальная
момент времени, то есть
Триггерная
r = b – d. Максимально
возможное значение коэффициента роста популяции rmax, достигаемое
при
наиболее благоприt
t
ятных условиях среды,
Рис.8.7
называется
биотическим потенциалом популяции. Обычно биотический потенциал тем выше, чем ниже уровень организации организмов.
143
Так дрожжевые клетки, размножаясь делением, при условии реализации биотического потенциала способны освоить весь земной шар
за несколько часов. Крупным организмам с более низким потенциалом
для этого потребовалось бы несколько десятилетий или даже столетий.
Следует отметить, что человек сейчас находится в условиях, когда
его коэффициент роста близок к биотическому потенциалу.
В соответствии с решением уравнения динамики численности популяции можно построить так называемую кривую роста популяции
(рис.8.7). Из уравнения видно, что это экспонента, поэтому такую кривую называют экспоненциальной, или J–образной.
Особенность J–образной динамики в том, что рано или поздно относительно свободный рост численности популяции прекращается.
Связано это, как правило, с исчерпанием какого–либо ресурса, на базе
которого развивается данная популяция, например пространство или
пища. Причиной также могут служить внезапные заморозки или какой–то другой фактор среды, прекращающий сезон относительного
благополучия. После этого численность популяции может катастрофически понизиться (пунктирная линия на рисунке). Иногда вслед за подобным падением идет повторный рост численности, в результате
формируется так называемая триггерная кривая роста, свойственная,
например, однолетним растениям, некоторым насекомым, популяциям
леммингов в тундре и т.п.
Обычно лимитирующее давление среды играет в динамике популяции роль отрицательной обратной связи, поэтому в уравнении динамики популяции появляется дополнительный сомножитель или слагаемое:
dN
 N
= rN 1 − 
dt
 K
где К – верхняя асимптота, соответствующая верхнему пределу численности популяции после того, как в системе наступит равновесие (ее
величина определяется средой, точнее, надсистемой). В данном случае
скорость роста равна максимальной скорости роста (rN), определяемой
биотическим потенциалом, умноженной на степень реализации максимальной скорости (1–N/K), которая тем ниже, чем больше плотность,
или численность N, популяции. Поэтому такую динамику называют
зависимой от плотности (численности), в отличие от независимой от
плотности J–образной динамики.
Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:
K
N=
1 + e a − rmaxt
144
где a – постоянная интегрирования, определяющая положение кривой
относительно начала координат. Кривая роста популяции, описываемая данным уравнением, называется логистической или S–образной
кривой.
Почти все математические модели роста популяций сильно уязвимы. В наиболее частом случае динамика популяции не идет ни по одной из этих кривых, реальная кривая роста располагается где–то в промежутке между этими кривыми. По инерции рост численности еще
некоторое время может продолжаться даже после выхода за пределы
верхней асимптоты, но затем после нескольких колебаний численность
популяции, как правило, либо стабилизируется, либо совершает незначительные колебания относительно значения N = K. Иногда эти колебания могут быть достаточно существенными, их называют популяционными волнами или волнами жизни. Причины популяционных волн
могут быть как внешними (периодические изменения факторов среды,
хищники, паразиты, пища), так и внутренними, связанными особенностями межвидовых и внутривидовых отношений (высокая плотность,
дефицит пространства, дефицит пищи, рост заболеваний).
Совокупность факторов, лимитирующих рост численности популяции, называют сопротивлением среды.
Рис. 8.8
145
Состояние равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением среды, поддерживающее постоянство численности называется динамическим равновесием (популяционным гомеостазом).
Внутренние механизмы регулировки численности, работающие по
принципу обратной связи, могут быть самыми различными. Саморегуляция обеспечивается механизмами торможения роста численности:
1) при возрастании плотности и повышенной частоте контактов между особями возникает стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и повышающее смертность;
2) при возрастании плотности усиливается миграция в новые
местообитания, краевые зоны, где условия менее благоприятны
и повышается смертность;
3) при возрастании плотности происходят изменения генетического состава популяции–замена быстроразмножающихся на
медленно размножающихся.
Виды, которые быстро размножаются со скоростью, не зависящей
от плотности вида, называют r–стратегами. Размеры r–популяций не
стабилизируются и в течение некоторого времени могут превышать
поддерживающую ёмкость среды. Как правило, r–стратеги имеют небольшие размеры и малую продолжительность жизни. Среди них много микроорганизмов, мелких насекомых и однолетних растений.
• Размножение быстро (высокая плодовитость, короткое время
генерации)
• Скорость размножения не зависит от плотности популяции
• Энергия и вещество распределяются между многими потомками
• Размеры популяции некоторое время могут превышать емкость среды
• Вид не всегда устойчив на данной территории
• Расселяются быстро
• Размножение идет с относительно большими затратами энергии и вещества
• Малые размеры особей
• Малая продолжительность жизни особей
• Местообитания сохраняются недолго
• Слабые конкуренты
• Защитные приспособления развиты слабо
• Лучше приспособлены к изменениям окружающей среды
(менее специализированы)
Например: бактерии, тли, одуванчики.
146
Обычно r–стратеги быстрее заселяют новые местообитания, однако через некоторое время их вытесняют более конкурентноспособные
K–стратеги.
K–стратеги размножаются относительно медленно. Скорость их
размножения зависит от плотности популяции. Численность популяций K–стратегов через некоторое время стабилизируется на определенном значении. Среди K–стратегов обычно встречаются крупные и
долгоживущие виды: деревья, крупные птицы и звери, человек.
• Размножение медленно (низкая плодовитость, продолжительное время генерации)
• Скорость размножения зависит от плотности популяции
• Энергия и вещество концентрируются в немногих потомках,
родители заботятся о потомках
• Размеры популяции близки к равновесному уровню
• Вид устойчив на данной территории
• Расселяются медленно
• Размножение идет с относительно небольшими затратами
энергии; много энергии расходуется на рост и поддержку жизнеспособности отдельной особи
• Крупные размеры особей
• Большая продолжительность жизни особей
• Местообитания устойчивые
• Сильные конкуренты
• Хорошие защитные механизмы
• Высокая специализация для жизни в устойчивых местообитаниях
Например: крупные тропические бабочки, альбатрос, деревья, человек.
В условиях человеческого общества, практически не имеющего
врагов в природе, именно стрессовые механизмы начинают играть
главную роль в ответ на взрывоподобный рост численности населения.
Давно подмечено, что каждый человек обладает набором своего
рода «интимных зон» разного радиуса, то есть определенных объемов
пространства, где присутствие кого–либо вызывает неприятные ощущения. Так, например, в разговоре люди инстинктивно соблюдают
определенную пространственную дистанцию между собой (порядка 1
м). Попытки сократить эту дистанцию вызывают у собеседника неосознанное желание чуть отодвинуться. Конечно, для разных людей
эта зона различна. Имеются и другие зоны гораздо большего радиуса,
но чем меньше радиус зоны, тем меньшее количество времени может
выдерживать человек присутствие в этой зоне других людей без ка147
ких–либо стрессовых проявлений. Поэтому, например, люди, живущие
в густонаселенных районах, в тесных комнатах многоквартирных домов, не имеющие возможности остаться наедине с собой в достаточно
просторной зоне, оказываются гораздо более нервозными, чем, скажем, жители деревень, где такой проблемы не существует. Поэтому
деревенские жители «задыхаются» в людных городах, поэтому горожан тянет «на природу», где можно хотя бы на время расширить «зону
интима». Поэтому основное количество болезней (до 90 % и больше)
сейчас либо напрямую вызвано нервными перегрузками, либо косвенно связано с нервным истощением организма.
Концепция минимального размера: каждому виду свойственен
специфический минимальный размер популяции, обеспечивающий ее
самовоспроизводство – меньшая численность ставит под угрозу существование популяции. Например, минимальный размер популяций
крупных животных оценивается в 1000 особей – при этом сохраняется
99% генетического разнообразия после 20 генераций.
Уравнение Мальтуса Т. Животные размножаются в геометрической прогрессии, а рост первичной продукции – в арифметической. В
результате возникает дисбаланс между ресурсами и потребностями
популяции в пище. Закон, о котором идет речь, состоит в постоянном
стремлении, свойственном всем живым существам, размножаться быстрее, чем это допускается находящимся в их распоряжении количеством
Следствие первое – Гипотеза лимитирования численности Андреварты – Бёрча: численность естественных популяций лимитируется
ограничениями пищевых ресурсов и условиями размножения (скорость роста численности максимальна при оптимальном сочетании
основных экологических факторов и отсутствии конкуренции между
популяциями).
Следствие второе – частное правило пищевой корреляции Уини–
Эдвардса: В эволюции сохраняются только те популяции, размножение которых скоррелировано с пищевыми ресурсами среды, что достигается внутривидовым превентивным самоограничением потребления
(при скорости размножения ниже максимально возможной) путем:
• территориального поведения особей (групп);
• сбалансированности противоположных форм активности
(конкуренция – кооперация, агрессия – подчинение).
Несколько слов нужно сказать и об одном из важнейших механизмов популяционного гомеостаза – миграции. Вообще переход особей
из одной популяции в другую – дело обычное и полезное, так как способствует уменьшению вероятности близкородственного скрещива148
ния. Правда, в периоды высокой плотности к иммигрантам относятся
везде достаточно враждебно.
Однако наибольший интерес представляют массовые исходы особей из популяции при явной перенаселенности – нашествия. Например, непосредственно перед миграцией у саранчи появляются более
развитые крылья и более темная окраска, что способствует лучшему
прогреванию тела солнечными лучами, а поэтому увеличивает подвижность особей. Сам процесс массовой миграции очень болезненный,
так как гибнет огромное количество особей, у которых до некоторой
степени притупляется инстинкт самосохранения. Все поведение насекомых направлено на выживание популяции, а не на личную безопасность.
Не меньшее удивление вызывают периодические сезонные миграции птиц и рыб. Так, например, каждую осень мы наблюдаем, как многие виды птиц улетают на юг, а по весне возвращаются обратно.
Человек является, по–видимому, типичным пионерным видом с J–
образной динамикой, для которого характерна тяга к миграциям в периоды перенаселенности.
Для этого мы имеем определенный набор инстинктов. Так непосредственно перед миграцией у наших предков, по–видимому, начинали рождаться дети, для которых было характерно ускоренное созревание, более высокие физические данные и повышенная воинственность,
потому что они должны были охранять мигрирующую популяцию,
защищая ее ценой собственной жизни. По прибытии, они должны как
можно скорее дать новое потомство, чтобы восполнить свои сильно
поредевшие ряды. Со всеми этими атавизмами (признаки, свойственные далеким предкам) мы столкнулись, по–видимому, уже в наше время, что вызвало в свое время немалое удивление. Мы назвали это явление акселерацией (ускоренное развитие). Акселератам свойственны
и быстрое половое созревание, и большая физическая сила, и повышенная агрессивность.
Выводы по разделу
1. Популяции регулируют свою численность в процессе комплексного воздействия абиотической и биотической среды в местообитании вида; за счет автогенных генетических процессов на основе полиморфизма; механизмами социального стресса, возникающего при
повышении плотности.
2. Самцы ответственны за качество, самки – за количество потомства. Поисковая активность мужского пола способствует мутациям и
изменчивости признаков, постоянство их обеспечивает женский пол.
149
3. Пространственная структура популяций представляет собой не
только статическую картину размещения особей на территории, но и
динамическую систему взаимодействий между ними, которая направлена на поддержание оптимального соотношения между внутрипопуляционными процессами пространственной дифференциации и функциональной интеграции особей в популяции.
4.Прирост популяции зависит не только от смертности и рождаемости, но и от числа иммигрантов ( вселившихся в популяцию особей)
и числа эмигрантов (выселившихся из популяции) за этот же промежуток времени.
5. Наибольшее значение для экологии имеют не сами показатели
плотности или численности популяции или ее возрастная структура, а
скорости, с которыми меняются все эти показатели.
6. Максимально возможное значение коэффициента роста популяции rmax, достигаемое при наиболее благоприятных условиях среды,
называется биотическим потенциалом популяции. Совокупность факторов, лимитирующих рост численности популяции, называют сопротивлением среды. Состояние равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением среды, поддерживающее постоянство численности называется динамическим равновесием (популяционным
гомеостазом).
7. Несмотря на все прогнозы демографов, динамика численности
людей никак не желает стабилизироваться, оставаясь очень близкой к
J–образной кривой. Мы уже близки к разрушению собственной среды
обитания, а значит, вполне возможно, что в достаточно скором будущем (возможно, при жизни нынешних поколений) нас может ожидать
катастрофическое снижение численности населения Земли.
Вопросы для самопроверки
1. Что изучает демэкология?
2. Дайте определение популяции вида.
3. Перечислите статические и динамические показатели популяции.
4. Дайте определение численности, эффективной численности,
плотности популяции.
5. Гипотеза Читти.
6. Гипотеза Дейвиса.
7. Правило максимальной рождаемости.
8. Чем отличаются предрепродуктивная и пострепродуктивная
группы особей популяции?
9. Чем ювенильные растения отличаются от имматурных?
150
10. Какой тип популяции называется регрессивным?
11. Дайте определение коэффициенту фертильности, смертности,
рождаемости, удельной рождаемости.
12. От каких факторов зависит продолжительность жизни?
13. Какие виды называют эксплерентами (виолентами, патиентами)?
14. Приведите уравнение и его решение, описывающие рост численности популяции при отсутствии лимитирующих факторов. Нарисуйте кривую роста, соответствующую решению уравнения.
15. Перечислите внутренние (внешние) механизмы регулировки
численности популяции.
16. Кривые выживания особей популяции.
17. Охарактеризуйте случайное, равномерное и групповое распределение особей в популяции.
18. Дайте определение биотическому потенциалу, сопротивлению
среды, динамическому равновесию.
19. Отличительные особенности видов k–стратегов (r–стратегов).
20. Миграция – важнейший механизм популяционного гомеостаза.
Тематика рефератов
1. Средообразующая деятельность организмов.
2. Проблема динамики популяций, вызванная вмешательством человека в природную среду.
3. Социально–экологические особенности демографии человечества.
4.Демографическая политика в РФ (в Индии, Китае и пр.)
5. Проблемы городских поселений.
Тестовые задания
1. Популяция – это:
1) организованная группа, приспособленная к совместному обитанию в пределах определённого пространства;
2) минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени населяющая
определённое пространство, образующая генетическую систему и
формирующая собственную экологическую нишу;
3) совокупность особей, обладающих общими морфологическими,
физиологическими и биохимическими признаками.
2. Гомеостаз популяции – это:
1) поддержание количественного состава популяции;
2) способность популяции противостоять изменениям и сохранять динамическое постоянство своей структуры и свойств;
151
3) способность к поддержанию пространственной структуры.
3. Выберите термин, определяющий число особей популяции, погибших за единицу времени:
1) эмиграция; 2) иммиграция; 3) рождаемость; 4) смертность.
4. Выберите термин, обозначающий долю особей в популяциях,
доживших до определённого возраста или возраста генетической зрелости:
1) смертность; 2) рождаемость; 3) эмиграция; 4) выживаемость.
5. Выберите термин, обозначающий число особей, вселившихся в
популяцию за единицу времени:
1) эмиграция; 2) иммиграция; 3) рождаемость; 4) смертность.
6. Выберите термин, обозначающий число особей, выселившихся
из популяции за единицу времени:
1) эмиграция; 2) иммиграция;
3) рождаемость; 4) смертность.
7. Возможность экосистемы в течение длительного времени выдерживать максимальную численность популяции определённого вида, не деградируя и не разрушаясь, называется:
1) биотическим потенциалом;
3) ёмкостью среды;
2) сопротивлением среды;
4) выживаемостью.
8. Возможность вида увеличивать
ласть распространения при наилучших
вается:
1) сопротивлением среды;
2) ёмкостью среды
свою численность и / или обусловиях существования назы3) выживаемостью;
4) биотическим потенциалом.
9. Вся совокупность факторов (включая неблагоприятные погодные условия, недостаток пищи и воды, хищничество и болезни), которая направлена на сокращение численности популяции и препятствует
её росту и распространению, называется:
1) сопротивлением среды;
3) биотическим потенциалом;
2) ёмкостью среды;
4) выживаемостью.
10. Взаимодействия в природной системе, основанные на прямых
и обратных функциональных связях, ведущие к динамическому равновесию или саморазвитию всей системы, называются:
1) сопротивлением среды;
3) ёмкостью среды;
2) биотическим потенциалом;
4) авторегуляцией в природе.
152
11. Число особей одного вида на единицу площади, занимаемой
популяцией, называют:
1) численностью популяции;
3) населением;
2) плотностью популяции;
4) рождаемостью.
12. Общая территория, которую занимает вид, – это:
1) экологическая ниша; 2) биотоп; 3)ареал; 4) кормовая территория
13. Максимальная рождаемость определяется:
1) физиологической плодовитостью;
2) территориальным поведением самцов;
3) площадью кормовых территорий, занимаемых видом.
14. Виды, экологическая ниша которых связана с хозяйственной
деятельностью человека, называется:
1) доминантными;
2) синантропными;
3) эврибионтными.
15. Особенностью пространственного распределения популяций,
характерной для человека в настоящее время является:
1) относительно равномерное распределение в пространстве;
2) групповое распределение (урбанизация);
3) случайное распределение.
16. Критическая численность популяции – это численность
1) определяющая возможность популяции выжить в новых условиях;
2) ниже, которой вымирание популяции практически неизбежно;
3) обеспечивающая равновесие популяции;
4) устраняющая действие лимитирующих факторов.
17. Территориальность – это
1) поведенческая адаптация, которой свойственна охрана своей
территории, т.е. природных ресурсов, достаточных для функционирования и вскармливания детенышей;
2) конкурентные взаимоотношения между особями одного вида;
3) конкурентные взаимоотношения между видами;
4) процесс охраны своей территории хищниками.
18. Общее количество особей одного вида на данной территории
называется
а) плотность популяции; б) плодовитость популяции;
в) численность популяции; г) стабильность популяции.
153
19. Кривая выживания для мужчин в России, по сравнению с кривой выживания для женщин,
а) имеет вид менее выпуклый;
б) имеет вид более выпуклый;
в) не имеет отличий.
20. Искусственное расселение вида в новый район распространения – это
а) реакклиматизация; б) интродукция;
в) акклиматизация; г) миграция.
21. Временное объединение животных, облегчающее выполнение
какой–либо функции, называется
а) стадом; б) колонией; в) семьей; г) стаей.
22. Биотический потенциал (r) при увеличении численности популяции имеет значение
а) r = 0;
б) r > 0;
в) r < 0.
23. Возрастной структурой популяции называется …
а) количественное соотношение женских и мужских особей;
б) количество старых особей;
в) количество новорожденных особей;
г) количественное соотношение различных возрастных групп.
24. Изменение поведения организма в ответ на изменения факторов среды называется
а) мимикрией; б) физиологической адаптацией;
в) морфологической адаптацией; г) этологической адаптацией.
25. Сбалансированная интенсивность рождаемости и смертности в
популяциях указывает на…
а) сокращение численности; б) стабильность;
в) рост численности; г) вымирание популяции.
26. Передвижение организмов с мест постоянного обитания называется
а) cаморегуляцией;
б) конвергенцией;
в) миграцией;
г) полиморфизмом.
27. Характерной особенностью видов − «оппортунистов» (r
−стратегов) по сравнению с равновесными видами (К − стратегами)
является:
а) медленно расселяются; б) быстро размножаются;
в) крупные размеры особей; г) большая продолжительность жизни
154
28. Кривая выживания характеризует:
а) диапазон значений экологического фактора, за пределами которого становятся невозможной нормальная жизнедеятельность особи;
б) число выживших особей во времени;
в) зависимость степени благоприятности экологического фактора
от его интенсивности;
г) скорость, с которой живые организмы производят полезную химическую энергию.
29. Популяции, которые образованы особями с чередованием полового и бесполого размножения называются
а) клонально–панмиктическими;
б) клональными; в) панмиктическими.
Лекция 9
АУТЭКОЛОГИЯ. ФАКТОРЫ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ
Детализированные цели изучения раздела
– Изучить теоретические основы аутэкологии.
– Сформировать у студентов системы необходимых знаний и понятий о среде обитания, о мутациях, естественном и искусственном отборах, клонировании, генной инженерии.
– Познакомиться с классификацией факторов среды, способами их
воздействия на организмы.
– Познакомиться с различными видами адаптаций организмов к
факторам среды.
ВВЕДЕНИЕ
Аутэкология – раздел экологии, изучающий взаимоотношения организма с окружающей средой.
Основные направления исследований:
• Влияние факторов среды на организм;
• Пределы устойчивости организма к различным факторам и к
их сочетанию;
• Особенности реагирования организма;
• Особенности приспособления;
• Жизненные формы;
• Динамика численности организмов данного вида и др.
В отличие от демэкологии и синэкологии, сосредоточенных на изучении взаимоотношений со средой популяций и экосистем, состоящих
из множества организмов, исследует индивидуальные организмы на
стыке с физиологией.
155
Аутэкология изучает жизненные циклы и отношение к факторам
среды отдельных особей или видов. Цель ее заключается в том, чтобы
выявить характер приспособления их к жизни в конкретном сообществе,
их роль в экосистеме.
Теоретическую основу аутэкологии составляют ее законы.
Первый закон аутэкологии – закон оптимума: по любому экологическому фактору любой организм имеет определенные пределы распространения (пределы толерантности).
Второй закон аутэкологии – закон лимитирующих (ограничивающих) факторов: наиболее важным для распределения вида является тот
фактор, значения которого находятся в минимуме или максимуме.
Такую формулировку закон приобрел не сразу. Юстус Либих (1803
– 1873) – немецкий химик и агрохимик, разработавший теорию минерального питания растений, предложил закон минимума: рост растений зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве.
Позднее закон минимума был расширен на все живые организмы и
все факторы: выносливость организма определяется самым слабым
звеном в цепи его экологических потребностей. Дальнейшее снижение
этого фактора ведет к гибели организма.
Однако, не только снижение интенсивности действия какого–либо
фактора, но и превышение сверх допустимых пределов может оказывать лимитирующее воздействие на организмы.
Закон толерантности Шелфорда: лимитирующим фактором процветания организма может быть не только минимум, но и максимум
экологических воздействий (между ними – зона толерантности).
Диапазон устойчивости
Показатели жизнедеятельности
Критическая
точка 1
Зона угнетения
(усиливающегося
стресса)
Зона оптимальных
условий
Зона
угнетения
Критическая
точка 2
Уровень действия фактора
Рис.9.1. Кривая толерантности
156
В настоящее время вместо закона минимума чаще говорят о законе лимитирующих (ограничивающих) факторов: фактор, находящийся в недостатке или избытке, отрицательно влияет на организмы
даже в случае оптимальных сочетаний других факторов. И еще одна
формулировка этого закона, дающая определение лимитирующему
фактору: если даже единственный фактор за пределами зоны своего
оптимума приводит к стрессовому состоянию организм и в пределе к
гибели, то такой фактор называется лимитирующим.
На рисунке 9.1 изображена кривая толерантности – зависимость
показателей жизнедеятельности от уровня воздействующего фактора
среды. Интервал, включающий оптимальные условия и зоны усиливающегося стресса называют диапазоном устойчивости. Превышение
предела устойчивости, как в зоне низких значений – критическая точка
1, так и в зоне повышенных значений – критическая точка 2, ведет к
смерти организма. Таких кривых для одного вида организмов можно
начертить множество – по каждому из факторов среды.
Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого. Обычно наиболее
широко распространены организмы с широким диапазоном толерантности в отношении одного фактора. Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то может сузиться и диапазон
толерантности к другим экологическим факторам. Период размножения
является критическим – многие экологические факторы в этот период
становятся лимитирующими при общем сужении толерантности.
(Ю.Одум).
Организмы с широким диапазоном толерантности называют эврибионтами (эвритермы, эврибаты, эвриоксибионты и т.д.), с узким
диапазоном толерантности называют стенобионтами (стенотермы,
стенооксибионты и т.д.)
Правило привыкания и сенситизации (ослабления и усиления реакции): реакция организма на внешние раздражители ослабевает при многократном воздействии и усиливается при появлении в тех же условиях
дополнительного раздражителя.
Гипотеза компенсации (замещения) факторов Алехина – Рюбеля:
недостаток (отсутствие) некоторых экологических факторов может быть
компенсирован(о) другими близкими (аналогичным) факторами. Организмы не являются «рабами» условий среды – они в определенной степени сами и приспосабливаются и изменяют условия среды так, чтобы
ослабить недостаток тех или иных факторов.
Гипотеза незаменимости фундаментальных факторов Вильямса:
отсутствие в среде физиологически необходимых факторов (света, воды,
157
углекислого газа, питательных веществ) не может быть компенсировано
(заменено) другими.
Третий закон аутэкологии – индивидуальность экологии видов: каждый вид по каждому экологическому фактору распределен по–своему,
кривые распределений разных видов перекрываются, но их оптимумы
различают. По этой причине при изменении условий среды в пространстве (например, от сухой вершины холма к влажному логу) или во времени (при пересыхании озера, при усилении выпаса, при зарастании
скал) состав экосистем изменяется постепенно.
Правило неоднозначного действия факторов: каждый экологический фактор неодинаково влияет на разные виды организмов: оптимум
для одних может быть пессимумом для других.
Среда – комплекс природных тел и явлений, с которыми организм
находится в прямых или косвенных взаимоотношениях
Отдельные элементы среды обитания, на которые организмы реагируют приспособительными реакциями (адаптациями), называют факторами среды. Среди факторов среды выделяют обычно три группы факторов: абиотические, биотические и антропогенные.
Пути адаптации организма к окружающей среде:
Активный путь (действует на клеточно–тканевом уровне) – это усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществить все жизненные функции организмов, несмотря на отклонения фактора от оптимума.
Пассивный путь (выработка толерантности, выносливости) – подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды.
Резистентный путь — сохраняет относительное постоянство внутренней среды, избегает неблагоприятных воздействий.
9.1. АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ
Абиотические факторы среды – это химические и физические факторы среды, т.е. это условия, напрямую не связанные с жизнедеятельностью организмов. К числу наиболее важных абиотических факторов
можно отнести температуру, свет, воду, состав атмосферных газов,
структуру почвы, состав биогенных элементов в ней, рельеф местности, огонь, ЭМП и т.п. Основная особенность действия абиотических
факторов – большинство из них действуют на организм одновременно.
Существование любого организма зависит от целого комплекса
абиотических факторов, которые можно условно разделить на: физические и химические (рис. 9.2). Физические факторы – те, источником
которых служит физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура. Химические факторы— те, кото158
рые отражают количественный и качественный состав среды. Например,
соленость воды, содержание кислорода и т.п.
К наиболее важным факторам, определяющим условия существования организмов, практически во всех средах жизни относятся температура, влажность и свет.
Рис. 9.2
Температура
Любой организм способен жить только в пределах определенного
интервала температур: особи вида погибают при слишком высоких
либо слишком низких температурах. Где–то внутри этого интервала
температурные условия наиболее благоприятны для существования
данного организма, его жизненные функции осуществляются наиболее
активно. По мере того как температура приближается к границам интервала, скорость жизненных процессов замедляется и, наконец, они
вовсе прекращаются – организм погибает.
Пределы температурной выносливости у разных организмов различны. Но, как правило, при температурах ниже точки замерзания живые клетки повреждаются кристаллами льда, а при температурах выше
критической происходит денатурация белка. Скорость ферментатив159
ных реакций (обмена веществ) удваивается с повышением температуры на каждые 100С.
Существуют виды, способные выносить колебания температуры в
широких пределах (эвритермы). Среди животных наибольшим диапазоном температурной выносливости характеризуются теплокровные
(гомойотермные). Тигр, например, одинаково хорошо переносит как
сибирский холод, так и жару тропических областей Индии или Малайского архипелага.
Но есть и такие виды, которые могут жить только в более или менее узких температурных пределах (стенотермы). Сюда относятся
многие тропические растения, как, например, орхидеи. В умеренном
поясе они могут произрастать только в теплицах и требуют тщательного ухода. Некоторые кораллы, образующие рифы, могут жить только в морях, где температура воды не ниже 210С. Однако кораллы отмирают и когда вода сильно перегревается.
В регионах, где температура резко меняется в течении суток–
разнообразие видов меньше.
Изменение температуры по мере подъема в воздушной среде или
погружения в воду с определенным градиентом называют температурной стратификацией. Явление, при котором охлажденные слои
воздуха смещаются вниз и располагаются под теплыми, называется
температурной инверсией.
Осадки, влажность– результат конденсации и кристаллизации
водяных паров в высоких слоях атмосферы. Наиболее простым и удобным показателем, характеризующим влажность той или иной местности, является количество осадков, выпадающих здесь за год или иной
период времени. Это важнейший фактор, определяющий миграцию
загрязняющих веществ и вымывание их из атмосферы. При своих
крайних значениях влажность усугубляет действие температур на организм.
На протяжении большей части своей истории живая природа была
представлена исключительно водными формами организмов. Завоевав
сушу, они, тем не менее, не утратили зависимости от воды. Вода является составной частью значительного большинства живых существ:
она необходима для их нормального функционирования. Нормально
развивающийся организм постоянно теряет воду и поэтому не может
жить в абсолютно сухом воздухе. Рано или поздно такие потери могут
привести к гибели организма.
У животных, как и у растений, существует множество приспособлений для экономии расходов воды.
160
Адаптация растений к поддержанию водного баланса происходила:
–через процесс регулирования поглощения воды из субстрата: низшие наземные растения поглощают влагу всей поверхностью, мохообразные – ризоидами, большинство высших растений –корнями (корневые системы различают по типу ветвления на экстенсивные – охватывающие большой объем почвы, и интенсивные – охватывающие небольшой объем почвы);
–через регулирование испарения воды поверхностью тел.
Многие животные пьют воду; другие, например амфибии, некоторые насекомые и клещи, через покровы тела всасывают её в жидком
или парообразном состоянии. Большая часть животных пустынь никогда не пьет. Они удовлетворяют свои потребности за счет воды, поступающей с пищей. Наконец, есть животные, получающие воду еще более сложным путем в процессе окисления жиров. Примерами могут
служить верблюд и некоторые виды насекомых, например рисовый и
амбарный долгоносики, платяная моль, питающиеся жиром. По отношению к уровню водопотребления выделяются:
• влаголюбивые растения (гидрофиты) и животные (гидрофилы);
• сухолюбивые растения (ксерофиты) и животные (ксерофилы);
• промежуточные и смешанные типы (соответственно растения–
мезофиты и животные–мезофилы могут подразделяться еще на
целый ряд подтипов).
Пойкилоксерофит – растение впадающее при обезвоживании в
анабиоз.
Способы регуляции водного баланса у животных разнообразней,
чем у растений. Их разделяют на поведенческие (инстинкты, обучение), морфологические (меняется строение организма вплоть до образования нового вида), физиологические (происходят изменения в функционировании организма).
Свет
С давних пор отличают светолюбивые растения, которые способны развиваться только под солнечными лучами, и растения теневыносливые, которые способны хорошо расти под пологом леса. У многих животных нормальные условия освещенности проявляются в положительной или отрицательной реакции на свет. По требованию к
освещенности растения делят на светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты), теневыносливые (факультативные гелиофиты).
Наибольшее экологическое значение свет имеет в смене дня и ночи. Многие животные ведут исключительно дневной образ жизни
161
(большинство воробьиных), другие – исключительно ночной (многие
мелкие грызуны, летучие мыши). Мелкие рачки, парящие в толще воды, держатся ночью в поверхностных водах, а днем опускаются на
глубину, избегая слишком яркого света.
Реакция организмов на сезонные изменения длины дня называется фотопериодизмом. Фотопериодизм растений и животных – наследственно закрепленное, генетически обусловленное свойство. Животные также приспособлены к существованию в присутствии света (фотофилы), в темноте (фотофобы) или при любом освещении (эврифотные).
Для животных свет как экологический фактор имеет несравненно
меньшее значение, чем температура и влажность. Но свет совершенно
необходим живой природе, поскольку служит для нее практически
единственным источником энергии. По сравнению с температурой или
влажностью свет почти не оказывает непосредственного влияния на
животных. Он служит лишь сигналом к перестройке протекающих в
организме процессов, что позволяет им наилучшим образом отвечать
на происходящие изменения внешних условий.
Перечисленными выше факторами вовсе не исчерпывается набор
экологических условий, определяющих жизнь и распространение организмов. Важное значение имеют, так называемые, вторичные климатические факторы, например, ветер, атмосферное давление.
Ветер обладает косвенным действием: усиливая транспирацию,
увеличивая сухость, снижает концентрацию пыле–газообразных веществ, способствует поддержанию относительной однородности водных масс, выносит биогенные вещества со дна, изменяет температурный и кислородный режим, ухудшает условия при низкой влажности.
Топографические факторы среды могут изменять как климат, так
и особенности развития почв:
– высота над уровнем моря (увеличиваются: суточный перепад
температур, скорость ветра, интенсивность радиации, количество
осадков; понижаются: средняя температура и давление);
– экспозиция склона (в северном полушарии теплее на южных
склонах, в южном– на северных); Экспозицию склона относительно
солнца называют солярной, относительно ветров – ветровой. От нее
зависит интенсивность разрушения и сноса с возвышенностей горных
пород (денудация).
– крутизна склона (вода, стекающая со склона смывает плодородную почву, уменьшая ее слой. Растительность сдерживает эти процессы, но при уклоне больше 350 почва и растительность отсутствуют);
162
– рельеф местности влияет на перенос, рассеивание, накопление
примесей в атмосфере. Горы могут служить климатическим барьером,
барьером для миграции организмов.
Для организмов, обитающих в почве важны эдафические факторы
среды (механическая структура и химический состав почвы, влагоемкость, водный, воздушный и тепловой режим почвы, кислотность,
влажность, газовый состав, уровень грунтовых вод и др.).
Для обитателей водной среды важны гидрографические факторы
(прозрачность воды, текучесть, проточность, температура, кислотность, газовый состав, содержание минеральных и органических веществ и др.).
Высокотемпературные факторы среды (пожары, извержения
вулканов, молнии).
Любой пожар – это неконтролируемый процесс горения, при котором образуется большое количество загрязняющих окружающую среду веществ. Эти вещества влияют не только на окружающую среду, но
и на наше с вами здоровье. Особенно это актуально для крупных пожаров, которые происходят на предприятиях, торговых центрах, складах, когда горит лес или на мусорных свалках. Экологическая опасность пожаров прямо обусловлена изменением химического состава,
температуры воздуха, воды и почвы, а косвенно и других параметров
окружающей среды. При лесных, торфяных, степных пожарах уничтожается растительный покров суши и как следствие – уменьшается
продуцирование кислорода. Серьезное влияние на ОС оказывают пожары в техносфере: в промышленности, на транспорте. В продуктах
горения могут присутствовать самые разнообразные по химическому
строению и токсичности соединения. Среди самых распространенных
– оксиды углерода, серы, азота, хлористый водород, углеводороды
различных классов, спирты, альдегиды, бензол и его гомологи, полиароматические соединения (ПАУ) и др. Среди самых опасных – соли и
оксиды тяжелых металлов, бенз(а)пирен (БаП), диоксины. Большинство перечисленных химических веществ оказывают вредное воздействие на живые организмы. Так, диоксины, ПАУ и другие способны вызывать онкологические заболевания у людей, а оксиды серы – гибель
растительности.
Наряду с токсичными и вредными продуктами горения загрязнение окружающей среды может быть вызвано огнетушащими веществами, используемыми в пожаротушении.
Известно разрушающее действие фреонов на озоновый слой. Некоторые галогеноуглероды (например, фреон 13В1, 114В2) особенно
опасны, так как способны долгое время находиться в атмосфере и эф163
фективнее других взаимодействуют с озоновым слоем на больших высотах.
Поверхностно – активные вещества (ПАВ), применяемые в пожарной охране как смачиватели и пенообразователи, также причиняют
вред окружающей среде. Попадая в водоемы, они препятствуют поступлению кислорода. Многие ПАВ биологически трудно разлагаются
(ПО–1, ПО–10, Форэтол, ПО–6К). В результате происходит гибель
фитопланктона, рыб.
Устойчивость к загрязнению или степень самоочищения атмосферы за счет химических и физических процессов зависит от погодно–
климатических условий, рельефа местности, наличия растительности и
т.д., то есть связаны с географическими координатами источника выброса. Все области суши на территории России, примыкающие к морям и океанам (исключая Каспий), способны очень интенсивно самоочищаться. Кавказский регион, южная часть Сибири, примыкающая к
странам Средней Азии и Казахстана, тоже очищаются весьма энергично. Западная Сибирь и внутренние регионы Европейской части РФ
обладают средней способностью к самоочищению, а некоторые районы Восточной Сибири и район Красноярского края очищаются очень
слабо.
Любой пожар оказывает отрицательное влияние на экологическое
состояние окружающей среды и изменяет границы экологической ниши, условия существования живых организмов:
• Виды, пережившие пожар, остаются вне конкуренции;
• После сгорания растительного покрова меняются условия среды;
• Почва обогащается P, K, Ca, Мg;
• Повышается загазованность в соседних районах.
СОСТАВ ВОЗДУХА атмосферы Земли играет очень важную роль
в сохранении жизни, так как отдельные химические элементы и композиции удачно ограничивают доступ солнечной радиации к земной
поверхности и живущим на ней людям, животным, растениям. Например, молекулы водяного пара эффективно поглощают почти все диапазоны инфракрасного излучения, за исключением длин в интервале от 8
до 13 мкм. Озон же поглощает ультрафиолет. Без его тонкого слоя (в
среднем 3 мм) обитаемы могут быть только воды на глубине более 10
метров и подземные пещеры, куда не доходит солнечная радиация.
Состав атмосферы Земли представлен следующими элементами и
их процентными долями:
– азот – около 78 %;
– кислород – почти 21 %;
– аргон – около 1%;
164
– углекислый газ – менее 0.05 %
Кроме того, здесь можно найти пыль, капельки воды, водяной
пар, продукты горения, кристаллики льда, морские соли, множество
аэрозольных частиц и др. Такой состав атмосферы Земли наблюдается
приблизительно до девяноста километров высоты, поэтому воздух
примерно одинаков по химическому составу, не только в тропосфере,
но и в вышележащих слоях. Какие элементы еще входят в состав атмосферы Земли? В процентах (по объему, в сухом воздухе) здесь представлены такие газы как криптон (около 1.14 × 10–4), ксенон (8.7 ×10–7),
водород (5.×10–5), метан (около 1.7 ×10–4), закись азота (5.0 ×10–5) и др.
СОСТАВ ПОЧВЫ. Почва – слой веществ, лежащих на поверхности земной коры. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород и является
трехфазной средой, включающей твердые, жидкие и газообразные
компоненты, находящиеся в следующих соотношениях (в %):
• минеральная основа. . . . обычно 50–60 % от общего состава
• органическое вещество. . . . . .. до 10%;
• вода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25–35%;
• воздух. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15–25%.
В данном случае почва рассматривается среди прочих абиотических факторов, хотя на самом деле она является важнейшим звеном,
связывающим абиотические и биотические факторы среды обитания.
Без почвы невозможна жизнь на планете. На ней растут деревья,
кустарники, травы, цветы. В ней живут организмы, которыми питаются более крупные животные. Она является местом произрастания культурных растений, на ней строятся дома. Чтобы осуществлять хозяйственную деятельность, важно знать такие характеристики, как структура почв, ее состав и свойства. Почва является плодородным слоем
грунта, который перерабатывают растения и организмы, находящиеся
в нем. Ее образование происходит под влиянием космических факторов: тепла, света, атмосферных осадков.
Твердая компонента содержится в Земле в большем количестве.
Она представляет собой минеральную и органическую часть. По процентному содержанию минералов–солей в почве судят о степени ее
засоленности. Органической частью почвы является гумус, который
представляет собой сложное вещество органического происхождения.
Его образование – результат разложения остатков отмерших растений
и животных. По наличию гумуса в составе почвы судят о ее плодородии, ведь он богат питательными веществами и биогенными элементами. Самыми плодородными являются черноземы, так как они богаты
гумусом.
165
Жидкая компонента. Это вода: свободная, связанная, капиллярная, парообразная, которая является составной частью почвы. Перемещение свободной воды по порам происходит в результате воздействия силы тяжести. Вода связанная образует на поверхности частиц
пленку. Тонкие поры удерживают воду капиллярную благодаря менисковым силам. Местом нахождения парообразной воды являются свободные от воды поры. Для корней растений самой доступной является
капиллярная и свободная вода. Жидкая компонента называется почвенным раствором. В нем могут содержаться соли, органические растворимые кислоты и их производные, если это свободная или капиллярная вода. Связанная вода трудно растворяет вещества.
Газообразная часть почвы. Это воздух в почве, которым заполнены все пустоты и поры. В нем меньше кислорода, чем в атмосферном, и больше углерода. Его выделяют остатки растений при разложении и организмы во время дыхания. Почвенный воздух содержит аммиак, метан. Во влажной почве его меньше, так как он вытесняется из
пор водой. Чтобы растения нормально росли и развивались, воздух в
почве должен составлять 15 процентов от ее объема.
Механический состав. Этот показатель является важным для определения качества почвы и ее плодородия. Почвы с учетом данного
показателя бывают:
Песчаные. В них много песка и мало перегноя. Структура почв
данного типа характеризуется воздушностью и хорошей пропускной
способностью воды, поэтому они называются легкими. Для многих
сельскохозяйственных культур такие почвы невыгодны, так как они
нуждаются в частых поливах и большом количестве органических
удобрений, которые являются основной питательной средой для растений.
Супесчаные. Эти почвы лучше, чем предыдущие. Они легки в обработке, воздушны, быстро высыхают после дождя, не образуя корку.
Эти почвы наилучшим образом подходят для сада, так как в них задерживается вода, что обеспечивает хорошую связку минеральных
веществ.
Глинистые. У этих почв большая вязкость и плотность, они трудно обрабатываются. По этим причинам их называют тяжелыми. В засуху глинистые почвы растрескиваются, в период затяжных дождей
заплывают, на поверхности образуется корка. Несмотря на существенные недостатки, в них хорошо задерживаются питательные вещества.
Суглинистые – содержат большие запасы питательных веществ,
доступных для растений, и пылевых частиц. Их структура зернистая,
166
обработка не вызывает трудностей. Такие почвы называют средними,
они годны для любых культур.
Мергельные. Содержат много извести. Эти почвы похожи на суглинистые. Структура почв может быть изменена, если в нее внести
органические и минеральные удобрения.
Каменные – покрывают склоны холмов и гор. Они небогаты питательными веществами, так как вода их постоянно смывает.
Физические свойства почвы:
Пористость, при определении которой учитывается форма и величина зерен. В крупнозернистых почвах пор немного.
Капиллярность почвы, то есть ее способностью поднимать грунтовые воды. Высокой капиллярностью обладают мелкозернистые почвы, такие как черноземы. Поэтому на них не рекомендуется строить
какие–либо сооружения. Для этого лучше подходят крупнозернистые
почвы.
Влагоемкость почвы, которая определяется ее способностью
удерживать влагу.
Гигроскопичность, которая определяется способностью притягивать из воздуха пары воды. У крупнозернистых почв минимальная
гигроскопичность.
Можно произвести улучшение структуры почвы известкованием,
как это делают в нечерноземных районах нашей страны. Изменение
структуры почвы с помощью внесения в нее органических удобрений
способствует ее улучшению. Органика способна образовывать гумусовые вещества, которые являются составной частью коллоидов, за счет
чего происходит оструктуривание почвы. Неплохих результатов можно добиться мульчированием почвы с применением измельченных остатков растений. Мульча заделывается глубоко в грунт или раскладывается на его поверхности. Это будет препятствовать переуплотнению
почвы и ее обесструктуриванию. Улучшить структуру почвы можно с
помощью дождевых червей, которые неутомимо рыхлят ее, делая легкой и воздушной.
Структура почв, ее состав и свойства определяют видовой состав
организмов и популяций, которые будут обитать на данной территории.
СОСТАВ ВОДЫ. Большая часть поверхности Земли (около 366
из 510 млн км2, или 72 %) покрыто водой. Распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависят от ее химического состава. Недостатка в воде как в химическом
веществе в водных средах нет, за исключением случаев пересыхания
167
водоемов. Тем не менее, проблемы, связанные с водой, возникают даже у водных организмов.
Прежде всего, водные организмы подразделяют на пресноводные
и морские в зависимости от солености воды, в которой они обитают.
Соленость океанской воды меняется как по глубине, так и по акватории. В Северном Ледовитом океане она ниже 3,1%о, а в Красном море
выше 4,2%о. Содержание солей в воде Мертвого моря достигает 26–27
%, тогда как концентрация солей в пресных водоемах около 0,05 %.
Соли и другие растворенные в воде вещества находятся преимущественно в виде ионов. Состав солей разнообразен, в океанической
воде встречаются практически все химические элементы и их изотопы,
Главный компонент солей морской воды – хлорид натрия, в пресных
водах преобладают карбонаты.
Повышение солености воды в среде обитания ведет к потере воды
организмом (путем осмоса).
Редкие организмы допускают большие колебания солености (эвригалы, галлофилы). Обычно они обитают в эстуариях или в маршах.
Галлофобы – организмы, не переносящие высокой солености.
По составу растворенных минеральных веществ даже пресные воды могут существенно отличаться в различных природных водоемах и
прежде всего в подземных и поверхностных водах. Соленость воды
влияет и на наземные растения. При чрезмерно интенсивном испарении воды либо ограниченности осадков почва может засоляться. Такая
проблема существует при искусственном орошении.
Один из основных комплексных показателей химического состава
водной среды – кислотность (рН). Одни организмы эволюционно
приспособлены к жизни в кислой среде (рН < 7), другие – в щелочной
(рН > 7), третьи – в нейтральной (рН ~ 7).
Растения, заселяющие почвы с различным рН делят на
• Ацидофильные (кислые)
• Базофильные (щелочные)
• Нейтрофильные (нейтральные почвы)
• Индифферентные (любой рН)
Стеноионные организмы чувствительны к колебаниям кислотности (имеют узкий диапазон толерантности).
В составе природной водной среды всегда присутствуют растворенные газы, из которых первоочередное значение имеют кислород
(14 000 млрд.т), диоксид углерода (140 000 млрд.т) и азот (N2–1,8
млрд. т), участвующие в фотосинтезе и дыхании водных организмов.
168
Эвриоксибионты – могут существовать при значительных колебаниях содержания кислорода в воде, стенооксибионты – не переносят
колебаний содержания кислорода.
При понижении уровня кислорода в организме (гипоксии), нарушается биохимический процесс тканевого дыхания, что может закончится, например, замором у рыб.
Среди прочих растворенных в океане газов наиболее заметны сероводород, аргон и метан. На отдельных участках дна сероводород
образует значительные скопления. Черное море, начиная с глубины
150–200 м, является сероводородным до самого дна. Сероводородные
донные участки, возможно, остались от первичного океана и населены,
как и в давние времена, организмами, обходящимися без свободного
кислорода.
Любые воды в природных водоемах, помимо растворенных веществ, содержат некоторое количество взвешенных частиц, наличие
которых характеризует мутность воды, ее обратную характеристику –
прозрачность, а также световой режим в глубине водоема.
Катаробионты – обитатели чистых холодных вод.
Сапробионты – обитатели загрязненных водоемов с низким содержанием кислорода.
Экологические факторы среды воздействуют на организм одновременно и совместно. Совокупное действие на организм нескольких
факторов среды обозначают термином «констелляция». Экологически
важно то обстоятельство, что констелляция не представляет собой
простой суммы влияния факторов: при комплексном воздействии между отдельными факторами устанавливаются особые взаимодействия,
когда влияние одного фактора в какой–то мере изменяет (усиливает,
ослабляет и т. п.) характер воздействия другого.
9.2. БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ
Биотическими факторами среды называется совокупность влияний
одних организмов на другие.
Живые существа могут служить источником пищи для других организмов, являться средой их обитания, способствовать их размножению и т.п.
Различают гомотипические реакции – взаимодействие особей одного вида и гетеротипические – отношения представителей разных
видов.
Биотические взаимоотношения классифицируются:
• По пользе и вреду, приносимыми одним организмом другому;
• По исходной мотивации (пищевая, репродуктивная);
169
• По уровню взаимодействующих объектов (отдельные особи,
популяции, виды);
• По непосредственности взаимодействия (прямое, косвенное).
Типы по обязательности связи
• Облигатный – самостоятельное существование организма без
другого невозможно;
• Факультативный – каждый может существовать по отдельности.
Межвидовые отношения обычно классифицируются по “интересам”, на базе которых организмы строят свои отношения:
1) пищевые (трофические) связи – формируют трофическую
структуру экосистемы; помимо отношений, когда одни организмы
служат пищей другим, сюда же можно отнести отношения между растениями и насекомыми–опылителями цветов, конкурентные отношения из–за похожей пищи и др.; это самый распространенный тип связей;
2) топические связи (от греческого слова топос – место) – основаны на особенностях местообитания, например, отношения между деревьями и гнездящимися на них птицами, живущими на них насекомыми, отношения между организмами и их паразитами и т.п.;
3) фабрические связи (от латинского слова фабрикато – изготовление) – использование растений, пуха, шерсти для постройки гнезд,
убежищ и т.п.
4) форические связи (от латинского слова форас – наружу) – отношения по распространению семян, плодов и т.п.; Среди них выделяют:
• Форезия – транспортирование животными более мелких особей.
• Зоохория– перенос животными семян, спор, пыльцы растений.
• Энтомофилия – опыление растений насекомыми.
• Энтомохория – перенос спор и мелких плодов растений насекомыми.
• Агестохория – распространение грибов и растений средствами
транспорта.
По пользе и вреду (рис.9.3), приносимыми одним организмом другому формы биотических отношения делятся на симбиотические
(рис.9.4) (оба партнера или один из них извлекает пользу от другого) и
антибиотические (рис.9.6) (оба партнера (или один из них) испытывает отрицательное влияние от другого).
Кооперация – форма совместного существования, которая выгодна для обоих видов, но не обязательна для них, т.е. не является непременным условием выживания видов (популяций).
170
ФОРМЫ БИОТИЧЕСКИХ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ
АНТИБИОЗ
СИМБИОЗ
Оба партнера или один из них
извлекает пользу от другого
Рис.9.3
Оба партнера (или один из них)
испытывает
отрицательное
влияние от другого
Мутуализм – форма взаимополезного сожительства – присутствие
партнера становится обязательным условием существования каждого
из них.
Ярким примером мутуализма являются лишайники – это симбиоз
гриба и водоросли, функциональная и морфологическая связь которых
настолько тесна, что их можно рассматривать как особого рода организм, не похожий ни на один из слагающих его компонентов.
Мужчина и женщина, являясь полными противоположностями
друг другу, объединяются в семью, которая, как правило, гораздо более гармонична, чем каждый из людей в отдельности. В таких системах количество взаимодействий с внешним миром гораздо меньше,
чем в разобщенном состоянии. То есть такие системы более независи-
Рис. 9.4
171
мы от внешнего мира. Именно минимум напряжений в отношениях с
внешним миром отличает состояние гармонии, то есть наиболее устойчивое состояние, энергетически наиболее выгодное.
Микроорганизмы, населяющие пищевой тракт жвачных животных, вовсе не являются частью организма коровы. Но только они способны образовывать из клетчатки, съеденной коровой, жирные кислоты, которые корова может ассимилировать. Непосредственно клетчатку коровы переваривать не могут, и поэтому они погибнут от голода,
если стерилизовать их пищевой тракт, даже если кругом изобилие
трав. Бактерии в свою очередь в пищевом тракте коровы обеспечиваются стабильной средой с постоянной температурой.
Бобовые растения и их клубеньковые бактерии на корнях, фиксирующие азот из воздуха.
Термиты и живущие в их кишечнике жгутиконосцы.
Они переваривают поглощаемую термитами клетчатку, которые те неспособны
усваивать самостоятельно.
Птицы кормятся паразитами на коже носорога.
Рис.9.5.
Комменсализм – форма постояннго или временного сожительство особей разных видов при котором один из партнеров питается остатками пищи или продуктами выделения другого, используют как
172
убежище или транспорт, не причиняя ему вреда. Виды комменсальных
отношений приведены на рис.9.5
В качестве примеров можно привести взаимоотношения львов и
гиен; акул и рыб–прилипал; рыбу горчак, откладывающую икру в мантию двустворчатого моллюска не принося ему вреда; насекомых, обитающих в гнездах птиц и норах грызунов; лианы и различные вьюнки
обвивают стволы деревьев, используя их в качестве опоры, но не нанося им ущерба и т.п.
Нейтрализм – это такой вид отношений, когда организмы практически не влияют друг на друга.
Лишь на первый взгляд выглядит как полное отсутствие зависимости. Иногда только одно промежуточное звено вскрывает другой тип
взаимодействия. Лев не питается травой, но ему не безразлично состояние пастбища в саванне, от которого зависит плотность популяции
антилоп. По большому счету, чистого нейтрализма в природе не бывает, так как все в природе взаимосвязано, и все мы косвенно как–то
влияем друг на друга
Рис.9.6
Конкуренция – отрицательное воздействие организмов друг на
друга в борьбе за пищу, местообитание, бизнес. Тенденция к экологическому разделению видов получила название принципа конкурентного исключения Г.Ф. Гаузе: если два вида с близкими требованиями к
среде вступают в конкурентные отношения, то один из них должен
либо погибнуть, либо изменить свой образ жизни. Если близкородственные виды живут в одном месте, то они, как правило, либо используют разные ресурсы, например, питаются в разных ярусах леса, либо
активны в разное время. В любом случае их жизнедеятельность не
должна пересекаться. Поэтому случаи жесткой конкуренции в природе
крайне редки и непродолжительны. Конфронтация видов характерна
для экосистем только в переходные периоды, когда, например, по воле
человека или каким–то другим причинам в экосистему внедряется но173
вый вид, претендующий на кем–то используемые уже ресурсы. В этом
случае выживает, как правило, только один из конкурирующих видов,
лучше удовлетворяющий требованиям данного местообитания, проигравший либо погибает, либо мигрирует из данной экосистемы
(если, конечно, вмешательство человека не даст дополнительные преимущества менее приспособленному виду). Есть еще один выход, по
которому часто идет природа: переадаптация, изменение своих требований, например, переход на новый вид пищи. Таким путем обычно
создаются новые виды. Иногда достаточно просто сменить время питания или найти новое местообитание.
Широко распространена межвидовая конкуренция. Формы проявления ее различны, но, как правило, из двух видов с одинаковыми
экологическими потребностями один вытесняет другой. Так, серая
крыса – более крупная, агрессивная, хорошо адаптирующаяся к самым
различным условиям, практически полностью вытеснила из поселений
человека черную крысу, живущую теперь только в лесных и пустынных районах.
Внутривидовая конкуренция – борьба за одни и те же ресурсы,
происходящая между особями одного и того же вида. Конечно, заяц
зайца не ест, он ест траву, кору деревьев, но если корма не хватает, то
погибают менее приспособленные особи. Крайней формой внутривидовой конкуренции является каннибализм (известен более чем у 1300
видов).
Самоизреживаются растения. Многие десятки всходов появляются
около каждой большой сосны. Молодые деревца растут, затеняя и угнетая находящиеся под их кронами травянистые растения. Со временем между деревцами появляется неизбежная разница в росте. Более
слабые деревца отстают в росте, затеняются более высокими и постепенно засыхают и отмирают.
У многих видов внутривидовое регулирование запрограммировано. Высокая плотность животных, способная привести к интенсивной
внутривидовой конкуренции, приводит к нарушениям эндокринной
системы, становится фактором угнетения, снижающим воспроизводство даже при изобилии пищевых ресурсов. Пример этого – стихийные
переселения леммингов и белок, ведущие к их массовой гибели.
Конкуренцию выигрывает тот вид, который в данных экологических условиях обладает хотя бы небольшими преимуществами перед
другим.
174
Паразитизм – взаимодействие, при котором один организм живет
за счет другого, находясь внутри (эндопаразиты) или на поверхности
его тела (эктопаразиты). Причиняет вред хозяину, но редко приводит
его к быстрой гибели. Паразит гораздо теснее связан со своим хозяином, чем хищник с жертвой. По времени контакта паразиты делятся
на временные (например, кровососущие) и постоянные: стационарные
(всю жизнь на хозяине) и периодические. Виды, не имеющие паразитов, исчезают – слабые, отстающие в развитии особи не уничтожаются, это способствует деградации и вымиранию.
Инквилинизм – форма взаимодействия организмов, при которой
животное–инквилин, проникая в жилище другого животного, обычно
уничтожает его. Например, некоторые мухи откладывают яйца в раковины моллюсков, затем их личинки питаются тканями моллюсков,
используя раковину в качестве убежища.
Хищничество – поедание одного организма другим. Полезно одному – вредно другому.
В отношениях «хищник–жертва» оба организма постоянно совершенствуются, что играет важную роль в жизни экосистем, регулируя
плотность соответствующих популяций на достаточно низком уровне,
сдерживая катастрофические вспышки их численности, одновременно
не подавляя их полностью. Отсутствие хищника для какой–либо популяции может вызвать «взрыв» численности популяции «жертв», который подрывает кормовую базу данной популяции и вызывает к жизни
какие–то иные механизмы корректировки численности, чаще всего в
виде болезней или таких поведенческих механизмов, которые связаны
с пренебрежением к жизни каждой отдельной особи. Обычно в системе отношений «хищник–жертва» со временем устанавливаются постоянные незатухающие колебания численности хищников и жертв.
Сам человек поставил себя в роли хищника по отношению практически ко всем видам живых организмов, но по отношению к биосфере в целом человек является, по–видимому, типичным паразитом.
По большому счету, любого консумента можно отнести к хищникам. В частности растительноядные животные являются хищниками в
отношении растений. Поэтому взаимоотношения эти очень разнообразны.
Например, одним из частных случаев подобных отношений является аменсализм – Эти отношения отрицательны для одного вида,
который угнетается другим видом, для которого эти отношения безразличны. Примером могут служить отношения между светолюбивыми растениями, случайно попавшими под полог елового леса, растение
может погибнуть, деревьям же такое соседство безразлично. Так же к
175
этому типу отношений можно отнести торможение роста одного растения продуктами выделения другого. Так кусты черной смородины
выделяют летучие вещества, подавляющие рост вишни, которая способна затенить и лишить влаги черную смородину, что случается, если
высадить молодые смородиновые кусты в вишневые заросли. Однако
сильные заросли черной смородины настолько сильно воздействуют
на вишневые деревья, что они даже изгибаются в обратную сторону.
Аллелопатия – тип биотических связей – аллелохимическое взаимодействие, т.е. растения (животные) выделяют различные вещества,
оказывающие влияние на другие(х) растения (животных). Типы веществ: отпугивающие (реппеленты); вещества, прикрывающие бегство; яды; противоядия; приманки.
Синантропизм – биотическое взаимодействие различных видов
организмов с человеком. Синантропы приспособлены к обитанию
вблизи человека.
9.3. АДАПТАЦИЯ К ФАКТОРАМ СРЕДЫ
Под адаптацией понимают все виды врожденной и приобретенной приспособительной деятельности, которая обеспечивается определенными физиологическими реакциями, происходящими на клеточном, организменном и пр. уровнях. Целью адаптации является – поддержание постоянства состояний и функций организмов.
Механизмы адаптаций: генетические, биохимические, этологические (поведенческие), иерархические.
Алломорфоз (идиоадаптация) – незначительные эволюционные
изменения, способствующие лучшему приспособлению у условиям
среды (защитная окраска, вырождение листьев в колючки, специальная форма клюва, мимикрия).
Ароморфоз – прогрессивные эволюционные изменения в строении и функциях организмов, приводящие к существенным изменениям
форм жизни (образуются новые отряды, классы животных).
Напомним, что факторы среды можно разделить на:
• периодические (суточные, годовые и т.д.);
• повторяющиеся без строгой периодичности (ураганы,
наводнения);
• факторы однонаправленного действия (заболачивание, изменение климата);
• случайные и неопределенные факторы.
Живым организмам лучше удается адаптироваться к периодическим (фотопериодизм, сезонная активность, анабиоз, ангидробиоз) и
однонаправленным факторам. Адаптации к факторам, повторяющимся
176
без строгой периодичности, формируются сложнее. Наиболее опасны
факторы неопределенного действия. К таким воздействиям можно отнести антропогенные:
– их много и действуют одновременно;
–они налагаются на природные стрессоры и могут усугубить их
действие (синергетический эффект
D(A1+A2)>D(A1)+D(A2)–
результат совместного действия факторов превосходит результат воздействия каждого фактора по отдельности);
– их отличает новизна, многие из них не знакомы для биосистем,
для их разложения в природе нет специальных биохимических механизмов (ксенобиотики), человек не имеет средств их детоксикации.
Хронические антропогенные стрессы дают слабые реакции, их
трудно отследить и оценить их последствия. Адаптация к ним формируется крайне медленно, медленнее, чем время накопления последствий хронического стресса сверх пределов, после которых система разрушается.
Согласно теории Ч. Дарвина, организмы изменчивы. Невозможно
найти двух абсолютно тождественных особей одного вида. Эти различия частично передаются по наследству. Все это легко объяснимо и с
точки зрения генетики. Каждый вид и каждая популяция насыщены
разнообразными мутациями, то есть изменениями в строении организмов, вызванными соответствующими изменениями в хромосомах,
которые происходят под влиянием факторов внешней или внутренней
среды. Эти изменения в признаках организма имеют скачкообразный
характер и передаются по наследству.
В подавляющем большинстве эти мутации оказывается, как правило, неблагоприятными, поэтому практически все они рецессивные,
то есть их проявления исчезают через определенное количество поколений. Однако вся эта совокупность изменений представляет собой
резерв наследственности, генофонд вида или популяции, который может быть мобилизован через естественный отбор при изменении условий существования популяций.
Мутации могут оказаться вовсе не случайными, а вполне направленными и призванными найти новые формы, отвечающие требованиям изменившейся среды. Не исключено, что конкретная мутация какого–либо признака носит цепной характер. То есть, возникнув однажды
в потомстве одной пары, удачная мутация оказывается «заразной» для
других пар родителей, дающих свое потомство, но с теми же удачными мутациями. В результате уже в течение одного поколения в рамках
вида у разных родителей могут народиться дети, обладающие одинаковыми признаками, отличающимися от признаков родителей, образо177
вав тем самым совершенно новый подвид. Новый подвид (а впоследствии новый вид) появляется сразу, практически в одно время, и сразу
же оказывается представленным достаточно большим для устойчивого
размножения количеством особей. Правда, пока это только гипотеза.
При изменении условий среды обитания формируется давление
среды на популяцию, при этом наибольшие шансы на выживание получают носители таких мутаций, которые «угадали» такие изменения,
которые более благоприятны для новых условий среды, чем исходные
формы. Именно они дают наибольшее потомство, в котором происходит еще большее уточнение форм, удовлетворяющих новому состоянию среды. В результате с каждым новым поколением формы постепенно изменяются. Такой естественный отбор называется движущим.
Отметим еще две особенности естественного отбора: 1) каждое
поколение подвергается отбору на выживаемость и воспроизведение;
2) потомству передаются лишь наборы генов выживших особей, а погибших особей отсеиваются из генофонда.
Жизнь развивается в тесном взаимодействии и единстве среды и
населяющих ее организмов. Это один из важнейших законов эволюции, сформулированный В.И. Вернадским. Это значит, что в природе
действует принцип экологического соответствия: форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни. И это соответствие закрепляется генетическими механизмами, поэтому каждый
вид организмов может существовать только до тех пор, пока окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям. Если эта среда
изменяется, то организмы вынуждены либо мигрировать в поисках
подходящей среды обитания, либо адаптироваться к новой среде, дав,
возможно, начало новому виду, либо погибнуть. Это является основным механизмом действия закона давления среды на жизнь, или
закона ограниченного роста, сформулированного Ч. Дарвином, более
известного как закон естественного отбора: несмотря на то, что потомство одной пары особей, размножаясь в геометрической прогрессии,
стремится заполнить весь земной шар, имеются ограничения, не допускающие этого явления. Суть этих ограничений как раз и состоит в
действии на организмы факторов среды. Вовсе не сильнейший выживает в естественном отборе, а тот, который наиболее адаптирован к
факторам среды, тот, кто, подчиняясь требованиям метасистемы, смог
правильно изменить себя и своих потомков.
Такие процессы возникают, по–видимому, в те самые периоды
серьезных изменений среды, грозящих вымиранием данному виду.
Именно тогда формируется «мутовка», то есть на свет появляется ог178
ромное количество мутаций, цель которых – найти верное решение,
новую форму.
Есть мутации, которые происходят по вине человека (например,
ядерные взрывы, приводящие к повышению естественной радиации в
несколько тысяч раз), они приводят к неконтролируемому делению
клеток – раковым заболеваниям и могут передаваться по наследству.
В то же время, согласно принципу максимального давления
жизни, открытого В.И. Вернадским, любой вид организмов, стремясь
к экологической экспансии, постоянно увеличивает свое давление на
среду, изменяя ее в целях достижения более оптимальных для себя
значений факторов среды.
Постоянное давление жизни на среду вместе с лимитирующим
давлением среды на жизнь приводит к возникновению динамического
равновесия, в котором происходит взаимозависимое прогрессивное
движение, называемое эволюцией. Поступательность этого движения
иногда нарушается локальными или глобальными экологическими
катастрофами, но, несмотря на это, после каждой катастрофы жизнь
становится еще сложнее, подчиняясь закону необратимости эволюции. В процессе эволюции происходит не только усложнение форм
жизни, но и изменение среды, благоприятствующее новым формам
жизни. Какая из этих двух сил первична, а какая вторична, сказать,
наверное, невозможно. Они взаимодополняют друг друга.
Посредством факторов среды планета, космос, Вселенная достаточно однозначно направляют все жизненные процессы в биосфере.
Насколько оптимально и оправдано это воздействие – не нам судить,
мы можем только принять это как данность, по возможности, умеренно воздействуя на среду, смягчая действие ее факторов. Однако сама
история эволюции жизни на Земле лишний раз подтверждает третий
закон Коммонера: природа знает лучше. Поэтому нам нужно существенно ослабить прессинг на среду своего обитания, который в последнее время возрос до пределов, вызывающих экологические кризисы.
Как уже отмечалось, по словам Дж. Форрестера “у человечества имеется только одна альтернатива – отказ от надежд на дальнейший рост
благосостояния или экологическая катастрофа; лучше экономическая
стагнация, чем экологический кризис”. Больше внимания нужно уделить не преобразованию планеты под свои потребности, возрастающие
бешеными темпами, а адаптациям к факторам среды, как, собственно,
и поступает весь живой мир в основной своей массе.
Рассмотрим несколько определений – популяция, признак, ген, генотип, генофонд.
179
Популяция – совокупность особей одного вида, имеющих общий
генофонд и населяющий определенное пространство с относительно
однородными условиями обитания. Популяция обеспечивает эволюционную устойчивость вида.
Признак – особенность организма как в его внешнем облике, так и
во внутреннем строении. Примеры признаков: признаки, определяющие устойчивость к болезням, высоким и низким температурам; способность организма бегать, плавать, летать; инстинктивное поведение
организмов.
Главное свойство признаков – их генетическая или наследственная
основа. Наследственная основа признаков вида закодирована в молекулах ДНК, которые есть в каждой клетке организма. Молекулы ДНК
образуют гены организма.
Совокупность генов организма называется генотипом.
Генотип практически всех организмов представлен не одним, а
двумя наборами генов, в парах они могут быть различны или одинаковы. У каждой особи только 2 гена данного признака, а в крупной популяции существует множество вариантов наборов генов данного признака, называемое аллелями.
Во время роста тела организма происходит деление клеток, в результате новая клетка получает точную копию наборов генов. Только
при оплодотворении возникают новые наборы генов, поэтому все члены популяции и их потомки отличаются друг от друга своими генотипами.
Для каждой популяции характерно определенное соотношение
между генетической изменчивостью и стабильностью. Генетическая
изменчивость лежит в основе наследственной изменчивости признаков. Изменчивость дает возможность популяции приспосабливаться к
изменениям окружающей среды. Стабильность сохраняет уже сложившуюся полезную приспособленность. Популяция поддерживает
равновесие между этими противоположными тенденциями. В процессе
обучения и тренировки могут развиваться лишь врожденные признаки,
но не меняется их генетическая основа.
Можно дать два определения генофонда:
1) Совокупность генов (аллелей) одной особи, популяции, группы
популяций или вида, в пределах которой они характеризуются определенной частотой встречаемости.
2) Вся совокупность видов живых организмов с их привившимися
и потенциальными наследственными задатками.
Все гены (аллели) всех популяций данного вида называются видовым генофондом.
180
Человек разрабатывает новые технологии, в результате которых
происходит изменение генофонда – искусственный отбор, клонирование, генная инженерия. В процессе искусственного отбора генофонд
изменяется целенаправленно в различных направлениях, в зависимости от предпочитаемых признаков. Пример – работа селекционера.
Клонирование – бесполое размножение. Размножение растений с
помощью черенков, в результате чего точная получается точная копия
генов. Клонирование органов, овечек, телят, овечка Долли, клонирование детей, клонирование стволовых клеток. В нашей стране и многих
других странах клонирование человека и его органов запрещено.
Генная инженерия – в ее основе лежит процесс получения специфических генов (отрезков ДНК) и введение их другому организму без
скрещивания. Эта технология считается спорной и нет четкого мнения
– вредно или нет для окружающей среды и человека то, что получено
таким путем. В качестве примера приведем генетически модифицированные продукты питания (ГМП), которые не гниют долгое время –
(соя, кукуруза, картофель, свекла и др.). По закону на таких продуктах
должна быть надпись – ГМП.
В заключении можно сказать, что давление человека на среду уже
превышает все мыслимые пределы. Но оно к тому же и растет с каждым годом. Единственная надежда на то, что человек одумается и откажется от своих проектов перестройки надсистемы по своему усмотрению.
Выводы по теме
1. Существование любого организма зависит от целого комплекса факторов.
2. Организмы, имеющие широкий диапазон толерантности к одному фактору, могут иметь узкий диапазон толерантности к другим
факторам среды. Оптимум для одних видов может быть пессимумом
для других.
3. В процессе эволюции происходит не только усложнение форм
жизни, но и изменение среды, благоприятствующее образованию новых форм жизни.
4. При изменении условий среды обитания формируется давление
среды на популяцию, при этом наибольшие шансы на выживание получают носители таких мутаций, которые “угадали” такие изменения,
которые более благоприятны для новых условий среды, чем исходные
формы.
5. Человек разрабатывает новые технологии (искусственный отбор, клонирование, генная инженерия), в результате которых происходит изменение генофонда.
181
6. Биотическими факторами среды называется совокупность влияний одних организмов на другие. Живые существа могут служить источником пищи для других организмов, являться средой их обитания,
способствовать их размножению и т.п.
7. Антропогенными факторами среды называется совокупность
влияний человека на живые организмы. Это влияние также может
быть прямым, например, когда человек вырубает лес или отстреливает
животных, или косвенным, проявляющимся в воздействии человека на
абиотические и биотические факторы среды, например, изменение
состава атмосферы, почвы, гидросферы, или изменение структуры экосистем.
8. Давление на среду может оказаться слишком огромным, могут
разрушиться обратные связи, регулирующие деятельность вида, может
разрушиться собственная среда обитания.
9. Хронические антропогенные стрессы дают слабые реакции, их
трудно отследить и оценить их последствия. Адаптация к ним формируется крайне медленно, медленнее, чем время накопления последствий хронического стресса сверх пределов, после которых система разрушается.
Вопросы для самопроверки
1. Что изучает аутэкология?
2. Назовите основные законы аутэкологии.
3. Закон минимума Либиха.
4. Закон толерантности Шелфорда.
5. Приведите график зависимости показателей жизнедеятельности организма от уровня воздействия экологического фактора.
6. Как определяется диапазон устойчивости организма?
7. Перечислите факторы среды (ФС).
8. Какие ФС называют абиотическими (биотическими, антропогенными)?
9. От каких ФС зависит миграция (животных, загрязняющих веществ
атмосфере)?
10. Какие организмы называются: эврибионтами, стенобионтами, эвритермами, эвриоксибионтами, стеногалами, галлофобами, сапробионтами?
11. Какие организмы называются гомойотермными (пойкилотермными),
12. Способы регуляции водного баланса у растений и животных.
13. Перечислите топографические ФС.
14. Какое влияние на экосистемы оказывают высокотемпературные ФС?
15. Перечислите формы антибиоза (симбиоза).
182
16. Дайте краткую характеристику мутуализму (кооперации, комменсализму, хищничеству, паразитизму, аменсализму, синантропизму).
17. Дайте определение алломорфозу (ароморфозу).
18. Почему антропогенные ФС более опасны, чем другие биотические
взаимодействия?
19. Синергетический эффект в экологии.
20. Приведите классификацию и характеристику действия факторов
среды обитания по степени направленности.
21. Что такое мутации? Какие мутации называются рецессивными?
22. К чему может привести употребление генно–модифицированных
продуктов?
23. Принцип экологического соответствия.
24. Принцип максимального давления жизни.
Тематика рефератов
1. Зависимость жизнедеятельности организмов от факторов среды.
2. Формы адаптаций организмов к окружающей среде.
3.Средообразующая деятельность организмов.
4. Эволюция симбиотических отношений организмов.
5. Эволюция паразитизма.
6. Адаптация к различным факторам среды (социальным, алиментарным, климатическим, и т.д.).
7. Клонирование.
8. Генная инженерия.
9. Генно–модифицированные продукты: за или против?
10. Роль антропогенных изменений биосферы в возникновении заболеваний.
Тестовые задания
1. Экологические факторы это:
1) все элементы среды, воздействующие на организм;
2) только температурный фактор;
3) только пищевой фактор.
2.Абиотические факторы – это факторы:
1) живой природы; 2) неживой природы;
3) особые химические; 4) радиационные факторы.
3. Антропогенные факторы – это факторы:
1) климатической природы; 2) биологической природы;
3) вызванные деятельностью человека.
183
4. Оптимальные условия для организма достигаются при интенсивности экологического фактора, наиболее благоприятной:
1) для жизнедеятельности;
2) для размножения;
3) для роста организма.
5. Какой из ниже перечисленных законов говорит о том, что выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его
экологических потребностей:
1) закон минимума (Либиха);
2) закон оптимума (толерантности, Шелфорда);
3) закон Гаузе (правило конкурентного исключения);
4) закон максимума.
6. «Даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе – к его
гибели – это формулировка закона:
1) минимума Либиха;
2) незаменимости фундаментальных факторов Вильямса;
3) лимитирующего фактора Шелфорда.
7. Фактор, являющийся лимитирующим для живых организмов в
наземно – воздушной среде:
1) количество кислорода;
2) состав органического вещества;
3) значительные колебания температуры;
4) возможность потери хозяина.
8. Фактор, являющийся лимитирующим для живых организмов в
водной среде:
1) количество кислорода; 2) состав органического вещества;
3) значительные колебания температуры;
4) возможность потери хозяина.
9. Фактор, являющийся лимитирующим для живых организмов в
почве:
1) количество кислорода; 2) влажность;
3) значительные колебания температуры;
4) возможность потери хозяина.
10. Паразитический и полупаразитический образ жизни связан со
средой
1) водной; 2) наземно – воздушной; 3) почвенной;
4) живым организмом.
184
11. Более однородной является среда жизни:
1) водная;
2) наземно – воздушная;
3) почвенная; 4) живой организм?
12. Установите соответствие между каждым видом животного (1–
6) и отношением к температурному фактору ( А или В):
Представители
Классификация животных
1) голубь
А – пойкилотермные (холоднокровные)
2) акула
В – гомойотермные (теплокровные)
3) собака
4) лягушка
5) кит
6) ящерица прыткая
13. Отсутствие скелета или уменьшение его доли в общей массе
тела является приспособлением живых организмов к обитанию:
1) в наземно – воздушной среде;
2) в почве;
3) в живом организме;
4) в водной среде.
14. Гомойотермность (теплокровность) животных и разнообразие
форм тела характерны для обитателей:
1) наземно – воздушной среды;
2) почвы;
3) живого организма;
4) водной среды.
15. Редукция, или полное отсутствие системы пищеварения, является приспособлением живых организмов к обитанию:
1) в наземно – воздушной среде;
2) в почве;
3) в живом организме;
4) в водной среде.
16. Из списка экологических факторов выберите те, которые относятся к биотическим:
[1] вырубка лесных массивов; [2] конкуренция;
[3] температура;[4] хищничество; [5] свет.
17. Пределы устойчивости организма – это:
1) рамки, ограничивающие пригодные для жизни условия;
2) минимально приемлемые для обитания условия существования;
3) оптимальные условия для существования.
18. Наиболее вредное воздействие на живые организмы может
оказать излучение:
1) инфракрасное; 2) в синей части видимого спектра;
3) ультрафиолетовое; 4) в красной части видимого спектра.
185
19. Вода как среда жизни обладает следующими свойствами:
[1] высокая плотность; [2] низкая плотность;
[3]большое количество света; [4] обилие воздуха;
[5] уменьшение освещённости с увеличением глубины;
[6] низкое содержание кислорода.
20. Наземно – воздушная среда жизни обладает следующими признакам:
1) высокая плотность; 2) низкая плотность; 3) мало света;
4) отсутствие кислорода; 5) много света; 6) обилие воздуха.
21. Почва как среда жизни обладает следующими характеристиками:
1) мало света; 2) много света; 3) обилие углекислого газа;
4) недостаток кислорода; 5) низкая плотность; 6) обилие воздуха.
22. Адаптацией называется:
1) приспособления организма к среде обитания;
2) приспособления организма к температурному фактору;
3) пищевые приспособления организма.
23. В основе методов биондикации состояния окружающей среды
лежит применение:
1) организмов, чувствительных к изменениям условий среды;
2) синантропных видов;
3) видов, устойчивых к загрязнениям.
24.Взаимодействие бобовых растений и клубеньковых бактерий –
пример:
1) конкуренции; 2) симбиоза; 3) паразитизма; 4) хищничества.
25. Взаимодействие некоторых травоядных копытных и микроорганизмов, обитающих в их желудке и кишечнике– пример:
1) мутуализма; 2) хищничества; 3) конкуренции; 4) паразитизма.
26. Форма отношений, при которых один из участников умерщвляет другого и использует его в качестве пищи, называется:
1) нейтрализмом; 2) паразитизмом; 3) хищничеством; 4) симбиозом.
27. Тип взаимодействия, при котором один из участников не убивает сразу своего хозяина, а длительное время использует его как источник пищи, называется:
1) нейтрализм; 2) паразитизм; 3) хищничество; 4) симбиоз.
186
28. Тип взаимодействия, при котором организмы соперничают
друг с другом, пытаясь лучше и быстрее достичь какой – либо цели,
получил название:
1) нейтрализм; 2) паразитизм; 3) хищничество; 4) конкуренция.
29.Назовите тип взаимодействия, при котором ни одна популяция
не оказывает влияния на другую:
1) нейтрализм; 2) паразитизм; 3) хищничество; 4) симбиоз.
30. В результате взаимосвязи хищник – жертва:
1) происходит вымирание популяции жертвы;
2) резко увеличивается численность одной из популяций;
3) усиливается естественный отбор в обеих популяциях;
4) не происходит изменения в популяциях хищника и жертвы.
31. Невозможность длительного совместного выживания двух видов с близкими экологическими требованиями было названо законом:
1) минимума (Либиха);2) толерантности (Шелфорда);
3) конкурентного исключения (Гаузе);
4) действия факторов (Тинемана).
32. Неограниченный рост численности популяции сдерживается:
1) действием факторов внешней среды;
2) количественным соотношением особей;
3) спецификой физиологии женских особей.
33.Вследствие увеличения численности популяции жертв в популяции хищников происходит:
1) увеличение числа новорождённых особей;
2) уменьшение числа половозрелых особей;
3) увеличение числа женских особей;
34. Определите форму биотических взаимоотношений (А или Б)
для каждой группы представителей: А– симбиоз; Б– паразитизм
1) клубеньковые бактерии и бобовые; 2) вши и человек;
3) бактерии, обитающие в желудке; 4) блохи и собаки;
5) свиной цепень и свинья; 6) гриб и водоросль.
35.Одно из приспособлений, дающее организму возможность распространяться по Земле и позволяющее снизить зависимость от условий окружающей среды, – это способность:
1) быстро перемещаться (бегать, прыгать, летать, плавать);
2) поддерживать постоянство внутренней среды;
3)употреблять разнообразную пищу;
4) жить в разнообразных природных условиях.
187
Лекция 10.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭКОЛОГИЯ.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ – КАК ФАКТОР
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Детализированные цели изучения раздела
Формирование у студента системы необходимых знаний об
– электромагнитном загрязнении;
– электромагнитном поле (ЭМП) как абиотическом факторе;
– основных биологически активных параметрах ЭМП и биологических эффектах, которые вызывает воздействие ЭМП;
– возможных вариантах характера воздействия ЭМП на человека.
ВВЕДЕНИЕ
Определение понятия «электромагнитная экология» можно дать
следующее: раздел экологии, изучающий взаимодействие человека и
окружающей среды с электромагнитными полями.
Предмет электромагнитной экологии – санитарно–гигиенические
и экологические проблемы загрязненные окружающей среды ЭМП
В проблемах электромагнитной экологии выделилось три направления:
1) биофизическое, занимающееся вопросами исследования взаимодействия биологических тканей с ЭМП;
2) медико–биологическое, которое занимается изучением и нормированием воздействующего фактора на окружающую среду и человека;
3) научно–техническое, целью которого является разработка методов и средств анализа в окружающей среде ЭМП и защиты от них в
случае необходимости.
К настоящему времени накоплен богатейший научный материал
по первым двум направлениям. Об этом свидетельствуют многочисленные отечественные и зарубежные публикации, посвященные биологическим эффектам ЭМП и исследованиям причинно–следственных
связей между биологическими объектами и ЭМП.
Однако в последние годы возникла острая необходимость анализа
распределения ЭМП различных технических средств и в первую очередь инфокоммуникационных радиосредств в окружающей среде. Это
связано с многочисленными экологическими и санитарно–
гигиеническими задачами, заключающимися в решении вопросов экологически чистого размещения излучающих объектов. При этом используются действующие нормативные и методические документы, в
которых приведены ПДУ ЭМП для всех диапазонов частот.
188
10.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ КАК ЧАСТНЫЙ
СЛУЧАЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Прогресс развития человечества, рост производства, образование
инфраструктуры (транспорт, связь и т.п.) привели к резкому возрастанию обмена веществ и энергии между человеческим обществом и биосферой. Воздействие человека на окружающую среду – это антропогенное воздействие.
Одним из видов антропогенного воздействия является антропогенное загрязнение – это вещество и энергия либо вообще не характерные для биосферы, либо не характерны их концентрации и интенсивности.
В виде энергии окружающая среда загрязняется теплом, ионизирующим излучением, электромагнитными полями (ЭМП), световой
энергией (в том числе ультрафиолетовым и инфракрасным излучением), акустическим шумом, вибрацией, ультразвуком. С точки зрения
экологии ЭМП – это один из видов энергетического загрязнения окружающей среды (рис. 10.1).
Энергетические загрязнители (кроме теплового и радиационного)
не аккумулируются в природе, а оказывают влияние на биосферу лишь
во время их производства. Аккумулирующееся загрязнение – это вредные вещества и некоторые виды энергии, способные в отличие от не
аккумулирующихся накапливаться в окружающей среде и живых организмах.
Антропогенное загрязнение
Энергетическое
Материальное
Аккумулирующееся
Тепловое
загрязнение
Радиационное
загрязнение
Биологическое
Неаккумулирующееся
ЭМП
Свет, лазерное
излучение
Шум,
вибрации
Рис. 10.1 – Классификация антропогенных загрязнений
Согласно международной регламентации, электромагнитный
спектр до 3 ТГц делится на 12 частотных диапазонов. Эти диапазоны
обозначены номерами, как показано в табл. 10.1, в которой приведены
только диапазоны, используемые для инфокоммуникаций.
189
Таблица 10.1
Номер
диапаз.
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Диапазон
частот
0,3…3 кГц
3...30 кГц
30...300 кГц
0,3...3 МГц
3...30 МГц
30...300 МГц
0,3...3 ГГц
3...30 ГГц
30...300 ГГц
Вид радиоволн
Вид радиочастот
гектокилометровые
мириаметровые
километровые
гектометровые
декаметровые
метровые
дециметровые
сантиметровые
миллиметровые
инфранизкие частоты (ИНЧ)
очень низкие частоты (ОНЧ)
низкие частоты (НЧ)
средние частоты (СЧ)
высокие частоты (ВЧ)
очень высокие частоты (ОВЧ)
ультравысокие частоты (УВЧ)
сверхвысокие частоты (СВЧ)
крайне высокие частоты (КВЧ)
Для того чтобы уменьшить взаимное влияние различных технических средств друг на друга, а также снизить уровень радиопомех, проведена международная регламентация каждого используемого диапазона. Для каждого типа излучающих технических средств отведены
свои частотные участки. Определенные поддиапазоны отведены для
радиовещания, для телевидения, для различных видов радиосвязи, для
радиолокации и т. д. Свои участки диапазона имеют технические средства военного назначения, отдельно выделены поддиапазоны для радиолюбителей. Установленные жесткие требования и ограничения на
уровни, так называемых, внеполосных излучений, которые позволяют
обеспечить электромагнитную совместимость излучающих средств –
возможность одновременной работы или работы по графику.
Подсчитано, что человечество использует миллиарды тонн минерального сырья, топлива, воды, биомассы, атмосферного кислорода, а
в полезный продукт переходит лишь один процент затраченных природных ресурсов. Это в полной мере относится и к электромагнитному
полю. Например, если для нормальной работы приемного устройства
необходима мощность 1 мВт, то для полного изъятия из окружающей
среды электромагнитной энергии одного передатчика мощностью 100
кВт необходимо иметь 100 млн. приемников. Часть электромагнитной
энергии уходит в космическое пространство, а остальная рассеивается
(поглощается) окружающей средой: атмосферой, окружающими предметами, в том числе и биологическими объектами.
Следует учитывать, что электромагнитную энергию излучают и
множество других технических средств, основные функции которых
не связаны с преднамеренным процессом излучения, например, энергетические установки, электрифицированный транспорт, линии электропередач (ЛЭП), бытовые приборы, компьютеры (ПЭВМ) и т.п.
190
Становится все более очевидной проблема электромагнитной совместимости живой природы и источников ЭМП антропогенного и
естественного происхождения.
Уровень электромагнитного загрязнения приобретает глобально
опасный характер, что подчеркнуто Всемирной Организацией Здравоохранения в 1995 году введением термина «глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды». Это в первую очередь относится к появившемуся в последнее столетие и постоянно увеличивающемуся уровню радиофона, под которым понимают суммарный эффект всех излучающих средств Земного шара. Электромагнитное излучение высокого уровня локализовано вблизи источников и существует только в периоды работы излучающих технических средств.
В последние несколько десятилетий применение устройств, которые излучают ЭМП, значительно возросло. Начало освоения человеком ЭМП связано с использованием диапазона длинных волн (длина
волны 1…10 км), что было обусловлено развитием радиосвязи и радиовещания в этом диапазоне. Затем бурными темпами стало развиваться телевидение, и диапазон используемых длин волн стал расширяться в сторону их укорочения. С развитием радиолокации и радионавигации активно стали осваиваться диапазоны метровых, дециметровых и сантиметровых волн. В настоящее время трудно назвать такую область науки, техники, народного хозяйства, где бы ни использовалась радиоэлектронная аппаратура, в том числе излучающая ЭМП.
Приведем примерный перечень видов телекоммуникационной деятельности и оборудования, которые являются причиной насыщения
окружающей среды электромагнитной энергией в различных диапазонах:
– до 300 Гц (до 1000 км) – статические поля различного происхождения, энергетические установки, линии электропередачи, видеодисплейные терминалы;
– 0,3...3 кГц (1000...100 км) – модуляторы радиопередатчиков, медицинские приборы, электрические печи индукционного нагрева, закаливания, сварки, плавления, очистки;
– 3...30 кГц (100...10 км) – средства связи на ОНЧ, системы радионавигации, модуляторы радиопередатчиков, медицинские приборы,
электрические печи индукционного нагрева, закаливания, сварки,
плавления, очистки, видеодисплейные терминалы;
– 30...300 кГц (10...1 км) – радиовещание, радионавигация, морская
и авиационная связь, средства связи на НЧ, радиолокация, видеодисплейные терминалы, электрофорез, индукционный нагрев и плавление
металла;
191
– 0,3...3 МГц (1...0,1 км) – радиовещание, связь, радионавигация,
морская радиотелефония, любительская радиосвязь, индустриальные
радиочастотные приборы, передатчики с амплитудной модуляцией,
сварочные аппараты, производство полупроводниковых материалов,
медицинские приборы;
– 3...30 МГц (100...10 м) – радиовещание, любительская радиосвязь, глобальная связь, ВЧ терапия, магнитные резонансные возбудители, диэлектрический нагрев, сушка и склейка дерева, плазменные
нагреватели;
– 30...300 Мгц (10...1 м) – подвижная связь, нагрев, частотно–
модулированное радиовещание, телевизионное вещание, скорая помощь, диэлектрический нагрев, магнитные резонансные возбудители,
сварка пластмасс, плазменный нагрев;
– 0,3...3 ГГц (100...10 см) – радиорелейные линии, подвижная
связь, радиолокация, радионавигация, телевизионное вещание, микроволновые печи, медицинские приборы, плазменный нагрев, ускорители частиц;
– 3...30 ГГц (10...1 см) – радиолокация, спутниковая связь, подвижная связь, метеорологические локаторы, радиорелейные линии,
защитная сигнализация, плазменный нагрев, установки термоядерного
синтеза;
– 30...300 ГГц (10...1 мм) – радиолокация, спутниковая связь, радиорелейные линии, радионавигация.
Приведенные данные показывают, что человечество использует
практически весь частотный диапазон электромагнитного излучения.
Созданная человеком электромагнитная обстановка состоит из полей,
которые излучаются преднамеренно или являются продуктами использования других устройств.
В развитии излучающих электромагнитную энергию технических
средств, существует три устойчивые тенденции, которые заставляют
обращать пристальное внимание на вопросы электромагнитной экологии.
Первая тенденция – увеличение количества излучающих средств
за счет технического освоения и более плотного заполнения частотных
диапазонов, расширения сети радиосвязи и радиовещания, увеличения
каналов телевизионного вещания и других служб.
Не трудно вспомнить, что крупные города где–то 30…40 лет назад
обеспечивались эфирным телевидением по нескольким программами
(две–три). В настоящее время в каждом городе таких программ несколько десятков. Отметим также бурное развитие систем подвижной
связи. Тысяча базовых станций по 100 Вт каждая – это 100 кВт мощ192
ности электромагнитной энергии равномерно распределяемой по территориям, где находится человек. Еще порядка 100 кВт равномерно
распределенной мощности – это один миллион радиотелефонных трубок.
Во–вторых, сотовые телефоны – это сравнительно мощный источник ЭМП, располагающейся в непосредственной близости от мозга
человека, создающий серьезные санитарно–гигиенические проблемы
для всего человечества.
Вторая тенденция – увеличение энергетических потенциалов технических средств путем увеличения мощностей приборов и передатчиков, увеличения эффективности передающих антенн средств телекоммуникаций и их территориальной концентрации.
Мощности передатчиков телевизионного и радиовещания последние годы постоянно увеличивались и сейчас достигают десятков киловатт, причем антенные системы, как правило, представляют собой
громоздкие многоэтажные конструкции, обеспечивающие предельно
возможное усиление.
Третья тенденция – внедрение сложной электронной бытовой
техники, персональных компьютеров и других достижений новых технологий.
В настоящее время наблюдается ухудшение экологической ситуации по электромагнитному фактору. Это следует связывать, в первую
очередь, с преобладанием ведомственных, чисто коммерческих и потребительских подходов к вопросам развития излучающих технических средств и использования радиочастотного спектра. Излучающие
технические средства и объекты размещаются на крышах жилых домов и вблизи зон массового пребывания людей без анализа уже существующей электромагнитной обстановки, прогнозирования ЭМП размещаемых средств. Как правило, для размещения излучающих технических средств используются одни и те же удобные с точки зрения
массового обслуживания места установки антенн (мачты, башни, высотные здания и т.д.).
Из выше изложенного видим, что основным «поставщиком» ЭМП
в окружающую среду являются радиотехнические системы телекоммуникаций.
Это связано с тем, что, во–первых, излучение ЭМП – неотъемлемое явление для радиоканала, его обязательный технологический процесс. ЭМП информативны и распространяются с большой скоростью.
Отказавшись от излучения, человек должен отказаться от радиовещания, эфирного телевидения, радиосвязи.
193
Во–вторых, излучающие технические средства радиосвязи, радиовещания и телевидения распределяются по территориям, как правило,
равномерно. Это делается для того, чтобы создать необходимую интенсивность ЭМП в местах пребывания людей, (чтобы работали приемники).
В–третьих, исторически сложившаяся ситуация с размещением
технических средств обостряет вопросы электромагнитной экологии,
поскольку строили и размещали излучающие технические средства
так, чтобы было удобно эксплуатировать, не задумываясь об экологических последствиях. Результат – излучающие технические средства
попали в границы городов, телецентры – в самых населенных местах и
т.д. Как следствие всего этого, под высокие уровни ЭМП попал не
только обслуживающий персонал излучающих технических средств,
но и население близлежащих территорий. Однако радиосвязь, радиовещание и телевидение – достижение цивилизации и никто не собирается отказываться от них.
10.2. ЭМП – АБИОТИЧЕСКИЙ ФАКТОР
В состав биосферы входят ЭМП естественного и искусственного
происхождения. В спектре естественных электромагнитных полей условно выделяют несколько компонентов земного, околоземного и космического происхождения – это постоянное магнитное поле Земли
(геомагнитное поле), электрическое поле Земли и переменные электромагнитные поля в диапазоне частот от 103 до 1012 Гц. Источником
переменных электромагнитных полей являются атмосферные явления
(атмосферное электричество), а также радиоизлучение Земли, Солнца
и галактик.
Поля искусственного происхождения излучаются техническими
средствами, созданными человеком. Диапазон частот излучаемых
ЭМП – промышленные частоты и весь радиочастотный диапазон. Интенсивность излучения зависит от мощности технических средств, параметров излучателей, удаленности точки наблюдения и т.д. Кроме
этого, выделяют радиофон, как суммарный эффект всех излучающих
радиосредств Земного шара и прежде всего НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов, в
которых наблюдается глобальное распространение радиоволн. В настоящее время ЭМП искусственного происхождения стали намного
превышать естественный электромагнитный фон. Они превратились в
опасный экологический фактор.
Возможность и механизмы биологического действия ЭМП не вызывает сомнений, поскольку биологические ткани состоят из веществ,
несущих электрические заряды, и сами жизненные процессы сопрово194
ждаются различными электрическими процессами.
В обосновании Международной научной программы Всемирной
организации здравоохранения по биологическому действию ЭМП
(1996–2005гг.) сформулировано следующее: «Предполагается, что медицинские последствия такие, как заболевания раком, изменения в
поведении, потеря памяти, болезни Паркинсона и Альцгеймера,
СПИД, синдром внезапной смерти внешне здорового ребенка и многие
другие состояния, включая повышение уровня самоубийств, являются
результатом воздействия электромагнитных полей».
На рис. 10.2 показана характерная зависимость показателей жизнедеятельности организмов от абиотического фактора в виде ЭМП.
Показатели жизнедеятельности
Е стественны е
ЭМ П
Гипогеоэлектром агнитны е
услови я
Э лектром агнитное
загрязнение
О птим альн ые
условия
Уровень ЭМ П
П редел
устойчивости 1
У силиваю щ ийся
стресс
У си ливаю щ ийся
стресс
П редел
устой чивости 2
Д иапазон устойчивости
Рис. 10.2 – ЭМП – абиотический фактор окружающей среды
Медико–биологическими исследованиями доказано, что живые
организмы не могут нормально функционировать без естественных
ЭМП. Эти поля сопутствовали зарождению и развитию жизни на Земле, а также участвовали в эволюции человека. В реальных условиях
естественные ЭМП изменяются в течение суток и по сезонам, зависят
от географических координат и от 11–ти летнего цикла активности
Солнца и других факторов. Зона оптимума соответствует естественным полям Земли.
Гипогеоэлектромагнитные условия, то есть условия, когда
уменьшено или вовсе отсутствует электрическое и/или магнитное поле
Земли, приводят к стрессовому состоянию организмов и, в конце кон195
цов, к его смерти (предел устойчивости 1).
Особенно опасны гипогеомагнитные условия, однако, их весьма
сложно реализовать технически. В специализированных экранированных сооружениях формируется непривычная для человека электромагнитная среда, для которой характерно снижение геомагнитного
поля, естественных переменных ЭМП, нарушение их пространственной ориентации, исключение воздействия на организм человека естественного освещения, ультрафиолетовой радиации и др. Гипогеомагнитные условия могут создаваться не только в специализированных
экранированных сооружениях. Например, уровни естественных геомагнитных полей могут снижаться в подземных сооружениях метрополитена от 2 до 5 раз, в жилых зданиях из железобетонных конструкций – в 1,5 раза, в служебных помещениях Останкинской телебашни –
от 1,5 до 2,3 раз, в кабинах скоростных лифтов – от 15 до 19 раз, в кабинах буровых установок и экскаваторов – от 1,8 до 8,5 раз, в салонах
легковых автомобилей – от 1,5 до 3 раз. Человек попадает в гипогеомагнитные условия и при осуществлении космических полетов, в самолетах, в служебных помещениях и каютах речных и морских судов,
на подводных лодках и других военно–технических средствах и объектах, в банковских хранилищах и т.д.
Согласно СанПиН 2.2.4.1191–03 временно допустимый уровень
(ВДУ) коэффициента ослабления интенсивности геомагнитного поля
B
H
K 0ГМП = 0 = 0 ≤ 2 ,
B
H
где В0(Н0)– магнитная индукция (напряженность магнитного поля) в
открытом пространстве, В (Н) – индукция (напряженность) на рабочем
месте (в помещении).
Добавим, что работа на перечисленных объектах сопровождается
и гипогеоэлектрическими условиями, которые, характеризуются отсутствием естественного электрического поля Земли. Эти условия менее опасны, однако тоже могут привести к тяжелым последствиям.
В связи с этим, обратим особое внимание на существующую глубоко ошибочную точку зрения на возможность защиты населения от
ЭМП искусственного происхождения экранированием жилых помещений и зданий. В рекомендациях по защите населения от ЭМП часто
можно видеть предложения по установке на окна решеток и металлизированного стекла, оборудование высокочастотного заземления всего
здания и т.д. Все это приводит не только к экранированию от ЭМП
искусственного происхождения, но и создает худшую гипогеоэлектромагнитную обстановку со всеми вытекающими последствиями.
Чрезмерное насыщение окружающей среды электромагнитным за196
грязнением тоже может привести к стрессовому состоянию живых
организмов. Превышение предела устойчивости по ЭМП со стороны
больших интенсивностей (предел устойчивости 2 на рис. 10.2) ведет к
смерти организма. Интервал интенсивностей ЭМП, включающий оптимальные условия и зоны усиливающегося стресса, называют диапазоном устойчивости, в котором еще возможно существование организмов.
10.3. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ ЭМП
ЭМП могут вызывать биологические эффекты, которые не всегда,
приводят к неблагоприятному влиянию на здоровье.
Биологический эффект имеет место, если под действием ЭМП в
биологической системе происходят какие–либо заметные или выявляемые физиологические изменения. Неблагоприятное влияние на
здоровье имеет место, если биологический эффект выходит за пределы
нормы и не может быть компенсирован организмом, приводя, таким
образом, к развитию пагубных для здоровья последствий. Некоторые
биологические эффекты могут быть безобидными, как, например, реакция организма на усиление кожного кровотока при слабом нагревании под действием ЭМП. Некоторые эффекты могут быть положительными, например, чувство теплоты в холодных условиях, или даже
приводить к благоприятным последствиям для здоровья, например,
Таблица 10.2
Жировая ткань
ε
σ, См/м tg δ
100 Гц
0,03
33
1,5⋅105
2
100 кГц 2⋅10
0,2
150
100 МГц 4,5…22
0,02…0,2 0,7…1,7
100 ГГц 3,5…4,0 0,3…0,4 0,014…0,16
Частота
Косная ткань
σ, См/м
ε
3800±2000 0,023±0,003
280±30
0,024±0,003
23±5
0,057±0,018
8
0,5…0,7
tg δ
1090
15
0,4
0,1
выработка в организме под действием солнечных лучей витамина D.
Однако выявлен ряд биологических эффектов, которые приводят к
отрицательным последствиям для здоровья.
Когда электромагнитные волны проходят через одну среду к другой, они могут отражаться, преломляться, передаваться или поглощаться в зависимости от электрических параметров сред, частоты поля
и угла падения. Поглощенная энергия может превращаться в другие
виды энергии и стать причиной вмешательства в функционирование
биологических систем. Большая часть энергии превращается в тепло.
В среде, характеризующейся большим поглощением электромагнитной энергии (потерями), при значительных уровнях падающих элек197
тромагнитных волн возможны различные физико–химические процессы, вплоть до обугливания, плавления и испарения вещества. Если эта
среда – живой организм, то ему грозят опасные последствия и даже
гибель. Однако не все биологические эффекты, возникающие под действием ЭМП, могут быть объяснены с точки зрения поглощенной
энергии.
Изменяющиеся во времени внешние электрические и магнитные
поля наводят электрическое поле и соответствующие электрические
токи в биологических системах, подверженных воздействию этих полей.
Интенсивность и пространственное распределение наведенных токов и полей зависят как от параметров воздействующего поля, так и от
характеристик подверженных воздействию биологических систем.
Электрические свойства биологических систем различаются для
различных типов тканей и определяются диэлектрической проницаемостью, электрической проводимостью и тангенсом угла диэлектрических потерь (табл. 10.2).
Энергия ЭМП радиочастот взаимодействуют с человеком и другими живыми системами прямым и косвенным путями. Главным прямым механизмом взаимодействия является воздействие токов, наводимых в тканях организмов. Величина и характер воздействия зависят
от частоты и интенсивности ЭМП, а также параметров тканей. Для
частот ниже 100 кГц наблюдается увеличение чувствительности нервных тканей к наведенным токам. Пороговые значения плотности токов
стимуляции нервных и мышечных тканей зависят от частоты и лежат в
пределах от 0,1...1 А/м2 на частоте 300 Гц и до 10...100 А/м2 на частоте
100 кГц. Выше 100 кГц нервные ткани становятся менее чувствительными к прямой стимуляции ЭМП, и основным механизмом взаимодействия становится термализация энергии.
Косвенные пути взаимодействия являются определяющими для
частот ниже 100 МГц. Такие поля в отдельных ситуациях могут становиться причиной специфичного взаимодействия. Например, в случае
нахождения в ЭМП различных металлических объектов на них наводятся высокочастотные напряжения. Контакт тела человека с такими
объектами может стать причиной протекания местных высокочастотных токов большой плотности, способных вызвать, во–первых, удар,
как следствие воздействия на периферическую нервную систему, во–
вторых, ожоги. Величина тока зависит от частоты, напряженности
ЭМП, размера и формы объекта, площади, через которую происходит
контакт.
Как видим из рис.10.1, ЭМП относят к неионизирующим излуче198
ниям, т.к. для разрыва самой слабой водородной связи требуется квантовая энергия 80 МэВ, а максимальная квантовая энергия ЭМП на частоте 300 ГГц составляет всего 1,2 МэВ. Т.е. даже высокочастотное интенсивное излучение не может вызвать ионизацию в биологической
системе, не способно изменить молекулярную структуру, разрушить
любые молекулярные связи. Однако, как говорилось выше, ЭМП может вызвать другие биологические эффекты, например, за счет нагрева
тканей, наведения в них электрических токов и изменения химических
реакций. Широкая распространенность и временная динамика роста
неионизирующих источников ЭМИ заставляет признать данный компонент (ЭМП) более агрессивным фактором среды, чем источники
ионизирующего излучения по отношению к многомиллионным массам
людей – всех тех, кто пользуется современными информационными
технологиями. Ни один из потенциально опасных источников ионизирующего излучения (предприятия атомной промышленности, медицинские приборы (для флюорографии и пр.), аппаратура в аэропортах
и на таможне, оптические приборы) не находятся на минимальном
расстоянии от жизненно важных органов, в отличие от источников
неионизирующего излучения, таких как сотовый телефон. Все они
изолированы, подконтрольны, воспроизводятся в строго ограниченном
количестве.
Перечислим наиболее общие отклонения в здоровье человека, которые были когда–нибудь достоверно доказаны.
1. Общие симптомы: нарушение концентрации внимания, головные боли, боли в области сердца, слабость, общая сонливость, потливость, потеря работоспособности, непреходящая усталость, приступы
головокружения, поверхностный сон, снижение потенции, состояние
внутреннего опустошения, нестабильность температуры тела, аллергические реакции. Появляются раздражительность, потеря внимания,
растёт продолжительность рече–двигательной и зрительно–моторной
реакций, повышается порог обонятельной чувствительности.
2. Самая чувствительная к ЭМП – нервная система. Действие
нейронов отвечает за всю систему условных и безусловных рефлексов,
под действием ЭМП они ухудшают свою проводимость. Это проявляется нарушением памяти, внимания, обострением психических расстройств, функциональными нарушениями центральной и вегетативной нервной систем, изменением электроэнцефалограммы, неврастеническими проявлениями, тремору.
3. Влияние на сердечно–сосудистую систему. Электромагнитные
волны могут вызвать разрушение или слипание эритроцитов, тромбоцитов, стать причиной непроходимости клеточных мембран. В резуль199
тате организм для борьбы с этим воздействием выбрасывает излишние
дозы адреналина, что может негативно сказаться на проводимости
миокарда, стать причиной аритмии, отразиться на артериальном давлении. Под влиянием общего воздействия коротких волн (λ=42 м) наблюдается ускорение свёртываемости крови, повышение количества
тромбоцитов, увеличение вязкости крови, замедление кровотоков. При
воздействии УВЧ поля значительно снижается количество эритроцитов, особенно на 3–4 месяце облучения. После прекращения облучения
их число быстро возвращается к исходному. Аналогичные изменения
наблюдаются и в процентном содержании гемоглобина. Обычно изменения деятельности нервной и сердечно–сосудистой систем обратимы
и, как правило, уменьшаются и исчезают при снятии воздействия ЭМП
и улучшении окружающих условий. Однако длительное и интенсивное
воздействие ЭМП приводит к устойчивым нарушениям и заболеваниям.
4. Любой фактор среды, воздействующий на женский организм во
время беременности и оказывающий влияние на эмбрион, считается
тератогенным. ЭМП относят к этой группе факторов: влияет на развитие плода, особенно в период раннего органогенеза и имплантации
(на этих стадиях биологические процессы могут быть не только нарушены, но и полностью подавлены, т.е. вызывается отторжение эмбриона); вызывает врожденные уродства, вызывает преждевременные
роды. Под действием интенсивных ЭМП у мужчин могут развиться
патологические изменения, повыситься вязкость семенной жидкости,
приводящие к бесплодию.
5. Кумулятивный эффект. Наиболее высока чувствительность организма к многократным воздействием ЭМИ. При этих условиях наблюдается кумулятивный эффект: реакции возникают в результате
ряда воздействий, каждое из которых самостоятельно не вызывает реакции.
Ответная реакция организма на воздействие ЭМП имеет место на
всех уровнях: клеточном, системном и организменном. При этом в
качестве критических выделяются основные системы организма, ответственные за его адаптивный ответ – это нервная, иммунная, эндокринная и половая. Отсюда диапазон заболеваний весьма широк – от
функциональных расстройств нервной системы до развития опухолей
и лейкозов. Таким образом, между полем и биологическими объектами
существуют сложные причинно–следственные связи.
В заключение отметим, что ЭМП все–таки рассматриваются как
болезнетворный фактор. На основании медико–биологических исследований установлены основные симптомы поражений, возникающих
200
при воздействии ЭМП. Их совокупность можно классифицировать как
специфическую болезнь, которую иногда называют «радиоволновой
болезнью». Ее тяжесть находится в зависимости от интенсивности
ЭМП, длительности воздействия, биологической активности различных диапазонов частот, внешних условий, а также от функционального
состояния организма, его устойчивости к воздействию ЭМП, возможности адаптации.
До некоторых значений интенсивности воздействующего ЭМП в
организме действуют пассивные механизмы защиты – реакции приспособления, адаптация, обусловленная быстро реагирующей периферической нервной системой. Адаптационные возможности ограничены, и для их развития требуется длительный эволюционный период.
При длительном и интенсивном облучении за пределами адаптационных возможностей организма вступают в действие механизмы
активной защиты. Их называют компенсаторными, когда регулирование биологических процессов осуществляется центральной нервной
системой. Однако эти возможности также не беспредельны, они ограничиваются истощением защитных резервов организма.
10.4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭМП.
ХАРАКТЕР ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМП
На основе классической теории ЭМП изучается широкий круг вопросов, связанных с количественной оценкой поглощенной, прошедшей и отраженной энергии биологическими объектами.
Под действием ЭМП в вещественной среде возникает: движение
свободных зарядов, смещение зарядов, связанных молекулярной
структурой, изменяется ориентация осей вращения элементарных зарядов магнитных материалов.
Как особая форма существования материи, ЭМП описывается характерными для волновых процессов физическими величинами и параметрами:
• напряженность электрического поля Е (В/м);
• напряженность магнитного поля Н(А/м) или
• магнитная индукция В (Тл),
• длина волны λ (м),
• частота f (Гц),
• амплитуда ЭМИ
• плотность потока энергии (Вт/м2)
• поляризация,
• направление распространения
• вид модуляции, фаза и т.д.
201
Следует помнить, что ЭМП подчиняются принципу суперпозиции,
то есть в одной точке пространства может существовать множество
различных ЭМП.
Излучаемому ЭМП характерно наличие различных зон излучения.
Область вблизи источника (r << λ/2π) ЭМП называется ближней зоной.
В этой зоне волна еще не сформировалась, ЭМП считается квазистатическим, нет определенных соотношений между Е и Н. Поле быстро
убывает с увеличением расстояния от источника Е Θ ~1/r2, Е r ~1/r3. Поэтому для получения полной информации об энергетических характеристиках в обязательном порядке нужно проводить измерения и Е и Н (В).
Область распространения ЭМП с критерием (r >>λ/2π) называется
дальней (волновой) зоной. В этой зоне волна уже сформировалась,
между Е и Н есть определенное соотношение: Е=Zв×Н=377 Ом× Н. Поле убывает с увеличением расстояния от источника Е Θ ~1/r. Поэтому
для получения полной информации об энергетических характеристиках
достаточно измерить Е или Н (В).
Уровень вредного фактора, который не должен вызывать заболеваний или отклонений в здоровье человека, обнаруживаемый современными методами исследования в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений, называется предельно допустимым
уровнем (ПДУ). Установление предельно допустимых уровней ЭМП,
воздействующих на человека или окружающую среду, в целях сохранения здоровья и генетического фонда, называют нормированием.
При проведении электромагнитного мониторинга не следует забывать о структуре поля, которая в общем случае может быть весьма
сложной и представлять собой до шести компонент напряженности
электрического и магнитного полей. В отечественной и зарубежной
санитарно–гигиенической практике принята энергетическая концепция
учета отдельных составляющих поля. Если в данной точке пространства создается электромагнитное поле, описываемое несколькими несинфазными пространственными компонентами в декартовой Ex, Ey и
Ez (или Нx, Нy и Нz) или цилиндрической Er и Ez (или Hϕ) системах координат (это характерно для полей вблизи антенн в виде одиночных
вертикальных вибраторов, работающих в НЧ, СЧ и ВЧ диапазонах), то
суммарная напряженность поля ЕΣ (или НΣ) от каждого такого технического средства определяется следующим образом:
EΣ = E x2 + E y2 + E z2 , EΣ = Er2 + E z2 ;
H Σ = H x2 + H y2 + H z2 , H Σ = H ϕ .
202
С критериями оценки опасности ЭМП тесно связан характер воздействия, под которым понимают совокупное загрязнение окружающей среды ЭМП и другими факторами. Характер воздействия ЭМП
может быть:
1. Изолированным – от одного источника ЭМП. В этом случае
оценка опасности электромагнитной обстановки производится непосредственно по предельно допустимому уровню ЭМП, определяемому
по виду и рабочей частоте технических средств. В настоящее время все
труднее привести пример полностью изолированного воздействия
ЭМП. Это, например, воздействие ЭМП от ЛЭП или от сотового телефона за чертой города.
При изолированном воздействии, естественно, что в качестве критерия выступает предельно допустимый уровень поля, и в заданных
координатах для обеспечения электромагнитной безопасности должно
выполняться условие:
E [P, G , R, f (θ), f (ϕ)] ≤ E ПДУ
или
ППЭ[P, G, R, f (θ), f (ϕ)] ≤ ППЭ ПДУ .
Здесь Р – мощность, G– коэффициент усиления антенны, R–
расстояние, f(Θ), f(φ)– характеристики направленности излучающего
объекта.
2. Сочетанным – от двух и более источников ЭМП, имеющих
одинаковую величину предельно допустимого уровня одного и того же
нормируемого параметра. Например, радиотехнический объект оборудован несколькими излучающими техническими средствами, работающими в одном нормируемом диапазоне частот, в этом случае имеет место сочетанное воздействие, при котором суммарная напряженность поля E Σ или H Σ определяется по формулам:
E Σ = E12 + E 22 + ... + E n2 , H Σ = H 12 + H 22 + ... + H n2 ,
где Е1, Е2 ,..., Еп , H 1 , H 2 ,..., H п – напряженность поля, создаваемая
каждым техническим средством в определяемой точке как функция
E [P, G , R, f (θ), f (ϕ)] или H [P, G, R, f (θ), f (ϕ)] .
Для случая нескольких технических средств, работающих при одной и той же нормируемой плотности потока энергии, суммарная
плотность потока энергии ППЭΣ определяется по формуле:
ППЭΣ = ППЭ1 + ППЭ2 + ... + ППЭп
,
203
где ППЭ1, ППЭ2 ,..., ППЭп – плотность потока энергии, создаваемая
каждым техническим средством в определяемой точке как функция
ППЭi [ Pi , Gi , Ri , f i (θ), fi (ϕ)] .
Критерием оценки электромагнитной обстановки в этом случае
тоже является предельно допустимый уровень поля, установленный
для диапазона частот, в котором работают все технические средства, и
должно выполняться условие для суммарного поля:
E Σ ≤ E ПДУ или ППЭΣ ≤ ППЭ ПДУ .
3. Смешанным – от двух и более источников ЭМП, имеющих различные величины предельно допустимых уровней одного или различных нормируемых параметров. Это самый распространенный для человека характер воздействия ЭМП. Где бы человек не находился в
пределах селитебных территорий и территорий предприятий, везде он
подвержен воздействию ЭМП различных диапазонов и интенсивностей. Напряженность поля E1 , E 2 , ... E n , H 1 , H 2 , ... H n и плотность
потока энергии ППЭ1 , ППЭ2 , ... ППЭn , создаваемые всеми источниками, должны соответствовать следующему критерию безопасности:
2
 Е1   Е 2
 +
КБ = 
 Е ПДУ 1   Е ПДУ 2

 
2
2


 + ... +  Е п

 Е ПДУп


2
2

 +


2
 H1   Н 2 


 +
 + ... +  Н n  +
+
 H ПДУ 1   Н ПДУ 2 
 H ПДУn 

 



ППЭ п
ППЭ1
ППЭ2
+
+
+ ... +
≤ 1,
ППЭ ПДУ 1 ППЭ ПДУ 2
ППЭ ПДУп
где Е ПДУ 1, Е ПДУ 2 ,..., Е ПДУп , Н ПДУ 1, Н ПДУ 2 ,..., Н ПДУп – предельно допустимая
напряженность
поля
для
каждого
источника;
ППЭПДУ 1, ППЭПДУ 2 ,..., ППЭПДУп – предельно допустимая плотность
потока энергии для каждого источника; КБ – критерий безопасности.
Анализ исследований смешанного воздействия электромагнитных
полей показывает, что в большинстве случаев нельзя считать обоснованным мнение об установлении эффекта суммирования (аддитивности) при облучении полями различных нормируемых диапазонов.
Кроме того, под влиянием различных факторов может происходить
потенцирование воздействия полей отдельных диапазонов и частот.
4. Комбинированным – в случае воздействия ЭМП и какого–либо
другого неблагоприятного загрязняющего фактора (шум, вибрация,
предельные температуры, повышенное содержание газов, загрязняю204
щих атмосферу). Сейчас такие условия все чаще и чаще наблюдаются
для человека.
Сочетанное, смешанное и комбинированное воздействие ЭМП
предполагает введение критериев и алгоритмов, по которым производится оценка состояния окружающей среды.
Воздействие может быть постоянным и прерывистым. Типичным случаем прерывистого воздействия является облучение от сканирующих антенн радиолокационных станций.
Воздействию может подвергаться все тело человека (общее облучение) или части тела (локальное облучение), например, в случае
облучения ЭМП радиотелефона.
Выводы по теме
1. В результате постоянного увеличения в окружающей среде
антропогенных источников электромагнитной энергии самого различного характера и с самыми разнообразными спектрами излучаемых
полей электромагнитная обстановка в биосфере постоянно усложняется.
2. Уровень электромагнитного загрязнения приобретает глобально опасный характер, что подчеркнуто Всемирной Организацией
Здравоохранения в 1995 году введением термина «глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды».
3. ЭМП рассматривается как абиотический фактор, поэтому закон действия ЭМП на любые параметры жизнедеятельности организмов тот же, что и для любых абиотических факторов.
4. Гипогеоэлектромагнитные условия, когда уменьшено или отсутствует магнитное или электрическое поле Земли, приводят к стрессовому состоянию организма и, в конце концов, могут привести его к
гибели.
5. Неблагоприятное влияние на здоровье имеет место, если биологический эффект выходит за пределы нормы и не может быть компенсирован организмом, приводя, таким образом, к развитию пагубных для здоровья последствий.
6. Эффект воздействия ЭМП на биологические объекты с точки
зрения классической электродинамики зависит от количества поглощенной энергии ЭМП за определенный промежуток времени.
7. ЭМП подчиняются принципу суперпозиции, то есть в одной
точке пространства может существовать множество различных ЭМП.
Характер воздействия ЭМП может быть: изолированным, сочетанным,
смешанным и комбинированным.
8. Воздействие может быть постоянным и прерывистым.
205
9. Воздействию может подвергаться все тело человека или части
тела.
10. Тяжесть «радиоволновой болезни» находится в зависимости
от интенсивности ЭМП, длительности воздействия, биологической
активности различных диапазонов частот, внешних условий, а также
от функционального состояния организма, его устойчивости к воздействию ЭМП, возможности адаптации.
Вопросы для самопроверки
1. Привести классификацию антропогенных загрязнений.
2. Перечислите электромагнитные поля биосферы земли.
3. Изобразите зависимость показателей жизнедеятельности организмов от ЭМП как от абиотического фактора.
4. Гипогеоэлектромагнитные условия. Чем они опасны для человека?
5. Какие положительные (отрицательные) биологические эффекты могут оказывать ЭМП?
6. Какие физические величины определяют электрические свойства биологических систем и различных типов тканей?
7. Какими путями энергия ЭМП радиочастот взаимодействует с
человеком и другими живыми системами?
8. Какими физическими величинами и параметрами, характерными для волновых процессов, описываются ЭМП?
9. Подчиняются ли ЭМП принципу суперпозиции и в чем он заключается?
10. Перечислите основные направления исследований в области
электромагнитной экологии.
11. Какой уровень ЭМП называют предельно допустимым?
12. Почему отрасль связи – основной поставщик электромагнитной энергии в окружающую среду?
13. Какие тенденции в развитии излучающих технических средств
заставляют обращать пристальное внимание на вопросы электромагнитной экологии?
14. Причины ухудшения экологической ситуации по электромагнитному фактору?
15. Дайте определение критерию безопасности. Как его определить? Какой величины он не должен превышать?
16. Какой характер воздействия ЭМП называется изолированным
(сочетанным, смешанным, комбинированным)?
206
Тематика рефератов
1. Биологически активные параметры ЭМП.
2. Влияние ЭМП на здоровье человека.
3. Влияние ЭМП на растения (животных)
4. Методы и средства анализа ЭМП в окружающей среде.
5. Отличия влияний на биологические организмы ионизирующего и
неионизирующего излучений.
Тестовые задания
1. Термин «глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды» введен...
1) Законом Российской Федерации; 2) ЮНЕСКО;
3) Организацией Объединенных Наций;
4) Всемирной Организацией Здравоохранения.
2. Биологические эффекты, возникающие в биосистеме под действием электромагнитного поля (ЭМП):
[1] изменение химических реакций
[2] ионизация в биосистеме
[3] ослабление интенсивности геомагнитного поля
[4] нагревание биологических тканей
3. Электромагнитное поле это антропогенное загрязнение…
1) биологическое 2) материальное
3) гигиеническое 4) энергетическое
4. Комбинированный характер воздействия ЭМП это воздействие:
1) от одного источника;
2) от двух и более источников, имеющих различные ПДУ одного
параметра (или различные нормируемые параметры);
3) ЭМП и какого–либо другого неблагоприятного загрязняющего
фактора (материального или энергетического);
4) от нескольких источников, имеющих одинаковую величину
ПДУ нормируемого параметра.
5. Электрические свойства биологических тканей зависят от
1) диэлектрической проницаемости 2) массы
3) интенсивности падающего поля 4) размеров
6. Сочетанный характер воздействия ЭМП это воздействие:
1) от одного источника;
2) от двух и более источников, имеющих различные ПДУ одного
параметра (или различные нормируемые параметры);
207
3) ЭМП и какого–либо другого неблагоприятного загрязняющего
фактора (материального или энергетического);
4) от нескольких источников, имеющих одинаковую величину
ПДУ нормируемого параметра.
7. Нормирование электромагнитного поля (ЭМП) в окружающей
среде это ...
1) учет дозы полученного облучения;
2) расчет ЭМП вблизи излучающих объектов;
3) измерение ЭМП в местах пребывания человека;
4) установление предельно допустимого уровня ЭМП.
8. Размерность напряженности электрического (магнитного) поля:
1. Вт/см2; 2. В/м;
3. (Вт/м2)ч;
4. А/м.
9. Источниками электромагнитного загрязнения являются:
[1] экранированные помещения; [2] телекоммуникации;
[3] промышленные, научные и медицинские установки с использованием ЭМП; [4] строительная техника; [5] электротранспорт; [6]
энергетика.
10. Электромагнитное поле – фактор окружающей среды
1) биотический; 2)физический; 3) биологический; 4) абиотический.
11. Виды телекоммуникаций, создающих электромагнитные загрязнения в окружающей среде:
[1] спутниковые системы передачи; [2] системы подвижной связи;
[3] электропроводка в доме; [4] радиосвязь и радиовещание;
[5] телевидение; [6] строительные организации.
12. Смешанный характер воздействия ЭМП это воздействие:
1) от одного источника;
2) от двух и более источников, имеющих различные ПДУ одного
параметра (или различные нормируемые параметры);
3) ЭМП и какого–либо другого неблагоприятного загрязняющего
фактора (материального или энергетического);
4) от нескольких источников, имеющих одинаковую величину
ПДУ нормируемого параметра.
13. При изолированном воздействии электромагнитного поля в качестве критерия оценки электромагнитной обстановки используется ...
1) суммарная напряженность поля; 2) критерий безопасности;
3) предельно допустимый уровень напряженности поля;
4) напряженность электрического поля.
208
14. Гипогеоэлектромагнитными условиями для человека являются
1) уменьшение или отсутствие электромагнитного поля естественного происхождения
2) совместные действия полей искусственного и естественного
происхождения
3) электромагнитные бури в атмосфере Земли
4) повышенные уровни полей искусственного происхождения
15. Виды технических средств, создающих ЭМП:
[1] радиосвязь и радиовещание; [2] телевидение; [3] мониторы;
[4] буровые установки;[5] ЛЭП; [6] газопроводы; [7] печи СВЧ.
16. Характер воздействия электромагнитного поля (ЭМП) бывает…
1) фатальным; 2) сочетанным; 3) стационарным; 4) летальным.
Лекция 11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭКОЛОГИЯ.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Детализированные цели изучения раздела
Формирование у студента системы необходимых знаний
–о принципах и способах нормирования ЭМП для населения и
производственного персонала;
–о дозиметрическом подходе при анализе влияния ЭМП на биологические объекты;
–о принципах расчетного прогнозирования электромагнитных полей вблизи излучающих технических средств;
– о методах и средствах защиты от ЭМП;
– об электромагнитной безопасности комплексов излучающих технических средств.
ВВЕДЕНИЕ
При оценке воздействия ЭМП на организм человека длительное
время наблюдалось столкновение двух точек зрения.
Первая из них принадлежала врачам гигиенистам, которые, заботясь о здоровье человека, старались дать абсолютно нереальные предельно допустимые уровни, иногда не задумываясь об экономических
и технических возможностях их реализации.
Вторая точка зрения отстаивалась инженерами, эксплуатирующими технические средства, руководителями радиотехнических объектов
и ведомств, которые вопреки мнению гигиенистов готовы были не
209
иметь вообще никаких нормативов и проповедовали абсолютную безвредность всего и вся.
Разумная альтернатива реализуется научно–обоснованными нормативами.
В 1953 году американский ученый Г. Шван предложил считать
предельно допустимой для человека плотность потока энергии, равную 100 мВт/см2. Такой уровень повышает температуру облучаемого
объекта или участка не более, чем на 1ºС, и вызывает эффекты сопоставимые с происходящими в организме при естественных физиологических процессах. Эта регламентация давала 10–кратный запас по отношению к условиям, вызывающим тепловое поражение. В 1956 году
этот предельно допустимый уровень для диапазона частот от 10 МГц
до 100 ГГц был введен Американским национальным институтом
стандартов, как для производственного персонала, так и для населения. Этот же уровень был позже принят в качестве предельно допустимого многими западными странами.
Проблема нормирования очень сложна. Специалисты сталкиваются с различными аспектами этой проблемы.
Во–первых, это медико–биологические аспекты, которые включают
необходимость
проведения
гигиенических,
клинико–
физиологических и экспериментальных исследований.
Гигиенические исследования заключаются в обнаружении ЭМП,
обследовании рабочих мест, уровней и режимов облучения, выявлении
биологически активных параметров и пр.
Клинико–физиологические исследования включают обследование
людей, подверженных облучению, анализ статистики и видов заболеваний, сравнение с необлученными категориями людей и т. д.
Экспериментальные исследования заключаются в проведении исследований на реальных биологических объектах и предполагают весь
комплекс научно–исследовательских работ, связанных с облучением
животных, наблюдением за ними, сравнением с контрольными группами и т. д. По окончании режимов облучения животных исследуют по
многочисленным тестам: берут анализы, исследуют ткани и функциональные системы. Количество таких тестов достигает нескольких десятков. Сравнивая результаты исследований для облучаемых животных и животных контрольной группы, делают выводы о степени влияния ЭМП на выбранный вид животных. Затем по принятым в медико–
биологической практике методикам пересчитывают установленные
для животных предельно допустимые уровни на человека.
Экспериментальные исследования на человеке, как правило, не
проводятся. Это связано с тем, что в экспериментах создаются уровни
210
поля, которые могут навредить здоровью человека. Только в последнее
время стали проводить исследования по влиянию ЭМП радиотелефонов на добровольцах. Электромагнитные условия проведения таких
экспериментов практически не отличаются от условий обычного сеанса телефонного разговора. В свое время, широкое распространение
получили фантомные исследования (на модели человеческого тела или
его части в натуральную величину, выполненные из материалов,
имеющих такие же электрические характеристики, как и биологические ткани).
Во–вторых, это технические аспекты. Для проведения экспериментальных исследований необходимо создание технической базы –
это разработка генераторного оборудования и облучающих систем,
определение необходимого набора измерительной аппаратуры, создание системы жизнеобеспечения животных и т.д. Для проведения электродинамического моделирования необходимо иметь сравнительно
мощный компьютер, разработать или приобрести соответствующее
программное обеспечение, а также создать или приобрести компьютерную модель тела человека.
В–третьих, это экономические аспекты, то есть необходимость
финансирования всего комплекса работ по нормированию ЭМП.
В–четвертых, социально–психологические аспекты. Разработка и
введение нормативов приводят к появлению в обществе различных
форм электромагнитной фобии (навязчивого состояния страха). Это
часто провоцируют и средства массовой информации.
Существует и научно обоснован целый комплекс организационных
и технических мероприятий по защите окружающей среды и человека
от воздействия электромагнитных полей. К ним относятся, в первую
очередь, «пассивные» методы защиты
• защита расстоянием (организация санитарных зон),
• временем (ограничение времени пребывания в электромагнитных полях),
• экранирование (применение поглощающих и отражающих материалов),
• градостроительные мероприятия (озеленение, специальная планировка прилегающих к излучающим объектам районов, использование естественного и создание затеняющего
искусственного рельефа местности) и т.д.
Развитие методов анализа полей вблизи излучателей позволило совершенствовать «активные» методы защиты, к которым следует отнести
• уменьшение излучаемых мощностей,
211
перенос и
реконструкцию излучающих элементов,
• изменение режимов работы технических средств и т.д.
Очевидно, что все методы активной защиты применимы для населения. Важным направлением, способствующим решению задач «активной» защиты, является классификация излучателей по степени экологической опасности и разработка излучающих систем с улучшенными экологическими характеристиками.
•
•
11.1. НОРМИРОВАНИЕ ЭМП
Напомним, что нормированием называют установление предельно допустимых уровней ЭМП, воздействующих на человека или окружающую среду, в целях сохранения здоровья и генетического фонда.
Нормирование ЭМП осуществляется в зависимости:
− от частоты ЭМП (с увеличением частоты имеется четкая тенденция уменьшения предельно допустимого уровня, то есть нормы
становятся строже);
− от категории облучаемых людей (население, производственный
персонал, пользователи (ПК, сотовых телефонов));
− от вида технических средств (телевидение, сотовая связь, радиолокаторы, ЛЭП, печи СВЧ, видеодисплейные терминалы и т. д.).
В отечественных нормативных документах нормирование ЭМП
производится отдельно для производственного персонала и населения. Среди производственного персонала иногда выделяют контингент профессионально связанный и не связанный с производством
работ в ЭМП.
При этом учитывается, что население может облучаться круглосуточно, а производственный персонал может попадать в ЭМП только в
течение рабочей смены на производстве – 8 часов. Кроме того, диапазон состояний организма у населения значительно шире (от ребенка до
пожилого человека, от здорового человека до тяжело больного), чем у
производственного персонала, который к тому же в условиях работы с
ЭМП подвергается периодическим медицинским обследованиям и
часто получает различные виды материальной и социальной помощи.
В связи с этим ПДУ для производственного персонала в 2…3 раза выше, чем для населения.
Предельно допустимые уровни ЭМП на производстве не должны
превышаться на рабочих местах производственного персонала, а для
населения – на селитебной территории, под которой понимается тер-
212
ритория населенных пунктов, отведенная под жилые кварталы, общественные здания, парки, бульвары и т.п.
Для населения гигиенические требования к объектам, излучающим
электромагнитную энергию в окружающую среду в радиочастотном
диапазоне, определяются Государственными нормативными документами.
В последнее время выделяют еще одну категорию облучаемых –
пользователи сотовых телефонов. Для них установлены не ПДУ, а
ВДУ – временно допустимые уровни, т.к. мы первое поколение, которое ими пользуется, и оценить влияние на последующие поколения
не представляется возможным. Напомним, что опасность сотового телефона заключается в том, что его излучение происходит в непосредственной близости от жизненно важных органов человека (например,
головного мозга).
Предельно допустимые уровни ЭМП устанавливаются
в диапазоне частот до 300 МГц по
• напряженности электрического поля Е (В/м);
• напряженности магнитного поля Н (А/м) или
• индукции магнитного поля В (Тл);
Таблица 11.1
НПДУ,
А/м
ЕПДУ,
В/м
30–50
МГц
0,03–3
МГц
30–300
МГц
3–30
МГц
0,03–3
МГц
Время
воздействия,
Т, ч
0,30
0,32 0,34 0,38 0,42 0,45 0,60 0,85 1,2
14,2 20
3,00
5
5,3
5,8
6,3
7,1
7,6
10
10
11
12
13
14
15
20
28
40
80
30
32
34
37
42
48
59
84
118
296
50
53
58
63
71
82
100 141 200
500
8,0 и
более
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,5
50
0,08 и
менее
1мТл соответствует 800 А/м.
В диапазоне частот выше 300 МГц предельно допустимые уровни устанавливаются по плотности потока энергии ППЭ в Вт/м2
(мВт/см2 и мкВт/см2).
В таблицах 11.1 и 11.2 приведены ПДУ для производственного
персонала, профессионально связанного с производством работ в ЭМП
в зависимости от времени воздействия.
213
Таблица 11.2
ППЭПДУ,
мкВт/см2
Время
воздействия
Т,ч
25
29
33
40
50
67
100
200
400
800
1000
8,0 и
более
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,5
0,25
0,20
и
менее
При нормировании ЭМП для производственного персонала принят, так называемый, дозный подход, при котором по аналогии с радиоактивным излучением нормируется предельная доза энергии, поглощаемая телом человека в электромагнитном поле. Такой подход
позволяет учитывать временной фактор и оценивать опасность ситуации, при которой человек в течение рабочей смены должен работать в
электромагнитных полях различных уровней и частотных диапазонов.
Дозу облучения ЭМП, приведенную к одному часу называют энергетической экспозицией – ЭЭ (иногда энергетической нагрузкой – ЭН).
В диапазоне частот до 300 МГц энергетическая экспозиция для
электрического поля ЭЭЕ нормируется в (В/м)2⋅ч, а для магнитного
поля ЭЭН в (А/м)2⋅ч.
В диапазоне частот выше 300 МГц энергетическая экспозиция
нормируется по плотности потока энергии ЭЭППЭ – размерность
Вт⋅ч/м2 (мкВт⋅ч/см2).
Таблица 11.3
ЭЭ ппэ,
–
–
–
200
ЭЭн
(А/м)2 ч
200
не разработаны
0,72
не разработаны
–
ЭЭЕ
(В/м)2 ч
20000
7000
800
800
–
Диапазоны частот
МГц
0,03–
3
3–30
30–50
50–300
300 –
300000
Предельно
допустимая
энергетическая
экспозиция
–
(мкВт·ч/см)2
ЭЭ Е = Е 2 ⋅ Т, (В/м) 2 ⋅ ч
ЭЭ H = Н 2 ⋅ Т, (А/м) 2 ⋅ ч
ЭЭппэ = ППЭ ⋅ Т, (Вт/м 2 )ч
В диапазоне частот до 300МГц должны соблюдаться следующие
условия
214
 ЭЭ Е   ЭЭ Н 

+
 ≤ 1,
 ЭЭЕПДУ   ЭЭНПДУ 

 

а в диапазоне частот свыше 300МГц – следующее условие
ЭЭ ППЭ
≤ 1.
ЭЭППЭ ПДУ
Эффект воздействия ЭМП на биологические объекты с точки зрения классической электродинамики зависит от количества поглощенной энергии ЭМП за определенный промежуток времени, то есть дозы
облучения.
Конечной целью анализа уровня воздействия ЭМП является картина распределения поглощенной энергии по биологическому объекту,
либо усредненные по отдельным участкам (органам) величины поглощенной энергии. В практике мировой дозиметрии введен параметр
SAR (Specific Absorbed Rate) – удельная поглощенная мощность
(УПМ), который представляет собой поглощенную энергию ЭМП единицей массы биологического объекта, и имеет размерность ватт на
килограмм (Вт/кг) или милливатт на грамм (мВт/г). Этот параметр
можно усреднять по общей массе биологического объекта, либо по его
отдельным частям (органам), либо определять дифференциальное значение в виде отношения поглощенной энергии бесконечно малым элементом объема к его массе.
Для того чтобы поля радиочастот могли вызвать отрицательные
последствия для здоровья величина УПМ должна превышать 4 Вт/кг.
Среднее значение УПМ изменяется в зависимости от биологических объектов, как показано на рис. 11.1 для человека, обезьяны и
мыши (плотность потока энергии ЭМП равна 10 Вт/м2). Различные
эффекты воздействия, выявленные медико–биологическими исследованиями, хорошо согласуются с положениями теории электродинамики. Так, например, резонансный характер зависимостей легко объясняется, а сам резонанс вычисляется, применением аналогии между биологическими объектами и вибраторными антеннами. Част
Частотный резонанс у вибраторных антенн наблюдается в области
длин волн, при которых длина вибратора кратна половине длины волны. Резонанс УПМ в области 70 МГц для человека соответствует длине волны равной 4,3 метра (половина длины волны 2,15 метра).
С учетом коэффициента укорочения (1,3...1,2) для вибраторной
антенны, эквивалентной по размерам росту и поперечному сечению
туловища среднего человека, резонанс должен наблюдаться при длине
вибратора 2,15, что с учетом коэффициента укорочения составит
1,65...1,8 метра.
215
Эти значения соответствуют росту среднего человека. Аналогичные расчеты для мышей на частоте 2450 МГц дают резонансные размеры 4,7...5,1 сантиметра, что соответствует реальным размерам мышей.
Известный эффект увеличения УПМ в области шеи и ног человека
объясняется увеличением плотности токов проводимости за счет
уменьшения поперечного сечения человека, как вибратора, на этих
участках. Появление на более высоких частотах «горячих точек» внутри биологических объектов связано с резонансными явлениями, аналогичными явлениям, происходящим в объемных резонаторах различных
геометрических размеров.
СредняяУПМ,
Вт/кг
101
100
Обезьяна
300 МГц
Человек
70 МГц
Мышь
2450 Мгц
10-1
10-2
10-3
10
102
103
Частота, МГц
Рис. 11.1 – Средняя УПМ для трех биологических объектов
Резонансная частота «горячих точек» легко вычисляется по геометрическим размерам резонаторов, в качестве которых выступают
однородные по электрическим параметрам отдельные органы биологических объектов. Поверхностное поглощение энергии ЭМП на частотах более 3 ГГц объясняется скин–эффектом, то есть уменьшением
глубины проникновения ЭМП в среды с конечной проводимостью с
увеличением частоты падающего поля (табл. 11.4). Глубина проникновения ЭМП в различные ткани указана в сантиметрах.
216
Таблица 11.4
Глубина проникновения ЭМП, см
Ткань
Нервная (косн. мозг) мозг
Нервная (головн. мозг)
Хрусталик глаза
Соединительная (кровь)
Мышечная
Эпителиальная (кожа)
100
МГц
22,9
3,55
9,42
2,86
3,45
3,76
200
МГц
20,66
4,13
4,39
2,15
2,32
2,78
400
МГц
18,37
2,07
4,23
1,79
1,84
2,18
1
ГГц
11,90
1,93
2,91
1,40
1,46
1,64
3
ГГц
9,92
0,47
0,50
0,78
–
0,64
10
ГГц
0,34
0,16
0,17
0,14
0,31
0,18
Одним из действующих факторов является УПМ, усредненная по
всему телу или по частям тела. Усредненная по всему телу УПМ является широко используемым критерием при оценке вредных эффектов
радиочастотного воздействия, особенно для частот выше 10 МГц. Усредненные по частям тела величины УПМ являются необходимыми
для того, чтобы оценить и ограничить рассеяние энергии в малых иногда особенно чувствительных к воздействию объемах тела (например,
голова) и для того, чтобы избежать перегрева частей тела, появляющегося в результате специфичных условий воздействия. Примерами таких условий являются:
− руки человека при настройке радиочастотного оборудования;
− заземленный человек, подверженный воздействию радиочастотного поля в нижней части мегагерцового диапазона;
− люди, подверженные воздействию ближним полем антенн;
− люди, подверженные воздействию более высокого участка
частотного диапазона, где глубина проникновения радиочастотного
поля низка.
В качестве воздействующего фактора могут рассматриваться напряженность наведенного электрического поля или плотность тока.
Радиочастотные поля могут наводить достаточно высокие плотности
тока, которые стимулируют возбудимую ткань (нервную или мышечную) или создают другие вредные эффекты, особенно на частотах ниже 100 кГц. Пороговые значения для биологических эффектов обозначаются в терминах плотности тока и сильно зависят от частоты.
Для частот поля ниже 100 кГц контакт человека с таким объектом
может привести к стимуляции электрически возбудимой ткани с болевыми ощущениями и более тяжелым эффектам (ожогам), если плотность тока достаточно высока. Для частот, лежащих между 100 кГц и
100 МГц, риск ожога от контактного тока будет преобладающим.
Отметим, что в последнее время развивается информационная
217
теория воздействия ЭМП, основанная на концепции взаимодействия
внешних полей с внутренними полями организмов. Это происходит
при достаточно малых уровнях облучения. Исследованиями обнаружили резонансный характер нетеплового воздействия, которое наблюдается на частотах, близких к собственным частотам колебаний биологических молекул и надмолекулярных систем. Вероятно, такое воздействие существует и при больших интенсивностях облучения, но маскируется тепловыми эффектами.
Рассмотрим нормы ПДУ ЭМП, приводимые в нормативных документах.
СанПиН 2.2.2/2.4.1340–03 – Гигиенические требования к персональным электронно–вычислительным машинам (ПЭВМ) и организации работы
Временные допустимые уровни ЭМП, создаваемых ПЭВМ
Таблица 11.5
Наименование параметров
ВДУ ЭМП
Напряженность
в диапазоне частот 5 Гц – 2 кГц
25 В/м
электрического по- в диапазоне частот 2 кГц – 400 кГц
2,5 В/м
ля
Магнитная индук- в диапазоне частот 5 Гц – 2 кГц
250 нТл
ция
в диапазоне частот 2 кГц – 400 кГц
25 нТл
Электростатический потенциал экрана видеомонитора
500 В
СанПиН 2.1.2.1002–00 – Санитарно–эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям
Таблица 11.6
0,03–
0,3
Объект
– территория жилой застройки и мест
массового отдыха, общественных и
производственных зданий, не требующих санитарных зон;
25
В/м
Диапазон частот, МГц
0,3–
3–
30–
300–
3
30
300
300000
15
В/м
10
В/м
3
В/м
10
мкВт/см2
Таблица 11.7
В жилых зданиях
ПДУ ЭП f=50 Гц
ЕПДУ =0,5 кВ/м.
на территории жилой застройки
от воздушных линий электропередачи переменного тока
ЕПДУ =1 кВ/м
218
На расстоянии 0,2 м от
стен и окон и на высоте
0,5 – 1,8 м от пола
На высоте 1,8 м от поверхности земли.
Гигиенический норматив ГН 2.1.8/2.2.4. 2262–07
Таблица 11.8
№
f= 50 Гц
Тип воздействия, территория
п/п
В,мкТл (Н,А/м)
1 В жилых помещениях, детских, дошкольных, школьных,
5(4)
общеобразовательных и медицинских учреждениях
2 В нежилых помещениях жилых зданий, общественных и
административных зданиях, на селитебной территории,
в том числе на территории садовых участков
3 В населенной местности вне зоны жилой застройки, в
том числе в зоне воздушных и кабельных линий электропередачи напряжением выше 1 кВ; при пребывании в
зоне прохождения воздушных и кабельных линий электропередачи лиц, профессионально не связанных с эксплуатацией электроустановок
4 В ненаселенной и труднодоступной местности с эпизодическим пребыванием людей
10(8)
20(16)
100(80)
СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190–03–Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи.
ПДУ воздействия ЭМП базовых станций на рабочих местах персонала
Таблица 11.9
Нормируемые параметры
Диапазоны частот, МГц
27<= f < 30 30 <= f <
300<= f <=2400
300
2
Предельно допустимое
7000(В/м)2ч 800(В/м)2ч
200(В/м) ч
значение ЭЭ
Максимальный ПДУ
296 В/м*
80 В/м*
1000мкВт/см2*
2
ПДУ для Т >= 8 ч за смену
30 В/м
10 В/м
25 мкВт/см
Примечание: * – в диапазоне частот 27 МГц <= f < 300 МГц – для Т <= 0,08 ч;
в диапазоне частот 300 МГц <= f <= 2400 МГц – для Т <= 0,2 ч.
219
СанПиН 2.2.4.1191–03– ЭМП в производственных условиях.
Таблица 11.10
при
воздействии ≤ 1 час
более 1 часа за
смену
tДОП = (60/ЕФАКТ)2
Электростатическое поле
ЕПДУ =60 кВ/м.
ЕПДУ=60/t0.5
t – время воздействия (час).
20 – 60 кВ/м
Допускается без средств защиты
ЕФАКТ – измеренное значение напряженности ЭСП (кВ/м).
>60 кВ/м
работа без средств защиты не допускается.
<20 кВ/м
время пребывания не регламентируется
ПДУ ЭМП f=50 Гц
8ч
ЕПДУ =5 кВ/м.
общее/локальное
НПДУ=80 /800А/м
Т = (50/Е) – 2,
от 5 до 20 кВ/м
10 мин.
от 20 до 25 кВ/м
НПДУ=1600 /6400 А/м
более 25 кВ/м
без средств защиты не допускается.
ПДУ ЭМП диапазона частот 10 – 30 кГц
8 ч.
ЕПДУ =500В/м.
НПДУ=50А/м
до 2 ч
ЕПДУ =1000В/м.
НПДУ=100А/м
ПДУ ЭМП диапазона частот 30 кГц– 300 ГГц
ЕПДУ =500В/м.
ЭЭЕ=20000(В/м)2·ч
≥ 0,03 – 3,0 МГц
НПДУ=50А/м
ЭЭН=200(А/м)2·ч
ЕПДУ =300В/м.
ЭЭЕ=7000(В/м)2·ч
≥ 3,0 – 30,0 МГц
≥ 30,0 – 50,0 МГц
≥ 50,0 – 300,0 МГц
≥ 300,0 – 300000 МГц
ЕПДУ =80В/м.
НПДУ=3А/м
ЕПДУ =80В/м.
ЭЭЕ=800(В/м)2·ч
ППЭ
=1000(5000*),
мкВт/см2
ЭЭппэ=200 (мкВт/см2)·ч
ЭЭЕ=800(В/м)2·ч
ЭЭН=0,72(А/м)2·ч
* для условий локального облучения
кистей рук
Уровни ЭМП, создаваемые антеннами базовых станций на селитебной территории, не должны превышать следующих предельно
допустимых значений:
220
• в диапазоне частот 27 МГц <= f <= 30 МГц – 10,0 В/м;
• в диапазоне частот 30 МГц <= f <= 300 МГц – 3,0 В/м;
2
• в диапазоне частот 300 МГц <= f <= 2400 МГц – 10,0 мкВт/см .
Кроме того, установлены временные допустимые уровни (ВДУ)
воздействия на человека ЭМП, создаваемых подвижными станциями
сухопутной радиосвязи (включая абонентские терминалы спутниковой
связи) непосредственно у головы пользователя. ВДУ электромагнитных
полей не должны превышать следующих значений:
− в диапазоне частот 27 ≤ f < 30 МГц
–
45 В/м;
− в диапазоне частот 30 ≤ f < 300 МГц
–
15 В/м;
− в диапазоне частот 300 ≤ f ≤ 2400 МГц –
100 мкВт/см2.
Обратим внимание, что ВДУ локального облучения головы увеличен в 5… 10 раз в сравнении с общим облучением человека в указанных
диапазонах.
Гигиенические нормативы с частотно зависимыми предельно допустимыми уровнями составляющих напряженности поля или плотности потока мощности, отражающие допустимую степень воздействия
электромагнитного поля, существенно отличаются в различных странах.
В одних стандартах в качестве порога возможных биологических
эффектов рассматривается величина УПМ равная 0,4 Вт/кг, в других
УПМ не должна превышать 4 Вт/кг (усредненная величина на все тело)
для производственного персонала или контролируемых условий и 0,08
Вт/кг для населения или неконтролируемых условий. Этим реализуется
единый подход к гигиеническому нормированию ЭМП для производственного персонала и населения. Различие в значениях предельно допустимых уровней составляет 5 раз по мощности или 5 по напряженности
поля.
Зарубежные национальные стандарты и международные рекомендации допускают существенно более высокие уровни ЭМП для всех
категорий облучаемых людей в сравнении с нормативами России. Считается, что это обусловлено различием в подходах к оценке вредности
воздействующего ЭМП, а именно, ориентацией отечественного нормирования на пороги вредного воздействия, связанные не с тепловыми
эффектами, а со специфическим действием ЭМП, которое наблюдается
на значительно более низких уровнях.
В настоящее время у нас в стране и за рубежом проводятся разносторонние медико–биологические исследования с целью получения новых и уточнения имеющихся гигиенических нормативов. По мнению
экспертов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), сформулированному на основании детального анализа совокупности имеющихся
данных по биологическому действию и клиническим эффектам ЭМП,
221
ПДУ радиочастотных воздействий должны лежать в диапазоне интенсивностей 100...1000 мкВт/см2 с возможным повышением для некоторых частот и условий воздействия и снижением для населения.
Весьма актуальными стали вопросы нормирования воздействия
электромагнитных полей сочетанного (от двух и более источников одного частотного диапазона), смешанного (от двух и более источников
различных частотных диапазонов) и комбинированного (в случае одновременного действия какого–либо другого неблагоприятного фактора).
Такие нормативы охватывали бы комплексы разнодиапазонных технических средств.
Для населения не решен вопрос учета в предельно допустимых
уровнях фактора времени так, как это сделано для производственного
персонала.
11.2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ЭМП.
Комплекс решенных проблем электромагнитной экологии составляет систему защиты окружающей среды от электромагнитных полей
(рис. 11.2). Основные элементы системы – нормирование ЭМП, расчетное прогнозирование электромагнитной обстановки, инструментальный контроль и защита от ЭМП.
В гигиенической практике принято, что нормирование ЭМП осуществляется, во–первых, в зависимости от частотного диапазона.
При этом предельно допустимый уровень ЭМП может быть постоянным на каком–либо участке диапазона частот, а может быть частотно
зависимым, что особенно часто наблюдается в зарубежных стандартах.
Во–вторых, ПДУ часто привязываются к видам технических
средств (радиотехнические объекты, телевидение, радиолокационные
станции, видеодисплейные терминалы и т.д.).
В–третьих, в нормативных документах России выделяют различные контингенты облучаемых лиц – население, производственный
персонал, пользователи. Для каждого контингента характерны свои
особенности условий облучения и это, естественно, учитывается при
нормировании. В зарубежных стандартах аналогом такого подхода
является выделение контролируемых и неконтролируемых условий
облучения.
Прогнозирование ЭМП вблизи излучающих объектов может быть
выполнено тремя различными методами: моделирования, аналогий и
экстраполяций, эвристического прогнозирования.
Метод моделирования является основным при проведении санитарной электромагнитной экспертизы излучающих объектов. Применение этого метода заложено в основу составления санитарного пас222
порта излучающего объекта, в котором в обязательном порядке должны быть материалы расчетов ЭМП и санитарных зон. Математические
модели расчетного прогнозирования закладываются в нормативные
методические документы.
Метод аналогий и экстраполяций может применяться для типовых или похожих друг на друга объектов. Такими объектами могут
быть, например, базовые станций сотовой радиосвязи, радиолокационные станции, отдельные радиостанции и т. п. При одинаковом или подобном наборе технических средств и примерно одинаковых условиях
размещения об электромагнитной обстановке нового объекта можно
судить по ее анализу на ранее обследованных объектах.
Метод эвристического прогнозирования (метод экспертных
оценок) может использоваться на этапах предварительного размещения излучающих объектов, для комплексной оценки состояния окружающей среды, в случаях, когда другие методы неприменимы (например, не разработаны модели) или нужна оперативная информация. В
основе метода лежит система получения и соответствующей обработки мнений высококвалифицированных специалистов (экспертов). Прогнозные экспертные оценки основаны на мобилизации профессионального опыта и интуиции.
Рис.11.2. Структура системы защиты окружающей среды и человека от
ЭМП
Расчетное прогнозирование является весьма сложной задачей. Всегда встает вопрос о точности расчетов ЭМП, которая определяется
степенью детализации, как самих излучающих элементов (антенн), так
223
и окружающей обстановки. Выбор методов расчета определяется, с
одной стороны, необходимой точностью прогнозирования, с другой
стороны, сложностью электродинамических моделей. Строгие решения соответствующих электродинамических задач должны приводить
к реальным моделям излучающих объектов. Методы должны быть не
только принципиально реализуемы, но и реализуемы с точки зрения
использования в гигиенической практике электромагнитного прогнозирования, с точки зрения использования доступного парка вычислительной техники. Электромагнитным прогнозированием должны заниматься подготовленные специалисты, знакомые с теорией антенн,
электродинамикой, распространением радиоволн, системными вопросами телекоммуникаций и т.д. В этом случае методы расчета ЭМП в
окружающей среде могут быть достаточно сложными, а, следовательно, и более точными. Формализация процесса электромагнитного прогнозирования хотя и возможна, но требует применения высокопроизводительной вычислительной техники и больших финансовых затрат.
По признаку масштабности электромагнитное прогнозирование
может относиться, с одной стороны, к локальным и суперлокальным,
когда речь идет о прогнозировании ЭМП вблизи отдельных антенн и
комплексов антенн. С другой стороны, электромагнитный прогноз может быть субглобальным (например, карта ЭМП отдельного города) и
глобальным, когда оценивается электромагнитная структура биосферы в
целом.
По числу излучающих средств прогнозирование может быть мультиплетным и охватывать комплексы разнодиапазонных технических
средств, а также сингулярным, относящимся к одному объекту или излучателю.
По характеру связи с другими объектами или загрязняющими факторами электромагнитное прогнозирование является в настоящее время
безусловным. Как нормируемый загрязняющий фактор окружающей
среды, прогнозирование ЭМП не связывается с другими загрязнениями.
Пока не производится гигиеническая оценка комплексного характера
воздействия ЭМП и других загрязнений.
По признаку назначения электромагнитное прогнозирование рассчитано на требования потребителей – органов санитарно–
гигиенического
и
экологического
контроля,
архитектурно–
планировочных организаций и органов управления народным хозяйством.
Для целей санитарно–гигиенического мониторинга расчетное прогнозирование должно производиться по достоверным, апробированным,
научно обоснованным методикам. Разработка таких методик для техни224
ческих средств радиосвязи, радиовещания и телевидения сложная проблема, поскольку эти технические средства работают в очень широком
диапазоне частот, размещаются в различных условиях, их излучающие
системы весьма разнообразны, а прогнозирование часто проводится в
ближней зоне излучателей, где поле имеет сложную структуру. Такие
методические указания (МУК), утверждаются Минздравом России и
имеют статус Государственных методических документов.
Следует отметить, что в практике проектирования излучающих объектов имели место попытки создания математических моделей на основании ряда допущений, приближений и упрощений, верных только для
дальней зоны излучения, не учитывающих полупроводящих свойств
земной поверхности и ориентированных на ручные методы расчета.
Приближенные математические модели были применимы для частных
случаев, давали результаты оценочного характера и неприменимы для
комплексов антенн.
Применение в качестве метода исследования математического моделирования и ориентация расчетных методик на широкое применение
компьютеров предопределили необходимость получения удобных для
этих целей решений соответствующих задач электродинамики.
Методики расчета обычно разрабатываются по группам антенн, отличающихся по принципам действия, диапазонам частот и условиям
размещения.
Первая группа включает антенны НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов, анализ
излучения которых проводится с учетом реальных электрофизических
параметров земной поверхности. Антенны этих диапазонов представляют собой проволочные и вибраторные конструкции. Методики расчета
ближних ЭМП основаны на строгом решении задачи излучения элементарного электрического вибратора, расположенного над полупроводящей поверхностью раздела, с последующим использованием принципа
суперпозиции. Эти решения ориентированны на численные методы расчета, дают весь набор составляющих ЭМП и применимы для распространения на сложные излучающие системы.
Вторая группа антенн – это антенны телевидения, ОВЧ ЧМ вещания
и систем подвижной связи. Эти антенны располагаются высоко над землей, санитарные зоны практически всегда попадают в дальнюю зону.
Поэтому для целей электромагнитной экологии вполне достаточен анализ ЭМП по двухлучевой модели с использованием эксплуатационных
характеристик антенн либо очевидных соотношений для различных типов антенн.
Третья группа – это апертурные антенны, которые используются в
УВЧ и СВЧ диапазонах. Сложность анализа ЭМП апертурных антенн
225
связана с необходимостью расчета полей в ближней зоне, в том числе и
за апертурой, при многообразии амплитудно–фазовых распределений,
особенностях конструкций антенн и необходимости учета излучения
облучателя.
Следует осторожно относиться и к инструментальному исследованию электромагнитной обстановки. Если поставлена цель сравнения
результатов расчета и измерений ЭМП, то измерения следует проводить в условиях, приближенных к моделям, заложенным в основу методик расчета. Так, например, в основе практически всех методик расчета лежит предположение о гладкой однородной подстилающей поверхности земли, о выполнении условий прямой видимости между
точкой наблюдения и излучающими элементами. Измерения в местах
затенения или вблизи различных переизлучающих конструкций могут
привести к непредсказуемым результатам. С другой стороны, контролировать электромагнитную обстановку для целей санитарно–
гигиенической экспертизы необходимо в любых условиях, но в этом
случае сравнивать результаты измерений и расчетов следует с определенной осторожностью, ибо очень легко прийти к некорректным выводам.
Практика контроля показывает, что инструментальная оценка
электромагнитной обстановки вблизи комплексов технических средств
при смешанном воздействии ЭМП порой просто невозможна. Причин
тому много: сложность критериев оценки безопасности; необходимость проведения измерений на высотах зданий перспективной застройки; недоступность отдельных территорий для проведения измерений; специфика работы технических средств, заключающаяся в периодической смене рабочих частот, антенн, направлений излучения;
непрогнозируемые, изменяющиеся по сезонам и суткам окружающие
условия; отсутствие хорошей измерительной аппаратуры, способной
работать в полевых условиях и часто в условиях сложной электромагнитной обстановки и многое другое.
Конечной целью системы защиты окружающей среды и человека
от ЭМП является разработка и внедрение различных защитных мероприятий.
Мероприятия по защите от ЭМП определяются общими методами
защиты, разработанными в теории безопасности жизнедеятельности.
226
Рис.11.3. Классификация методов и средств защиты от ЭМИ РЧ
Первый метод основан на пространственном или временном разделении. Этому соответствует защита расстоянием для населения (организация при необходимости санитарно–защитных зон вокруг излучающих объектов) или контроль времени нахождения производственного персонала в ЭМП с целью не допустить превышения предельно
допустимых доз облучения.
Второй метод состоит в обеспечении безопасного состояния среды, окружающей человека. Этот способ реализуется при защите населения от ЭМП, например, использованием в качестве экранирующих
препятствий лесозащитных полос, искусственных сооружений и естественных природных рельефов. Для производственного персонала этот
способ реализуется экранированием рабочих мест и помещений, либо
экранированием источников излучения.
227
Экраны — устройства, предназначенные для защиты установок от
электромагнитных внешних полей, а также окружающего пространства от полей, создаваемых самой установкой.
Экранирование источников электромагнитного излучения и рабочих мест осуществляется с помощью отражающих или поглощающих
экранов (стационарных или переносных).
Отражающие экраны выполняются из металлических листов, сетки,
ткани с микропроводом и др (табл.11.11). В поглощающих экранах
используются специальные материалы, обеспечивающие поглощение
излучения соответствующей длины волны.
Конструктивное решение экрана может быть различным (замкнутая
камера, щит, чехол, штора и т. п.).
Экранирующие материалы для изготовления средств защиты от ЭМИ
РЧ в диапазоне частот 30МГц до 60 ГГц
Таблица 11.11
Наименование
материала
Толщина,
мм
Диапазон
частот
Ослабление,
дБ
Сталь листовая
Фольга алюминиевая
Фольга медная
Сетка стальная плетеная
Радиозащитное стекло с одно– или двухсторонним полупроводниковым покрытием
Ткань хлопчатобумажная
с микропроводом
Ткань металлизированная
Ткань трикотажная
(полиамид + проволока)
1, 4
0, 08
0, 05
0, 3 – 1, 3
30 МГц ... 40 ГГц
30 МГц ... 40 ГГц
30 МГц ... 40 ГГц
30 МГц ... 40 ГГц
100
80
80
30
6
30 МГц ... 40 ГГц
20–40
—
30 МГц ... 30 ГГц
20–40
—
300 МГц ... 60 ГГц
>40
—
300 кГц ... 30 МГц
15–40
И третий метод защиты от опасностей предусматривает средства,
обеспечивающие адаптацию человека в производственной среде с помощью средства индивидуальной защиты.
Мероприятия по защите от ЭМП традиционно подразделяют на
активные и пассивные меры защиты (см. введение). Активная защита
предполагает воздействие на сам источник излучения и обеспечивается мероприятиями по снижению излучаемой мощности, изменению
характеристик излучающих систем, изменению режимов работы и, как
крайняя мера, вынос объекта с данной территории. Пассивная защита
заключается в проведении организационных или технических меро-
228
приятий на прилегающих к излучающему объекту территориях, или на
конкретных объектах, подверженных воздействию ЭМП.
11.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
КОМПЛЕКСОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Определим излучающие комплексы как совокупность технических
средств телекоммуникационных систем различных назначений и частотных диапазонов, технология которых предполагает излучение электромагнитной энергии в окружающую среду. С одной стороны, концентрация технических средств на ограниченных территориях экономически выгодна с точки зрения прокладки коммуникаций, эксплуатации,
использования и охраны территории и т. д. С другой стороны, для однотипных технических средств обеспечиваются необходимые условия
формирования заданных направленных свойств антенных систем или
условия прохождения радиоволн. Так, например, для технических
средств НЧ и СЧ диапазонов для формирования направленных свойств
антенн требуются значительные территории, а технические средства ВЧ
диапазона при оптимальном ионосферном прохождении радиоволн и
обеспечении круглосуточной работы в принципе представляют собой
несколько передатчиков и несколько антенн.
Технические средства НЧ и СЧ диапазонов используются в основном для радиовещания, организация которого в России практически
завершена и обеспечивается системой радиоцентров, равномерно расположенных по территории. Весьма распространенным случаем является
создание и функционирование крупных передающих центров, на которых все технические средства работают в ВЧ диапазоне. Как правило,
антенны передающих центров ВЧ диапазона располагаются таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечивать любой азимут работы в секторе углов 0…3600, с другой стороны, чтобы не было взаимного затенения работы антенн. Количество антенн на таких центрах достигает 100,
а количество передатчиков – десятки. Площадь антенных полей составляет десятки, и даже сотни гектар.
Учет фактора электромагнитной безопасности при санитарной экспертизе ВЧ радиоцентров отличается особой сложностью. Кроме сложнейших методик расчета электромагнитных полей, следует каким–то
образом учитывать временной фактор воздействия полей, определяемый
волновым расписанием работы технических средств. Кроме того, сложности анализа комплексов, в состав которых входят технические средства ВЧ диапазона, заключаются в большом количестве антенн на антенном поле, их конструктивным разнообразием, отличием принципов ра-
229
боты, сезонными и суточными изменениями в схемах коммутации передатчиков и антенн.
Можно отметить, что комплексы технических средств, в состав которых входят технические средства ВЧ диапазона, самые проблемные
как при проектировании, так и при электромагнитном прогнозировании.
Бурное развитие телекоммуникационных систем и освоение новых
телекоммуникационных технологий привели к появлению нового вида
комплексов технических средств, непосредственно размещаемых на
селитебных территориях. Это комплексы УВЧ, ОВЧ и СВЧ диапазонов.
В состав таких комплексов, как правило, входят технические средства
телевидения, ОВЧ ЧМ радиовещания, базовые станции систем сотовой
и ведомственной (транкинговой) связи, технические средства радиорелейных систем передачи прямой видимости.
В настоящее время количество таких комплексов непрерывно увеличивается. Это значит, что проблемы электромагнитной экспертизы и
обеспечение электромагнитной безопасности таких комплексов весьма
актуальны. Такая ситуация наблюдается во всех городах России.
Как объект исследования и проектирования комплекс излучающих
технических средств телекоммуникаций может иметь:
1. Вертикальную топологию, для которой характерно размещение
антенн излучающего объекта на мачте, башне или какой–нибудь неспециализированной вертикальной конструкции, как, например, на рис.
11.4. Такая топология наиболее часто встречается у комплексов технических средств ОВЧ и УВЧ диапазонов – размещение антенн на телевизионной башне.
2. Горизонтальную топологию, которая характеризуется размещением антенн на технической территории, представляющей собой ровную горизонтальную площадку. Горизонтальная топология, в первую
очередь, характерна для технических средств НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов,
для которых ровная земная поверхность (предполье) обязательное условие обеспечения необходимых направленных свойств. Размещение антенн на крышах зданий тоже можно отнести к категории горизонтальной топологии.
3. Смешанную топологию – это самые общие случаи, когда на технической территории излучающего объекта (площадке) или вблизи нее
находится мачта или башня, с размещенными на ней антеннами излучающих технических средств.
Еще одним весьма важным фактором, который необходимо учитывать при анализе электромагнитной обстановки излучающих объектов
телекоммуникаций, является временная и пространственная устойчи230
вость картины распределения
объеме пространства.
поля в интересующем проектировщика
Турникетная
антенна
Панельные
антенны
Зеркальные
антенны
Вибраторные
антенны
Рис.11.4. Вертикальная топология размещения антенн излучающих
технических средств
Это зависит, во–первых, от тактики работы технических средств,
под которой понимается изменение режимов излучения за счет смены
рабочих частот, коммутации антенн, изменения положения корреспондента в пространстве и т.п. Во–вторых, картина распределения поля
вблизи передающих антенн может зависеть от окружающих условий и, в
частности, от параметров подстилающей поверхности (земли), которые,
в свою очередь, зависят от времени года и состояния атмосферы.
Спутниковые системы передачи (ССП) с точки зрения стабильности
окружающей электромагнитной обстановки можно разделить на две
группы. Первая из них – это ССП, работающие со спутниками, находящимися на геостационарных орбитах. Антенны таких ССП неподвижны,
а следовательно и электромагнитная обстановка практически не изменяется ни во времени, ни в пространстве. Ко второй группе относятся
ССП, в состав которых входят подвижные антенные системы. Естественно, что при отслеживании антенной положения спутника электромагнитная обстановка вблизи ССП будет изменяться, причем наиболее
231
существенные изменения в ней будут наблюдаться при низких углах
положения антенны.
Одним из основных требований, предъявляемых к комплексам излучающих технических средств, является электромагнитная безопасность, которая характеризуется размером и формой санитарных зон,
превышением предельно допустимых уровней поля, направленностью
излучения, излучаемой мощностью, эффективностью антенн и т. д.
С точки зрения электромагнитной безопасности, излучающие технические средства телекоммуникаций можно подразделить на две группы или категории.
Это, во–первых, технические средства массового предоставления
населению услуг телекоммуникаций – программ радиовещания и эфирного телевидения, индивидуальной связи. Особенностью этих технических средств, характеризующей их как принципиально опасные по электромагнитному фактору, является то, что оконечные устройства находятся непосредственно вблизи человека. Главный лепесток характеристик направленности антенн таких технических средств направляется на
селитебную территорию, то есть на человека с его индивидуальными
оконечными телекоммуникационными устройствами (радиоприемники,
телевизоры, радиотелефоны, пейджеры). Естественно, что улучшение
качественных показателей для технических средств этой категории, таких как расширение зоны обслуживания, увеличение устойчивости и
надежности связи, связано с увеличением напряженности поля в местах
пребывания людей. Налицо противоречие между требованиями обеспечения качества связи или вещания и требованиями обеспечения электромагнитной безопасности. Это противоречие разрешается на этапах
размещения таких технических средств.
Для второй категории излучающих технических средств, а к ним
относятся РРСП ПВ (радиорелейные системы передачи прямой видимости), тропосферные радиорелейные системы передачи (ТРРСП) и
ССП, характерно излучение электромагнитной энергии в направлении
на соседнюю станцию или спутник. В главный лепесток характеристики
направленности, как правило, не попадает селитебная территория. В
таких телекоммуникационных системах человек не должен находиться
на линии связи. Обеспечение электромагнитной безопасности связано с
излучением электромагнитной энергии в боковые лепестки либо с рассмотрением ближних полей антенн. К этой категории относятся и технические средства связи и радиовещания диапазона ВЧ, технология которых предполагает работу ионосферным лучом – антенны направляются под углом к горизонту на ионосферу.
232
Таким образом, выделим основной управляемый при проектировании параметр электромагнитной безопасности комплексов излучающих
технических средств – характеристика излучения, под которой будем
понимать все, что касается направленности антенн, их уровня бокового
излучения и ближних полей (рис.11.5).
Управляемые при проектировании
параметры системы
Характеристика
излучения
Диаграмма
направленности
Энергетический
Расстояние
Топология
потенциал
Излучаемая
мощность
Размер
санитарной
зоны
Горизонтальная
Вертикальная
Табулированная
характеристика
направленности
Коэффициент
усиления
антенны
Положение
антенны
Смешанная
Файл
распределения
поля
Рис.11.5. Управляемые параметры электромагнитной
безопасности комплексов технических средств
Для проектировщика, занимающегося электромагнитной безопасностью какого–то излучающего объекта, характеристика излучения как
свойство, влияющие на электромагнитную безопасность, может представляться:
в графическом виде (диаграмма направленности) для отдельных
(главных плоскостей) – при этом область углов должна перекрывать
область, интересующую проектировщика;
в виде табулированной функции характеристики направленности;
в виде числового файла, в котором содержится заранее рассчитанное пространственное распределение поля.
В теории антенн, как правило, используются нормированные характеристики направленности, а функцию распределения поля в ближней
зоне целесообразно представлять для какой–то фиксированной мощности излучения.
233
Важным моментом при выборе параметра направленности антенн
является соответствие этого параметра действующей методической документации.
Далее следует говорить о другом не менее важном управляемом параметре электромагнитной безопасности – энергетическом потенциале
(или эквивалентной мощности) технических средств, под которым
обычно понимают произведение излучаемой мощности (Ризл.) и коэффициента усиления антенны (G). С точки зрения создания необходимой
напряженности поля в зоне обслуживания или в местах приема сигнала
совершенно безразлично повышать излучаемую мощность или увеличивать коэффициент усиления антенны, так как напряженность поля Е
пропорциональна Ризл.⋅G. Естественно, что суть управления этим параметром заключается в возможности для проектировщика вариации и
подбора передатчиков и антенн, обеспечивающих заданные условия по
электромагнитной безопасности. Для реализованной топологии излучающего объекта, когда невозможно сменить или переместить антенно–
фидерное оборудование, изменение излучаемой мощности может быть
единственным средством для нормализации электромагнитной обстановки.
В качестве еще одного управляемого параметра при проектировании комплексов технических средств может выступать расстояние от
излучающих элементов (антенн) до точки или границы безопасности.
Это один из основных параметров, который варьируется в процессе проектирования топологии путем изменения соответствующих пространственных координат излучающих технических средств. В практике электромагнитной безопасности это называют защитой расстоянием. Увеличение расстояния до точки наблюдения приводит к увеличению затухания радиоволн и, естественно, уменьшению уровня поля – напряженности поля или плотности потока энергии. Расстояние можно изменять,
перемещая антенну в пределах технической территории излучающего
объекта либо изменяя высоту подвеса антенны над землей. Если это не
эффективно, то определяют расстояние, на котором удовлетворяются
требования электромагнитной безопасности, то есть определяют санитарную зону.
Конечной целью проектирования излучающего объекта является
получение или выявление оптимальной по критерию электромагнитной
безопасности топологии размещения технических средств (антенн). В
этом плане у проектировщика, как правило, имеются степени свободы
перемещения технических средств в пределах технической территории
излучающего объекта или в пределах естественных ограничений пере-
234
мещений, например, на крыше здания или по башне, то есть координаты
отдельных антенн.
Таким образом, трудности анализа электромагнитных ситуаций
комплекса технических средств очевидны. Они обусловлены одновременной работой множества разнотипных излучателей, электромагнитные поля которых могут отличаться не только конструкцией и принципами действия, но и интенсивностью, поляризацией, частотами, зависимостью от параметров почвы, а сами антенны могут произвольным образом располагаться на антенных полях.
Несмотря на то, что большинство технических средств, в том числе
и антенных устройств, для телекоммуникаций типовые, они размещаются в нетиповых условиях. Индивидуальность реальных объектов с точки
зрения электромагнитной экологии проявляется в различии размещения
и ориентации отдельных антенн, в особенностях рельефа местности, в
несовпадении расписаний смены волн, в неодинаковом наборе технических средств и т.д. Все это определяет значительную сложность, и даже
невозможность обобщения электромагнитных ситуаций по объектам, в
состав которых входят технические средства различных диапазонов.
Метод аналогий и экстраполяций практически неприменим для комплексов технических средств.
Еще одним важным моментом в исследовании электромагнитной
обстановки комплекса технических средств является взаимное влияние
антенных устройств, которое может повлиять на точность электромагнитного прогнозирования. Это влияние может проявляться, во–первых,
во взаимном затенении антенн и, во–вторых, в электрическом влиянии,
при котором в элементах конструкции пассивных антенн наводятся токи, способные существенно изменить электромагнитную обстановку.
Математическое моделирование, как основной выбранный метод
исследования, является мощным и, пожалуй, единственным методом,
дающим возможность анализа электромагнитной обстановки комплекса
технических средств.
Выводы по разделу
1. Нормирование ЭМП осуществляется в зависимости от: частоты; категории облучаемых людей; вида технических средств.
2. Предельно допустимые уровни ЭМП устанавливаются в диапазоне частот до 300 МГц по напряженности электрического поля Е
(В/м) и напряженности магнитного поля Н (А/м), а на частотах свыше
300 МГц по плотности потока энергии ППЭ (Вт/м2).
3. Эффект воздействия ЭМП на биологические объекты с точки зрения классической электродинамики зависит от количества поглощен-
235
ной энергии ЭМП за определенный промежуток времени, такой подход называют дозиметрическим.
4. Дозу облучения ЭМП, приведенную к одному часу называют
энергетической экспозицией или энергетической нагрузкой.
5. Поглощенную энергию ЭМП единицей массы биологического
объекта называют удельной поглощенной мощностью (УПМ)(SAR),
(Вт/кг). Средняя УПМ зависит от частоты и поляризации поля.
6. Структура системы защиты окружающей среды и человека от
ЭМП включает в себя: нормирование, расчетное прогнозирование,
инструментальный контроль и применение пассивных (временем, расстоянием, экранированием) и активных методов защиты от ЭМП. Методы защиты предполагают проведение лечебно–профилактических,
инженерно–технических и организационных мероприятий.
7. Зарубежные национальные стандарты и международные рекомендации допускают существенно более высокие уровни ЭМП для всех
категорий облучаемых людей в сравнении с нормативами России.
8. Для некоторых новых видов излучателей (например, систем сотовой связи) установлены не ПДУ, а ВДУ – временные допустимые
уровни (ВДУ) воздействия ЭМП на человека. Это связано с тем, что мы
первое поколение, которое пользуется сотовыми телефонами. Пока никто не может гарантировать, что излучение телефона в непосредственной близости от головного мозга человека не отразится на его потомках.
9. Между излучающими электромагнитную энергию объектами
и селитебной территорией (жилые здания и пр.) устанавливают санитарно защитные зоны – за их пределами на высоте 2 м от поверхности
земли не должны превышаться
– ПДУ ЭМП при изолированном и сочетанном характерах
воздействия,
– критерий безопасности (<1) при смешанном и комбинированном характерах воздействия.
10. Измерения и вычисления полей в дальней зоне обычно более
просты, чем в ближней. Методики расчета обычно разрабатываются по
группам антенн, отличающихся по принципам действия, диапазонам
частот и условиям размещения.
11. Каждый человек, к какой бы категории облучаемых он не относился, должен понимать механизм воздействия на организм электромагнитного поля и принимать меры предосторожности: ограничивать время разговора по телефону, время пребывания около излучающих объектов (например, СВЧ–печи, ЛЭП, трансформаторных подстанций и пр.); держать излучатели ЭМП на некотором безопасном
236
расстоянии. Если это невозможно сделать, то следует применять индивидуальные меры защиты или экранирование.
12. Руководители предприятий связи и ответственные за безопасность сотрудники должны проводить инженерно–технические, организационные и лечебно–профилактические мероприятия по защите производственного персонала от ЭМП.
13. Трудности анализа электромагнитной обстановки комплекса
технических средств обусловлены одновременной работой множества
разнотипных излучателей, электромагнитные поля которых могут отличаться не только конструкцией и принципами действия, но и интенсивностью, поляризацией, частотами, зависимостью от параметров
почвы, а сами антенны могут произвольным образом располагаться на
антенных полях.
Вопросы для самопроверки
1. По каким признакам осуществляется нормирование ЭМП?
2. Назовите предельно допустимые значения параметра электромагнитного поля, создаваемого антеннами базовых станций (сотовыми
телефонами). Как называется этот параметр? Единица измерения этого
параметра.
3. Какие проблемы возникают при нормировании ЭМП?
4. Какая территория называется селитебной?
5. Дайте определение понятию – санитарно–защитная зона.
6. Дайте определение параметрам – энергетическая экспозиция,
удельно–поглощенная мощность.
7.
Как определить допустимое время пребывания в зоне излучения, если известны предельно допустимые уровни напряженности
электрического поля ЕПДУ и соответствующая энергетическая экспозиция ЭЭЕ?
8. Перечислите материалы, используемые для отражающих (поглощающих) экранов.
9. Перечислите основные виды мероприятий по защите от ЭМП.
10. Перечислите активные и пассивные методы защиты от ЭМП.
11. В чем сложность проведения расчетного прогнозирования (моделирования)?
12. Почему результаты расчетного прогноза и экспериментальных
исследований (измерений) могут сильно отличаться?
13. Какие методы вы примените для защиты от излучения СВЧ –
печи, сотового телефона, ЛЭП, ПЭВМ?
14. Перечислите и охарактеризуйте группы антенн, отличающиеся
по принципам действия, диапазонам частот и условиям размещения
для которых разработаны разные методики расчета.
237
15. Как изменяется глубина проникновения ЭМП в ткани с ростом
частоты?
16. Какими параметрами можно управлять при проектировании
излучающих средств для обеспечения их электромагнитной безопасности?
17. Приведите пример размещения комплекса излучающих технических средств, имеющего вертикальную (горизонтальную) топологию.
Тематика рефератов
1. Бытовые приборы – источники ЭМП
2. Источники ЭМП в быту и на производстве.
3. .Нормирование ЭМП.
4. Проблемы нормирования ЭМП.
5. Программный комплекс анализа электромагнитной обстановки
ПКАЭМО
6. Принципы проектирования топологии излучающих объектов с
учетом электромагнитной безопасности.
7. Паспорт излучающего объекта.
Тестовые задания
1. Нормирование ЭМП осуществляется в зависимости:
[1] от поляризации сигнала; [2] от категории облучаемых людей;
[3] от вида технических средств; [4] от частоты ЭМП;
[5 ] от модуляции сигнала.
2. Методы защиты от электромагнитных полей (ЭМП) традиционно
подразделяют на:
[1] активные; [2] пассивные; [3] индивидуальные; [4] сезонные.
3. Для производственного персонала, который может быть подвержен
воздействию электромагнитного поля, в России нормируется параметр:
(1) энергетическая экспозиция; (2) удельная поглощенная мощность;
(3) напряженность поля;(4) плотность потока энергии.
4. С увеличением частоты предельно допустимый уровень ЭМП:
(1) уменьшается; (2) увеличивается; (3) не изменяется.
5. Граница санитарно–защитной зоны определяется на высоте
(1) до 10 метров; (2) до 5 метров;
(3) 1 метр;
(4) до 2 метров.
238
6. Нормирование ЭМП в окружающей среде это ...
(1) учет дозы полученного облучения;
(2) расчет ЭМП вблизи излучающих объектов;
(3) измерение ЭМП в местах пребывания человека;
(4) установление предельно допустимого уровня ЭМП.
7. Средства индивидуальной защиты основаны на принципе экранирования человека ...
[1] хлопчатобумажными материалами; [2] отражающими материалами;
[3] шелком; [4] поглощающими материалами.
8. ПДУ в диапазоне частот до 300 МГц для населения нормируются
параметром:
(1) плотность потока энергии; (2) напряженность электрического поля;
(3) глубина проникновения поля; (4) энергетическая экспозиция.
9. Размерность параметра – удельная поглощенная мощность (УПМ):
(1) Вольт на метр (В/м); (2) Ампер на метр (А/м);
(3) Ватт на килограмм (Вт/кг); (4) Ватт на метр в квадрате (Вт/м2).
10. Удельная поглощенная мощность – это …
(1) напряженность электрического поля, поглощенная единицей массы
биологического объекта;
(2) плотность потока мощности, поглощенная всей массой биологического объекта;
(3) энергия ЭМП, поглощенная единицей массы биологического объекта;
(4) количество поглощенной энергии ЭМП за определенный промежуток времени.
11. Основные виды пассивной защиты от электромагнитных полей для
населения:
[1] индивидуальные средства защиты;
[2] зеленые насаждения, лесопарковые зоны;
[3] контроль и измерение ЭМП; [4] защита расстоянием;
[5] градостроительные мероприятия.
12. ПДУ в диапазоне частот более 300 МГц для населения нормируются
параметром:
(1) плотность потока энергии
(2) напряженность электрического поля
(3) глубина проникновения поля
(4) энергетическая экспозиция
239
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вся история человеческой цивилизации ориентирована на познание
природы. Мы постепенно накапливаем знания, в том числе и в области
довольно молодой науки «Экология». Очевидно, что все организмы
взаимосвязаны между собой и с окружающей средой. Необходимо, чтобы эти взаимосвязи обеспечивали гармоничное развитие. Биосфера Земли – уникальное явление, и мы должны делать все зависящее от нас для
ее сохранения.
Экологические знания необходимы в любой практической деятельности человека. Дело в том, что окружающая среда – не только ресурс,
который используется в хозяйстве, но и объект позволяющий нравственно совершенствоваться. В современных условиях становится все
труднее сохранять гармоничное сосуществование в рамках биосферы.
Угроза исчезновения многих видов животных и растений становится все
серьезнее. Нужно искать разумное соотношение воздействия на окружающую среду с заботой о ней. Познание процессов, протекающих в
различных экологических системах, необходимо для того, чтобы сделать этот поиск наиболее эффективным.
Экологическое образование и просвещение нацелено на решение
глобальных проблем, которые встают перед всеми нами. Нужно понять,
как снизить негативное воздействие на планету и Вселенную в целом.
В 2012 году президентом РФ утверждены «Основы государственной
политики в области экологического развития РФ на период до 2030 года». Этот документ направлен на формирование экологической культуры, развитие экологического образования и воспитания. Тем не менее, с
реализацией этой концепции на практике остаются проблемы, так как
экологическое мировоззрение призывает отказаться от доминирования
экономической выгоды. Еще одно негативное обстоятельство: отсутствие единой государственной политики и пассивность со стороны общества, обусловленная низкой экологической культурой. Экономические
интересы чаще всего побеждают экологические, и концепция «зеленой»
экономики пока реализуется в экономически развитых странах.
Человеческое общество все больше напоминает единый высокоразвитый организм, который обладает индивидуальностью в той мере, в
какой дифференцированы и специализированы внутриобщественные
связи. Вся планета также представляет собой грандиозный социальный
организм со всеми особенностями, свойственными живым организмам,
где каждой подсистеме (в том числе и человеческому обществу) соответствует определенное место и особая роль, которую должна играть
данная подсистема ради сохранения системной целостности.
240
Жизнь действует путем создания множества мутаций, которое, расширяясь во всех возможных направлениях, обязательно найдет верные
решения задачи поиска наиболее удачной организации живых существ,
отвечающих требованиям внешней среды в данный момент времени.
Чтобы сохранить наш вид мы должны изменить подход к понятию экологической чистоты и любые вложения средств в охрану природы
должны приветствоваться. Пусть методом проб и ошибок, но мы должны найти способы гармоничного интегрирования своего производства с
биосферой планеты.
Необходимо, чтобы на первый план в мотивации человека вышло не
получение наибольшей прибыли с меньшими затратами, а гармоничность производства, где определяющую роль будет играть не рост личного дохода разработчика или производителя, а чистота их совести, степень осознания их ответственности перед природой. Так, например, успешно развивается направление в проектировании, получившее название «Разработка благодатных технологий». Здесь основным критерием
оптимальности принимаемого решения выступает не какой–то технический или экономический показатель, а совесть разработчика.
К сожалению, человек так ускоряет движение многих веществ, что
природные круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность: в одних местах возникает недостаток, а в других – избыток каких–то веществ. Мы изымаем из круговорота многие элементы,
связывая их в таких веществах, для которых в природе отсутствуют деструкторы, поэтому он вынужден сам быть деструктором этих веществ.
Одной из основных целей общества должно стать возвращение вещества
в круговорот.
В наше время идут процессы высвобождения накопленной за миллионы лет солнечной энергии, а также углерода, серы и других элементов, возникающих при сжигании органического топлива. Это происходит на фоне постепенного уменьшения синтеза биоорганики, вызванного обеднением биосферы. Количество углекислого газа в атмосфере неуклонно растет и на нас надвигается антропогенное потепление. Преобладает распад биоорганики над ее синтезом. Возможно это подталкивает
эволюционные процессы, причем вовсе не в наших интересах.
По отношению к экосистеме – урожай, собранный человеком, является утечкой энергии, обедняющей экосистему. Увеличение продуктивности экосистемы достигается только за счет дополнительных вложений
энергии, затрачиваемой на обработку земли.
Сама история эволюции жизни на Земле лишний раз подтверждает
третий закон Коммонера: природа знает лучше. Поэтому нам нужно
существенно ослабить прессинг на среду своего обитания, который в
241
последнее время возрос до пределов, вызывающих экологические катастрофы.
В результате постоянного увеличения в окружающей среде антропогенных источников электромагнитной энергии самого различного
характера и с самыми разнообразными спектрами излучаемых полей
электромагнитная обстановка в биосфере постоянно усложняется. Уровень электромагнитного загрязнения приобретает глобально опасный
характер, что подчеркнуто Всемирной Организацией Здравоохранения в
1995 году введением термина «глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды».
ЭМП рассматривается как абиотический фактор, поэтому закон
действия ЭМП на любые параметры жизнедеятельности организмов тот
же, что и для любых абиотических факторов. Неблагоприятное влияние
на здоровье имеет место, если биологический эффект выходит за пределы нормы и не может быть компенсирован организмом, приводя, таким
образом, к развитию пагубных для здоровья последствий. Различные
эффекты воздействия, выявленные медико–биологическими исследованиями, хорошо согласуются с положениями теории электродинамики.
В некоторых случаях воздействующим фактором являются контактные токи между человеком и заряженным объектом.
Зарубежные национальные стандарты и международные рекомендации допускают существенно более высокие уровни ЭМП для всех
категорий облучаемых людей в сравнении с нормативами России.
Человек разрабатывает новые технологии, в результате которых
происходит изменение генофонда – искусственный отбор, клонирование, генная инженерия. Давление человека на среду уже превышает все
мыслимые пределы. Единственная надежда на то, что человек одумается
и откажется от своих вредных с точки зрения природы проектов. Именно для этого необходимо, чтобы как можно больше сознательных граждан получали экологические знания.
Осваивая все большие территории планеты, человек продолжает
стратегию обеднения видового разнообразия. Этим мы все больше подрываем способность природы сопротивляться внешним воздействиям и
возвращаться в исходное состояние.
Биосфера никогда больше не придет к исходному состоянию. Мы
вступили на путь глобальных перемен, которые постепенно изменят
жизнь на Земле самым коренным образом. Пока невозможно понять
будет ли в этом мире место человеку.
242
ГЛОССАРИЙ
А
Абиогенез – теория возникновения жизни на Земле – возникновение живого из неживого под действием энергетических воздействий и физ.–хим. процессов.
Абиотический – неживой фактор или объект, влияющий или определяющий условия существования живых существ в экосистеме.
Автогамия– самоопыление, самооплодотворение.
Автомеханохория – самопроизвольное опадение спелых диаспор (семян,
плодов).
Автотрофы – организмы, способные синтезировать все необходимые им
органические вещества из неорганических, используя в качестве источника
энергии свет или некоторые органические соединения (продуценты).
Автохтонный вид – обитающий в данной местности со времени становления (прот. аллохтону).
Агрегация – консолидация, объединение.
Агроценоз – специфический (обычно, упрощенный) биоценоз, создающийся человеком при развитии сельского хозяйства.
Агестохория – распространение грибов и растений средствами транспорта.
Адаптация – совокупность морфологических, поведенческих, популяционных, биохимических и других особенностей данного биологического вида,
обеспечивать возможность специфического образа жизни в определенных
условиях внешней среды.
Аксиома эмерджентности – целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у частей подсистем, и не равно сумме элементов, не объединенных
системообразующими связями.
Алармизм – концепция, сторонники которой считают, что научно–
технический прогресс приведет индустриальную цивилизацию к самоуничтожению. Глобальный экологический кризис неизбежен. См. эвдемонизм.
Аллель – вариант гена, формирующий определенные признаки. Цвет
глаз, например, определяется разными аллелями одного гена.
Аллелопатия – вид биотического взаимодействия, при котором организмы (растения – в осн.) выделяют различные биологически активные вещества
(фитонциды, колины, антибиотиков и др.) (т.е. химические) во внешнюю среду, оказывающие влияние на другие виды.
Альбедо – отношением радиации (энергии), отражаемой поверхностью, к
солнечной радиации (энергии), поступившей на поверхность.
Аллохтонный вид – встречающийся в данной местности, но возникший в
другом месте.
Аменсализм – способ взаимодействия между видами и популяциями в
экологических системах, когда один вид терпит ущерб, подавляется, а другой
вид не получает при этом никаких преимуществ. Примером этого оказывается
ущемление светолюбивых растений в тени деревьев (–/0).
243
Амфибионты – организмы, приспособленные к обитанию, как в воде, так
и на суше.
Анабиоз – временное состояние организма, при котором резко заторможены жизненные процессы при неблагоприятных условиях (спячка).
Анаэробный – процесс, идущий в отсутствие кислорода.
Ангидробиоз – способность выживать при утрате всей клеточной воды
(семена растений, коловратки, нематоды, тихоходки).
Анемоаэрохория – распространение семян, плодов ветром.
Анемогеохория – распространение семян, плодов.
Антифидант – вещество, делающее растение непригодным для питания
(смола у сосны).
Антропогенный – созданный человеком или возникший в результате его
деятельности (например, антропогенное загрязнение окружающей среды).
Антропоцентризм – вид экосознания, воззрение, которое представляет
человека на вершине природного сообщества, человек есть центр и высшая
цель мироздания, главное – удовлетворение потребностей человека; сохраняется, что ему полезно (противоп.–экоцентризму).
Ареал [от лат. area – площадь, пространство] – территория, в границах,
которых распространены группы живых организмов, сообщества.
Ароморфоз – прогрессивные изменения строения и функций организмов
(появление крыльев, развитие легких и конечностей).
Ассимиляция – уподобление, слияние, усвоение. Усвоение питательных
веществ живыми клетками (фотосинтез, корневая абсорбция и т.д.). Превращение веществ, поступающих из внешней среды, в собственное тело организма.
Атмобионт – организм, населяющий верхние слои подстилки и способный подниматься на нижние части растений (клещи, нек. насекомые).
Атмосфера – газообразная оболочка земли и других небесных тел.
Аттрактант – природные и синтетические вещества, привлекающие к себе животных (половые, пищевые).
Аутэкология – изучает взаимоотношения особи данного вида с окружающей средой.
Ацидификация (почв, вод) – увеличение кислотности (уменьшение –
рН), происходит вследствие применения кислых минеральных удобрений и
выпадения кислотных осадков.
Ацидофилы – организмы, обитающие в среде со значительной кислотностью (нек. бактерии, растения торфяников, малощетинковые черви).
Аэрация – насыщение среды воздухом, кислородом.
Б
Базофилы – организмы, предпочитающие щелочную среду.
Барохория – самопроизвольное осыпание семян под действием силы тяжести.
Барьер географический –любая преграда (водное пространство, горы),
препятствующее обмену генами между близкородственными популяциями.
244
Бенз(а)пирен –канцерогенное вещество, способствующее развитию онкологических заболеваний, поступает в атмосферу в результате сгорания различных видов топлива.
Биогеохимический круговорот химических элементов – циклические
процессы перемещения и трансформации химических элементов в пределах
биосферы, происходящие между ее биогеоценозами, ландшафтами и т.п.
Биогеоценоз – совокупность живых организмов (биоценоза – животных,
растений, микроорганизмов) и абиотической среды (атмосферы, горной породы, почвы и гидрологических условий) вместе с занимаемым ими участком
поверхности (биотопом (экотопом)), имеющая свою особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенные типы обмена
веществом и энергией их между собой и с другими явлениями природы и
представляющая собой внутренне противоречивое диалектическое единство,
находящееся в постоянном движении, развитии. Термин «биогеоценоз» предложил В. Н. Сукачев (1940), употреблялся как синоним экосистемы.
Биогеоценотический круговорот – малый, в пределах биогеоценоза.
Биоиндикаторы – организмы, присутствие, количество или особенности
развития которых служат показателями естественных процессов, условий или
антропогенных изменений среды.
Биокосное вещество –вещество, создаваемое одновременно живыми организмами и косными процессами и являющее собой закономерную структуру
из живого и косного вещества. Примеры по В.И. Вернадскому: почва, морская,
речная, озерная вода, нефть, битумы.
Биологическая продуктивность, биопродуктивность – способность
биогеоценоза воспроизводить органическое вещество, используя вещества и
энергию. Биологическая продукция первичная –прирост биомассы (фитомассы) автотрофных организмов за единицу времени. Составляет до половины
создаваемого при фотосинтезе органического вещества. Биологическая продукция вторичная –прирост биомассы гетеротрофов за единицу времени.
Биологическая продукция экосистемы общая (валовая) – количество
органического вещества, производимого в единицу времени на единицу площади (напр., кг/га в год) живыми организмами, входящими в состав экосистемы (биогеоценоза, ландшафта).
Биом – крупная экосистема, большая группа экосистем со сходным типом
растительности, определяемым сходными климатическими условиями (например, тундра, тайга, тропические леса, пустыня, степь).
Биомасса –1)выраженное в единицах массы количество функционирующего живого вещества, отнесенное к единице площади или объема. Выделяют
б. консументов, продуцентов, редуцентов и т.п. Б. суши составляет примерно
1012 – 1013 т. Различают фитомассу, зоомассу, массу микроорганизмов.
2)любой органический материал, который может быть использован в качестве
топлива – дерево, сухие растения, органические отходы.
Биоразнообразие – степень внутривидового – и/или межвидового разнообразия животных и растений.
Биосфера – одна из оболочек (сфер) Земли, состав и энергетика которой в
существенных своих чертах определены работой живого вещества. Термин б.,
245
введенный Э. Зюссом (1875), в результате работ В.И. Вернадского стал обозначать всю ту наружную обл. планеты земля, в которой не только существует
жизнь (см. витасфера), но которая в той или иной степени видоизменена или
сформирована жизнью. Б. область активной жизни, охватывающая нижнюю
часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые
организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг
с другом, образуя целостную динамическую систему.
Биота – исторически сложившаяся совокупность организмов, объединенных общей обл. распространения.
Биотоп – однородный по условиям жизни для определенных видов растений или животных, или же для формирования определенного биоценоза
участок территории.
Биотический потенциал – максимально возможное значение коэффициента роста популяции, достигаемое при наиболее благоприятных условиях
среды. Зависит от рождаемости, способности сохранять потомство, легкости
адаптации к меняющимся условиям существования, способности к распространению и освоению новых территорий, наличия защитных средств. Сдерживается сопротивлением среды.
Биоценоз – совокупность растений, грибов, животных и микроорганизмов, населяющих данный участок суши или водоема, имеющая определенный
состав и сложившийся характер взаимоотношений, как между собой, так и со
средой. Термин «биоценоз» ввел биолог К. Мебиус (1877). Как правило, имеется в виду принадлежность б. одному биогеоценозу и биотопу. В биоценозе
наличие продуцентов, консументов и редуцентов является обязательным условием (в отличие от сообщества).
Бифенилы (полихлорированные и полибромированные) –входят в группу суперэкотоксикантов.
В
Вещества экзогенные – вещества, образующиеся вне организма (чуждые
живому организму).
Вещество вредное – вещество, которое при контакте с организмом человека может вызвать профессиональные заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами, как в процессе воздействия вещества, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.
Вещество живое, совокупность в биосфере живых организмов, их биомассы (И.И.Дедю,1990).
Вещества эндогенные – вещества, образующиеся в организме.
Вид – основная структурная и классификационная (таксономическая)
единица в системе живых организмов; совокупность особей, обладающих общими морфофизиологическими признаками, способных в природных условиях
скрещиваться друг с другом с образованием плодовитого потомства, и занимающих сплошной или частично разорванный ареал. Общее число видов на
земле оценивается числами от 1,5 до 5 млрд.
246
Вид доминирующий, вид, представленный в биоценозе популяцией, обладающей в настоящее время наибольшей продуктивностью и (или) биомассой.
Вид исчезающий, вид, находящийся под угрозой вымирания, численность особей которого недостаточна для самоподдержания популяции в естественных условиях (И.И.Дедю, 1990).
Видообразование – процесс возникновения новых видов посредствам
разветвления предковой филетической линии на несколько новых.
Викарирующие виды – близкородственные виды животных и растений,
географически или экологически замещающие друг друга.
Виоленты – тип стратегии растений по Л.Г. Раменскому, отличающийся
высокой конкурентоспособностью («силовики», «львы»). Это – деревья, реже
кустарники и травы с мощным габитусом и развитой корневой системой, позволяющими в. ставить под контроль ресурсы эдафической среды и света. В
сукцессиях в. доминируют на последних стадиях (напр., бук в лесу, тростник в
дельтах рек средней полосы). Ср. патиенты и эксплеренты.
Влагостойкость – способность растений сохранять жизнеспособность
при избыточном увлажнении, вызванном затоплением или подтоплением.
Водоем дистрофный – с очень малым содержанием биогенных веществ и
потому бедный жизнью.
Водоем олиготрофный – с низким уровнем первичной продуктивности
(низким содержанием биогенных элементов). См. олиготрофы.
Водоем полисапробный – с большим содержанием органических веществ и потому населенный сапробионтами. В.п. нередко образуется в местах
спуска сточных вод.
Водоем эвтрофный – неглубокий, хорошо прогреваемый водоем, отличающийся большой продуктивностью и повышенным содержанием биогенных
элементов. См. эвтрофы.
Водородный показатель (pH) – величина, характеризующая концентрацию (активность) ионов водорода в растворах; численно равен отрицательному десятичному логарифму концентрации (активности) ионов водорода [H+],
выраженной в молях на литр: pH = –lg[H+]. водные растворы могут иметь pH
от 1 до 14: нейтральные = 7; кислые <7; щелочные >7.
Возобновляемые ресурсы – ресурсы, которые восстанавливаются в результате естественного кругооборота (например, вода) или размножения и
роста (лес, рыба в водных бассейнах). Необходима охрана возобновляемых
ресурсов от чрезмерной эксплуатации.
ВДК – Временно допустимая концентрация.
Вторичный консумент – животное (хищник), питающееся почти исключительно растительноядными существами.
Второе начало термодинамики – закон природы, согласно которому при
любом превращении энергии часть ее теряется в виде низкопотенциального
тепла, рассеивающегося в среде (см. энтропия). Поэтому для работы любой
системы необходим приток энергии.
247
Второй основной принцип функционирования экосистем – экосистемы существуют за счет солнечной энергии, которая доступна в избытке, неисчерпаема и не загрязняет среду.
Выброс предельно допустимый (ПДВ) – выброс загрязняющих веществ
в атмосферу, при котором обеспечивается соблюдение гигиенических нормативов в воздухе населенных мест при наиболее неблагоприятных для рассеивания условиях. Измеряется в мг/сутки.
Выживаемость – средняя для популяции вероятность сохранения особей
каждого поколения для жизни и участия в функционировании экосистем за
определенный промежуток времени.
Выносливость – способность живых организмов переносить неблагоприятные воздействия окружающей их среды.
Г
Галлофилы – организмы, обитающие только в условиях высокой солености, эти животные способны поддерживать в жидкостях своего тела более
низкую осмотическую концентрацию, чем в окружающей их воде.
Галофиты – растения, обитающие на сильно засоленных почвах
Галлофобы – водные организмы, не переносящие высокой солёности. С
помощью осморегуляции они поддерживают в своем организме постоянную
концентрацию солей, более высокую, чем в окружающей среде.
Гейтогамия – опыление в пределах одного растения, перенос пыльцы на
соседний цветок (морковь).
Гелиофиты – солнцелюбивые растения.
Гелофиты – растения болот.
Геном – совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма.
Гены – химические носители наследственной информации, передающиеся от родителей в составе яйцеклетки и спермия и определяющие врожденные
признаки. Могут изменяться в результате мутаций, а их новые сочетания способствуют появлению у потомства признаков, отсутствовавших у родителей.
Генотип – генетическая (наследственная) конституция организма, совокупность всех его генов. В современной генетике рассматривается не как механический набор независимо функционирующих генов, а как единая система,
в которой любой ген может находиться в сложном взаимодействии с остальными генами.
Генотоксичность – свойство химических, физических и биологических
факторов повреждать структурно–функциональное состояние генетических
детерминант клеток.
Генофонд, или генетический фонд – наследственная информация, заключенная в совокупности генов какой–либо группы особей.
Геобионты – организмы обитающие в земле. См. эдафобионт.
Гетеротрофы – микроорганизмы, животные, некоторые растения и грибы
(консументы, детритофаги, редуценты), бесхлорофилльные наземные растения
и водоросли, питающиеся готовыми органическими веществами, использующие, трансформирующие и разлагающие сложные соединения.
248
Гигрофиты – растения влажных местообитаний (болота, берега рек, сырые леса), у них нет приспособлений, ограничивающих расходование воды.
Гидатофиты – водные растения, полностью или почти полностью погруженные в воду (ряска, элодея, рдест, кувшинка, кубышка)
Гидросфера – совокупность всех вод, объектов земного шара, океанов,
морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод и снежного покрова.
Гидрофилия (гигрофилия) – предпочтение влажной среды обитания.
Гидрофиты – водные растения, прикрепленные к грунту и погруженные
только нижними частями (камыш, осока, гречиха, рис, ирис, тростник, частуха).
Гипогеоэлектромагнитные условия – условия, когда уменьшено или
вовсе отсутствует электрическое и/или магнитное поле Земли, приводят к
стрессовому состоянию организмов.
Гипоксия – пониженное содержание кислорода в организме. Возникает
при недостатке кислорода во вдыхаемом воздухе, при нарушении биохимического процесса тканевого дыхания.
Гомеостаз – это способность биологического объекта к авторегуляции
при изменении условий окружающей среды. Термин «гомеостаз « предложил
У. Кеннон в 1929 г. для характеристики состояния и процессов, обеспечивающих устойчивость организма.
Гомойотермные организмы – теплокровные, поддерживающие температуру тела постоянной (млекопитающие и птицы).
Гомойогидрические – организмы, у которых содержание воды в тканях
постоянно и не зависит от увлажнения среды.
Гомойосмотические – водные организмы, которые сохраняют постоянное осмотическое давление в теле независимо от концентрации солей в воде.
Гравитационная вода – вода, которая просачивается в почву под действием силы тяжести и занимает крупные пустоты.
Д
Давление отбора – воздействие факторов среды, приводящее к преимущественному выживанию и размножению особей, отличающихся определенными признаками от большинства членов популяции. При этом изменяется ее
генофонд.
Десинхроноз – временное рассогласование физиологических функций (во
время перелетов с одного часового пояса в другой, перевод часов).
Дегенерация – вырождение, ухудшение из поколения в поколение
свойств какого–либо организма из–за неблагоприятных условий существования.
Деградация – означает ухудшение из поколения в поколение приспосабливаемости организма, популяции или экосистемы, вызванное неблагоприятными условиями существования, инбридингом или болезнями; снижение или
утрата положительных качеств, постепенное снижение сложности, энергетического потенциала и емкости системы, практически необратимое
249
Денитрифицирующие бактерии – бактерии, восстанавливающие содержащиеся в почве и водоемах нитраты и нитриты до молекул азота или закиси
азота.
Демографическая структура популяции – генетически обусловленное
для каждого вида соотношение полов и возрастных групп. Последнее графически обычно представляется в виде возрастных пирамид.
Демографический взрыв – резкое ускорение темпов роста населения.
Демутация – согласно Г.Н. Высоцкому (1915), процесс восстановления
экосистемы до состояния, близкого к исходному после разрушения или существенного нарушения ее состава и структуры (дигрессии).
Денудация – совокупность процессов разрушения и переноса продуктов
выветривания горных пород и почв с возвышенностей в пониженные участки,
приводящих к постепенному выравниванию рельефа.
Деструкторы – разрушители связей, структуры, участники процесса разложения мертвых орг. веществ до неорганических молекул.
Детрит – мелкие органические частицы (останки разложившихся животных, растений и грибов вместе с содержащимися в них бактериями).
Детритофаги – организмы, питающиеся детритом.
Дефляция – выдувание, обтачивание и шлифование горных пород и почв
минеральными частицами, переносимыми ветром, в результате которых происходит эрозия и абиотический перенос вещества в ландшафтах. Ветровая
эрозия почвы ведет к деградации, уменьшению содержания гумуса, снижению
плодородия. См. также эоловые процессы.
Диапазон устойчивости (толерантности) – диапазон условий, в пределах которого организм или популяция могут жить и размножаться (диапазон
температур, влажности, концентрации биогенов и др.).
Дибензофураны –входят в группу суперэкотоксикантов.
Дигрессия – ухудшение состояния экосистем из–за внешних (экзогенных) или внутренних (эндогенных) причин. Различают: экзодинамическую д.
(при длительном затоплении, вторичном засолении и т.п.), антроподинамическую д. (сенокосную, пастбищную – см. перевыпас) и эндодинамическую д.
(напр., при биогенном засолении поверхности почвы). Финальная стадия д. –
катаценоз, после которой экосистема окончательно разрушается. Противоположный д. процесс – демутация.
Динамика экосистемы, развитие (изменение) экосистемы под действием
сил извне и внутренних противоречий её развития (В.В.Маврищев, 2000). Различают циклическую – (периодическая) сезонная (годовая) – одна из форм изменений в биотическом сообществе, вызванных непостоянными внешними
факторами, с постепенным возвратом к практически исходному состоянию и
поступательную (сукцессии).
Диссоциации – распад частицы (молекулы, радикала, иона) на несколько
более простых частиц.
Дистресс – истощение организма приводящее к болезни, смерти (н–р.
анарексия). 3 фаза стресса после фазы тревоги и мобилизации и фазы сопротивления (противоп. эустрессу).
250
Дистрофикация водоема – обеднение водоема питательными веществами, кислородом, упрощение и обеднение биотического сообщества.
Диоксины –соединения хлора, образующиеся при использовании хлора в
промышленности, а также при горении хлорсодержащих веществ (исп. в ракетном топливе. ред.). относятся к числу опасных токсичных веществ, суперэкотоксиканты. Не разрушаются естественным путем. Не выводятся из организма, накапливаются в нем, путешествуют по пищевым цепям: от источника
в воду или почву, из почвы в растения, от растений к животным, от животных
в желудок человека. Главная опасность диоксинов в их влиянии на иммунно–
ферментную систему человека и всех дышащих воздухом существ.
Дозиметрический подход в практике электромагнитной безопасности
определяется количеством поглощенной энергии ЭМП за определенный промежуток времени, то есть дозой облучения.
Доместикация– одомашнивание, превращение диких животных в домашних (путём отбора, приручения, содержания и разведения в созданных
человеком искусственных условиях), а также диких растений в культурные.
Доминант – вид, преобладающий по численности, массе или развитию.
Е
Емкость среды – 1) максимальная численность особей или их сообществ,
потребности которых могут быть удовлетворены ресурсами данного местообитания в течение длительного времени без заметного ущерба для экосистемы; 2) способность природной среды включать в себя (абсорбировать) различные (загрязняющие) вещества, сохраняя устойчивость.
Естественный отбор – процесс, в результате которого под действием
природных факторов вымирают наименее адаптированные к среде члены популяции и сохраняются наиболее приспособленные в данных условиях к выживанию и размножению.
Ж
Жаростойкость – генетически обусловленная способность растений выдерживать высокую температуру окружающей среды.
Живое вещество – согласно В.И. Вернадскому, «совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, численно выраженная в
элементарном химическом составе, в весе, энергии». Ж.в. неотделимо от биосферы, являясь одной из самых могущественных геохимических сил нашей
планеты, и обладает целым рядом уникальных свойств (напр., поляризовать
свет в отличие от косного вещества – закон Постера–Кюри).
З
Заболачивание – процесс изменения почв и ландшафта в целом под
влиянием постоянного избыточного увлажнения или подтопления, приводящий в конечном итоге к образованию болота.
Загрязнение –превышение естественного значения чего–либо (концентрации, массы и пр.), выводящее ее системы из состояния равновесия. Антропогенное – загрязнение, возникающее в результате деятельности людей, в том
числе их прямого или косвенного влияния на интенсивность природного за-
251
грязнения. Биологическое – случайное или благодаря деятельности человека
проникновение в экосистемы или технические устройства видов животных и
растений, чуждых данным сообществам и устройствам и обычно там отсутствующих. Радиоактивное – превышение естественного уровня содержания в
среде радиоактивных веществ. Шумовое – увеличение интенсивности и повторяемости шума сверх природного уровня. Приводит к повышению утомляемости у человека, снижению умственной активности и при достижении 90–100
дБ постепенной потери слуха.
Заиление –накопление в водных объектах (водохранилищах, озерах, прудах) наносов и осадков, поступающих в них с поверхностным стоком либо в
процессе разрушения берегов, отмирания водной флоры и фауны. Заиление
ведет к уменьшению полезного объема водоемов, снижению их эксплуатационных показателей и, в конечном итоге, заболачиванию.
Залесение – превращение свободной или культивируемой земли в лес.
Закон взаимодействия факторов (Митчерлиха–Бауле)– продуктивность сообщества определяется не только каким–либо одним, даже лимитирующим фактором, но совокупным действием всех экологических факторов.
Закон компенсации (взаимозаменяемости) факторов (Э. Рюбеля), отсутствие или недостаток некоторых экологических (нефундаментальных) факторов может быть компенсирован каким–либо другим аналогичным фактором.
Закон лимитирующих факторов – развитие системы ограничивается
или прекращается, если хотя бы один необходимый для жизнедеятельности
системы фактор оказывается за пределами зоны оптимума.
Законом минимума (Ю.Либиха– 1840 г.), относительное действие отдельного экологического фактора тем сильнее, чем больше он находится по
сравнению с другими экологическими факторами в минимуме.
Закон Линдемана, правило 10%– только часть (10%) энергии, поступившей на определённый трофический уровень биоценоза, передаётся организмам, находящимся на более высоких трофических уровнях (И.И.Дедю)
Закон незаменимости фундаментальных факторов (В.Р.Вильямса),
полное отсутствие в окружающей среде фундаментальных экологических …
факторов (воздух, вода) не может быть компенсировано другими факторами.
Закон
необратимости
взаимодействия
«Человек–биосфера»
П.Дансеро– часть возобновимых природных ресурсов … может стать исчерпаемой, невозобновимой, если человек при нерациональных … мероприятиях
сделает невозможным их жизнедеятельность и воспроизводство.
Закон обратной связи взаимодействия «Человек–биосфера»
П.Дансеро – любое изменение в природной среде, вызванное хозяйственной
деятельностью человека, «возвращается» и имеет нежелательные последствия.
Закон, правило 1% –изменение энергетики природной системы в пределах до 1%, как правило, не выводит природную систему из равновесного состояния (Н.Ф.Реймерс, 1995).
Закон толерантности, правило Шелфорда –присутствие или процветание популяции каких–либо организмов в данном местообитании зависит от
комплекса экологических факторов, к каждому из которых у организма существует определенный диапазон толерантности (выносливости). Диапазон толе-
252
рантности по каждому фактору ограничен его минимальным и максимальным
значением, в пределах которого только и может существовать организм. Правило выдвинуто в 1913 г. В. Шелфордом на основании экспериментов по воздействию на насекомых физическими агентами разной интенсивности.
Закон физико–химического единства живого вещества – при всей разнокачественности живых организмов они настолько физико–химически сходны, что вредное для одних из них не может быть абсолютно безразлично для
других …(Н.Ф.Реймерс, 1995).
Закон Хаббла: все далекие галактики удаляются от нас со скоростями,
прямо пропорциональными расстояниям до них.
Закон эволюционно–экологической необратимости (Л.Долло), закон,
согласно которому эволюционные процессы необратимы и ни одна биосистема не может вернуться в прежнее состояние.
Законы Коммонера:
1. Все связано со всем.
2. Все должно куда–то деваться.
3. Природа знает лучше.
4. Ничего не дается даром.
Засухоустойчивость, генетически обусловленная способность растений
сохранять жизнеспособность в условиях длительного и глубокого недостатка
влаги.
Зообентос – совокупность организмов, обитающих на дне или в грунте
водоемов.
Зоопланктон – совокупность организмов толщи воды, пассивно переносимых течением.
Зоофаги– организмы, питающиеся животными (плотоядные).
Зоохория – перенос животными семян, спор и плодов растений.
Зооцецидии – своеобразные капсулы, образуемые животными вокруг
вторгшихся паразитов
Зооценоз – сообщество животных – часть биоценоза, совокупность животных, характеризующаяся определенным составом и сложившимися взаимоотношениями между собой и с окружающей их средой.
И
Иерархия природных систем – функциональное соподчинение (вхождение более мелких и простых в более крупные сложные) систем различного
уровня.
Изменчивость – разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. И. присуща всем живым организмам. Различают
и. наследственную и ненаследственную, индивидуальную и групповую, качественную и количественную, направленную и ненаправленную. Наследственная и.
обусловлена возникновением мутаций, ненаследственная – факторами внешней среды. Явления наследственности и и. лежат в основе эволюции.
Изоляция – исключение или затруднение свободного скрещивания между особями одного вида, ведущие к обособлению внутривидовых групп и новых видов.
253
Имаго, взрослая … стадия индивидуального развития насекомых и некоторых других членистоногих.
Иммиграция увеличение численности за счет прибывших в популяцию
особей.
Ингибитор вещество, угнетающее, подавляющее, тормозящее развитие
других растений. Один из механизмов сукцессии.
Инверсия температурная встр. в атмосфере – охлажденные слои воздуха смещаются вниз и располагаются под теплыми слоями
Индекс Жаккара – показатель, равный отношению числа видов, найденных на двух исследуемых участках биотопа (С), к сумме видов, найденных на
участке А, но не найденных на участке В, и найденных на участке В, но отсутствующих на участке А: I = 100 C/(A+B). Величина I называется также коэффициентом флористического сходства (общности).
Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) – комплексный показатель степени загрязнения атмосферы, рассчитываемый как сумма средних концентраций в единицах ПДК с учетом класса опасности соответствующего загрязняющего вещества. Самые высокие показатели ИЗА (более 14) по данным
1997 г. имеют 33 города России, среди которых Архангельск, Кемерово, Красноярск, Краснодар, Москва, С.–Петербург, Самара, Саратов, Ульяновск, Чита
и др.
Индекс сапробности – численное выражение способности сообщества
гидробионтов выдерживать определенный уровень органического загрязнения.
Индифферентный организм– безразличный (к кислотности, влажности).
Инквилинизм форма биотических взаимоотношений, при которой животное, проникая в жилище животного другого вида, обычно уничтожает хозяина.
Инсектициды – химические средства, уничтожают насекомых, вредителей полезных растений, продуктов и животных.
Интродукция – перенос (пред– или непреднамеренный) вида за пределы
естественного ареала, приспособление к новым условиям.
Искусственный отбор – комплекс приемов, используемых человеком
при создании новых пород домашних животных и новых сортов культурных
растений, как правило, резко отличающихся от форм животных и растений,
существующих в дикой природе и возникших под воздействием только естественного отбора.
Ихтиофаги организмы, питающиеся рыбами.
К
Каинизм – явление, когда птенцы убивают своих же, более слабых
«братьев» одного выводка (цапля).
Каннибализм – явление, когда животные поедают особей своего же вида.
Кантарофилия – опыление цветков при помощи жуков, питающихся
пыльцой или сочными тканями цветка.
Канцерогены – вещества, вызывающие мутации и онкологические заболевания. Входят в группу суперэкотоксикантов.
254
Катализаторы – вещества, ускоряющие химические реакции. Вещества,
замедляющие реакции называются ингибиторами. В биологии катализаторы
называют ферментами.
Катаробионт – обитатель чистых холодных вод, с большим содержанием
кислорода (форель).
Катаценоз – финальная стадия деградации биогеоценоза, характеризующаяся резким сокращением числа сохранившихся видов и резким ухудшением
качеств биотопа
Квартиранство или синойкия – +/0 совместное сосуществование организмов различных видов, не связанных прямыми трофическими отношениями.
Кислые осадки – атмосферные осадки в виде дождя или снега, подкисленные (величина водородного показателя pH <5,6) из–за растворения в них
кислотообразующих промышленных выбросов (загрязняющих веществ): SO2,
NOx , HCl и др. Эти вещества образуются в качестве побочных продуктов при
сжигании угля и нефтепродуктов. Ввел термин в 1872 Роберт Смит.
Класс сапробности – степень загрязнения воды органическими веществами.
Клептопаразитизм явление, когда особи какого–либо вида отбирают или
воруют пищу у животных своего или другого вида.
Клетка – элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех живых организмов, состоящая из биополимеров (сложных органических молекул), малых органических и неорганических молекул. Главными
свойствами этой системы являются: самовоспроизведение, постоянный обмен
веществами и энергией с внешней средой, структурное обособление ее от
внешней среды.
Климакс – стабильное состояние сообщества (экосистемы), в котором
климаксовое сообщество (экосистема) поддерживает само себя неопределенно
долго, все внутренние его компоненты уравновешены друг с другом. Часто
рассматривается как завершающий этап сукцессионных рядов. Климаксовое
сообщество – стабильное сообщество, завершающее серию сукцессий. Термин
введен Ф. Клементсом (1916).
Коллапс демографический – резкое уменьшение численности популяции (голод, эпидемии, яд. война, политические меры (огр. рождаемости), саморегуляция организмов (агрессия, суицид, стресс, урбанизация, установка на
однодетную семью, эмансипация женщин, расслоение общества).
Комменсализм +/0 –симбиотическое взаимодействие между двумя видами, когда один из них получает выгоду, а для другого оно безразлично (ни
вреда, ни пользы). Постоянное или временное сожительство особей разных
видов, при котором один из партнеров питается остатками пищи (сотрапезничество) или продуктами выделения другого, не причиняя ему вреда, разновидность – квартиранство.
Конденсация – переход вещества из газообразного состояния в жидкое
или твердое. Конденсация возможна только при температурах ниже критической температуры..
Конкуренция –/– взаимоотношения между организмами одного и того же
вида (внутривидовая конкуренция) или разных видов (межвидовая конкурен-
255
ция), соревнующимися на одни и те же ресурсы внешней среды при недостатке последних. Растения конкурируют между собой за солнечный свет, воду,
питательные ресурсы почвы. Животные борются за пищевые ресурсы, за убежища, за занимаемую территорию, за самок.
Консументы– организмы, являющиеся в трофической цепи потребителями органического вещества. Организмы, получающие энергию и биогены,
питаясь другими организмами или продуктами их жизнедеятельности. Все
консументы – гетеротрофы. К консументам первого порядка относятся растительноядные (фитофаги) организмы, к консументам второго (зоофаги), третьего и других порядков относятся хищники.
Концентрация – сосредоточение, скапливание, собирание кого–либо, чего–либо в каком–либо месте.
Концентрация вещества максимальная (МК) максимальная концентрация вещества, которая при постоянном воздействии в течении сколь угодно
длительного времени не вызывает нарушения биохимических процессов.
Концентрация летальная (ЛК50) – концентрация вещества, вызывающая при вдыхании (мыши–2 часа, крысы–4 часа) гибель 50% животных. Измеряется в мг/л.
Концентрация предельно допустимая (ПДК) химических соединений
во внешней среде – при воздействии которой на организм у человека в течение всей жизни – прямо или опосредованно через экологические системы– не
возникает соматических (телесных) или психических заболеваний или изменений состояния здоровья, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций, обнаруживаемых современными методами исследования
сразу или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений.
Копрофаги– животные питающиеся экскрементами, главным образом
млекопитающих.
Косное вещество –небиогенные минералы и горные породы, образовавшиеся в основном или глубже биосферы (вне области жизни) или в пределах
биосферы на глубине нескольких километров без участия живого вещества.
Коэволюция – эволюционные изменения разных видов, взаимодействующих в биоценозе, параллельная, совместная взаимосвязанная эволюция,
эволюционные взаимодействия организмов разных видов, не обменивающихся
генетической информацией, но тесно связанных биологически.
Коэффициент кумуляции (КК) – отношение дозы или концентрации,
вызывающий определённый токсический эффект при однократном воздействии, к суммарной дозе или концентрации вещества, вызывающий тот же эффект при многократном воздействии.
Коэффициент накопления – отношение содержания какого–либо радионуклида в организме к содержанию его в окружающей среде.
Коэффициент размножения – 1) число родившихся особей, приходящихся на 1000 самок, размножающихся особей или особей обоих полов в популяции за единицу времени; 2) разность между рождаемостью и смертностью
за единицу времени; 3) прирост размера популяции с учетом ограничивающих
факторов среды, описываемый математическим уравнением (коэффициент
256
прироста Вольтерра или специфическая скорость естественного прироста Лотки).
Коэффициент смертности – число особей, погибших за год в результате
естественных причин, на 1000 особей данного вида.
Краевой эффект – это тенденция к увеличению разнообразия и плотности организмов на границе сообществ.
Кризис – нарушение природного равновесия, не разрушает систему полностью, приводит в состояние неустойчивости, возможна гибель, а возм. изменение уровня функционирования.
Криобионты –постоянные обитатели очень холодных мест.
Криофилы – животные, предпочитающие холодные местообитания.
Криофиты – растения, обитающие в условиях устойчиво низких температур.
Круговорот веществ на земле – повторяющиеся процессы превращения
и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее циклический
характер.
Ксенобиотики – вещества, которые чужды живым организмам, не могут
входить в обычные пищевые цепи и не разрушаются живыми организмами, но
могут нарушать процессы их жизнедеятельности. К ним относятся тяжелые
металлы, многие синтетические органические вещества, особенно галоидосодержащие, пестициды, поливинилхлориды, промышленные загрязнения, препараты бытовой химии, лекарственные средства. Ксенобиотики могут вызвать
гибель организмов, нарушать равновесие природных процессов в биосфере.
Ксерофилы – сухолюбивые животные, не переносящие влажности.
Ксерофиты – растения, приспособленные к недостатку воды. Могут переносить перегрев и обезвоживание.1) суккуленты (стеблевые – кактусы и
листовые – агавы). 2) склерофиты – растения, способные задерживать испарение воды (сильно опушенные побеги (ковыль перистый).
Кумуляция – накопление в организме и суммирование действия некоторых лекарственных веществ и ядов; может привести к отравлению.
Л
Лимитирующий фактор – фактор, в наибольшей мере ответственный за
ограничение роста и (или) размножения организма или популяции. Может
быть физическим (например, низкая температура), химическим (недостаток
биогена), биологическим (наличие паразитов или болезнетворных бактерий).
Литосфера – внешняя сфера «твердой» земли, включает земную кору и
часть верхней мантии (субстрат).
Литофиты – растения, живущие на камнях, скалах (мхи, папоротник, колокольчик, овсяница, можжевельник, сосна).
Личинка, постэмбриональная стадия индивидуального развития многих
беспозвоночных и некоторых позвоночных животных, у которых запасы питательных веществ в яйце недостаточны для завершения морфогенеза .
М
Макрофауна – почвенные животные от 2 до 20 мм, они перемещаются в
почве, прорывая ходы, раздвигая почвенные частицы (дождевой червь).
257
Мезотрофы – организмы, предпочитающие среду с умеренным количеством питательных веществ (кислица обыкновенная).
Мезофауна – почвенные животные не более 2–3 мм, они перемещаются
по стенкам почвенных полостей (коллемболы).
Мезофиллы организмы, приспособленные к средней влажности среды
(перепел, кукушка).
Мезофиты растения, живущие при среднем увлажнении и умеренно теплом климате.
Мезоэкосистема – экосистема средней величины (отдельное озеро, пруд,
лес, река).
Миграция – переселение, перемещение.
Миофаги – организмы, питающиеся мышевидными грызунами (лунь полевой, песец).
Мирмекохория –распространение диаспор муравьями. Разновидность
зоохории.
Мониторинг – наблюдение за состоянием окружающей среды (атмосферы, гидросферы, почвенного и растительного покрова, а также техногенных
систем) с целью ее контроля, прогноза и охраны. Различают региональный,
глобальный и локальный уровни мониторинга. Проводится с помощью телевизионных изображений, фото, многоаспектных снимков, а также путем сбора
данных с наземных, космических и морских станций.
Монофаги – виды животных, питающихся одним видом корма.
Мутагены – физические и химические факторы, воздействие которых на
живые организмы приводит к появлению мутаций с частотой, превышающей
уровень спонтанных мутаций.
Мутация – случайное изменение одного или нескольких генов организма.
Может быть спонтанной. Число мутаций резко увеличивается при радиоактивном облучении и воздействии ряда химических веществ, в особенности, ксенобиотиков. Большинство мутаций неблагоприятно для популяции.
Мутуализм, облигатный симбиоз +/+– форма симбиоза, при которой два
различных организма возлагают друг на друга регуляцию своих отношений с
внешней средой. При этом отношение между партнерами характеризуется
взаимовыгодностью и ни один из них не может существовать без другого
(буйвол и буйволовы птицы, мужчина и женщина).
Н
Нагрузка антропогенная (техногенная) – мера прямого и косвенного
воздействия человека и народного хозяйства на природу в целом или на ее
отдельные компоненты (ландшафты, почвы, атмосферу, биоту и др.).
Нахлебничество – форма симбиотического комменсализма–животное–
нахлебник питается за счет пищевых компонентов, находимых им в поселениях других видов, не причиняя этим видам вреда.
Нафтиламины –входят в группу суперэкотоксикантов.
Небиодеградирующие вещества– не потребляемые и (или) не разрушаемые живыми организмами. К ним относятся ксенобиотики: алюминий и тяже-
258
лые металлы, пластмассы, многие галоидоорганические вещества. Особенно
опасны те, что токсичны и способны накапливаться в организме.
Невозобновляемые ресурсы – ресурсы руд, нефти, угля, запасы которых
в земной коре ограничены и не пополняются за счет природных процессов.
Нейтрализм 0/0 – форма биотических отношений, при которой совместно обитающие популяции различных видов на одной территории, в одной
экологической нише не испытывают взаимного влияния (черный стриж и желтая трясогузка, королек желтоголовый и оляпка).
Нейтрофилы– организмы, предпочитающие нейтральную среду (посевы
сахарной свеклы).
Некрофаги – организмы, питающиеся мертвыми животными, в основном
позвоночными (черный гриф, сип белоголовый).
Нектон – обитатели толщи воды (хамса, голубой тунец).
Неорганические – простые и сложные вещества, не содержащие углерод.
Нитрофилы – организмы, предпочитающие среду, богатую азотом (крапива жгучая).
Нитрифицирующие бактерии – превращают аммиак и аммонийные соли в соли азотной кислоты – нитраты, нитрозобактерии, нитробактерии. Распространены в почвах и водоемах.
Нитрозамины –входят в группу суперэкотоксикантов.
Ниша экологическая – совокупность связей организма с биотическими и
абиотическими факторами его среды обитания. Термин предложен Дж. Гриннелом в 1917 году для характеристики простр. распределения видов. Фундаментальная ниша – наибольший «абстрактно заселенный гиперобъем», когда
вид не ограничен конкуренцией с другими видами. Реализованная ниша –
меньший гиперобъем, занятый в условиях биотических ограничений.
Ноосфера – новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором еe развития.
Понятие «ноосфера» введено французскими учеными Э.Лерца и П. Тейяром де
Шарденом в 1927 году.
Нормирование – это установление предельно допустимых уровней
(ПДУ).
О
Обмен веществ – (метаболизм), совокупность всех химических соединений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающий развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их
связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий.
Обратимые изменения среды – изменение к.–л. компонентов среды, их
свойств или совокупности, которые могут быть компенсированы в ходе самовосстановления экосистем.
Озонирование – метод очистки воды, озон – сильнейший яд, в нем гибнут бактерии, грибы и вирусы.
Озоновый экран – слой озона в верхних слоях атмосферы, защищающий
от опасной для живого ультрафиолетовой составляющей излучения Солнца.
259
Озоновые дыры –значительные пространства в озоновом слое атмосферы с заметно пониженным (до 50 %) содержанием озона. Озоновые дыры являются причиной повышения уровня ультрафиолетового излучения, оказывающего вредное воздействие на организмы (катаракты, рак кожи и пр.)
Оксифилы – водные организмы, существующие при высоком содержании кислорода в воде.
Онтогенез, индивидуальное развитие особи, вся совокупность её преобразований от зарождения … до конца жизни.
Опустынивание – расширение площади пустынь за счет сопредельных
территорий.
Организмы эвритермные – организмы способные существовать при
больших колебаниях температуры среды.
Организмы эвритопные – растения и животные, способные существовать в разнообразных условиях среды и обладающие широким диапазоном
экологической выносливости.
ОДК – ориентировочно допустимая концентрация загрязняющего вещества– гигиенический норматив (временный), аналогичный ПДК.
Орнитофаги – организмы, питающиеся птицами (ястреб–тетеревятник).
Орнитофилия– опыление цветковых растений птицами.
Орнитохория – распространение диаспор птицами.
Осмотрофы– гетеротрофные организмы, в основном бактерии и грибы,
получающие энергию либо путeм разложения мертвых тканей, либо путем
поглощения растворенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлеченного сапротрофами из растений и других организмов.
П
Пантофаги – всеядный организм – эврифаг.
Паразит – организм, питающийся другим организмом (хозяином), не убивая его, но часто причиняя ему вред. Эктопаразиты поражают поверхность
тела хозяина, а эндопаразиты живут внутри него.
Паразитизм – тип взаимодействия между видами и популяциями в экосистемах, при котором организм–паразит питается организмом
Парниковый эффект –повышение температуры атмосферы из–за увеличения содержания в ней диоксида углерода и некоторых других газов, приводящего к поглощению атмосферой теплового излучения земли. В результате
температура земли повышается, и это может привести к таянию ледников и
повышению уровня мирового океана.
Первичный консумент – организм, питающийся преимущественно или
исключительно зелеными растениями, их плодами или семенами.
Первый основной принцип функционирования экосистем – поступление ресурсов и удаление отходов осуществляется в процессе круговорота всех
элементов.
Перевыпас –деградация растительности пастбища и снижение его продуктивности и производительности.
260
Перелов рыбы – рыболовство, при котором вылавливается такое количество взрослой рыбы, что популяция больше не способна поддерживать свою
численность самовоспроизводством.
Пессимум экологический, наименее благоприятные условия, при которых вид ещё может существовать (И.И.Дедю, 1990).
Пестициды – (ядохимикаты), химические препараты для борьбы с сорняками (гербициды), вредителями (инсектициды, акарициды), болезнями (бактерициды) культурных растений. Большинство п. – синтетические органические
вещества. При систематических применениях высокотоксичных п., особенно в
завышенных дозах, наблюдается загрязнение ими окружающей среды, что
приводит к уничтожению полезных насекомых, рыб, птиц, а также приводит к
отравлению людей непосредственно п. или продуктами, в которых они способны накапливаться. Использование п. регламентируется во всех странах.
Петрофиты – растения каменистой почвы.
Пирамида биомассы – результат сопоставления биомасс продуцентов,
консументов первого и второго рода в пределах одной экосистемы, характеризует общую сухую массу, калорийность или другую меру общего количества
живого вещества.
Пирамида численности – отражает численность отдельных организмов.
Пирамида экологическая – графическое изображение трофической
структуры и трофической функции.
Пирамида энергии – показывает величину потока энергии и (или) «продуктивность» на последовательных трофических уровнях.
Пирофиты –растения первыми заселяющие пожарища.
Пищевая цепь – поэтапный перенос энергии и вещества в ряду организмов при поедании последующим.
Плотность популяции – число ее особей на единицу площади.
Пойкилогидрические организмы, у которых содержание воды в тканях
непостоянно и зависит от увлажнения среды.
Пойкилоосмотический организмы, осмотическое давление которых зависит от солености окружающей среды.
Пойкилотермные – хладнокровные.
Полиморфизм, наличие в пределах одного вида резко отличных по облику особей, не имеющих переходных форм.
Полифаги – организмы, питающиеся широким набором кормов как растительного, так и животного происхождения
Полупроходные рыбы, обитающие в предустьевых опресненных частях
морей, (сом обыкновенный, лещ, вобла).
Популяция – группа организмов определенного вида, способных скрещиваться и размножаться в пределах определенной экосистемы, занимающих
определенную территорию. Термин «популяция» был введен В. Иогансоном в
1903 году.
Потенциал биотический – условный показатель для данного вида скорости увеличения численности особей его популяций при отсутствии лимитирующих факторов.
261
Правило Аллена – выступающие части тела (уши, конечности, хвост…)
у гомойотермных животных увеличиваются от севера к югу.
Правило Бергмана – более крупные размеры тела у теплокровных животных характерны для более холодных областей. У более крупных животных
отношение площади поверхности тела к его объему меньше, чем у мелких и
поэтому они меньше расходуют энергии на подержание температуры тела.
Правило Гаузе – правило конкурентного исключения: два вида не могут неограниченно долго существовать вместе, если их требования к окружающей среде полностью совпадают.
Правило Гессе – животные в северных районах обладают большей массой сердца, чем такие же на юге.
Правило Глогера – географические расы животных в теплых и влажных
регионах пигментированы сильнее.
Правило Жордана – у рыб, обитающих в водоемах с повышенной соленостью и низкими температурами, возрастает число позвонков в хвостовой
части.
Правило Копа – новые группы организмов происходят от малоспециализированных, а не от высших глубоко специализированных групп.
Правило смены ярусов – в разных зонах одни и те же виды занимают
неодинаковые ярусы (В.А.Радкевич, 1997).
Правило Уоллеса – видовое разнообразие увеличивается от полюса к экватору.
Правило Эшби – закономерность существования биосферы состоящая в
том, что управляющие системы и подсистемы организованы более сложно,
чем управляемые.
Предадаптация – представляет собой усвоение форм поведения и реагирования, которые приобретают адаптационное значение лишь при изменении
условий.
Предел устойчивости – максимум нагрузки, переносимой организмом,
сообществом, экосистемой, ландшафтом при сохранении их структуры и
функционирования.
Пределы устойчивости – экстремальные значения фактора, например
температуры, при выходе за которые организм или популяция не смогут выжить.
Предельно допустимая доза (ПДД) – максимальное количество загрязняющего вещества или другого вредного агента, проникновение (воздействие)
которого в организм не оказывает на него пагубного влияния.
Предельно допустимый уровень (ПДУ)– это уровень вредного фактора,
который не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований, в отдаленные
сроки жизни настоящего и последующего поколений. Предельно допустимый
уровень устанавливается по биологически активному параметру воздействующего фактора.
Предельно допустимые уровни ЭМП в диапазоне частот до 300 МГц
– устанавливаются по напряженности электрического поля Е в В/м, по напряженности магнитного поля Н в А/м.
262
Предельно допустимые уровни ЭМП в диапазоне частот выше 300
МГц – устанавливаются по плотности потока энергии ППЭ в Вт/м2 (мВт/см2
и мкВт/см2).
Принцип дополнительности: любое явление может рождаться и существовать в физической реальности только в паре со своей противоположностью
(отрицанием).
Принцип единства Вселенной: во Вселенной все взаимосвязано, любое
явление влияет на весь мир и само испытывает влияние от всех явлений Вселенной.
Принцип изменения популяций – численность популяции – результат
динамического равновесия биотического потенциала и сопротивления среды.
Принцип оптимальности: во Вселенной реализуются лишь оптимальные
состояния и процессы ( что ни делается – все к лучшему).
Принцип Реди: все живое происходит только от живого.
Принцип самоорганизации: рост энтропии Вселенной вызывает процессы, сдерживающие этот рост, то есть направленные на рост негэнтропии, а
значит, на возникновение и усложнение упорядоченных структур.
Принцип стабильности экосистем – видовое разнообразие экосистемы
обеспечивает ее устойчивость. Сильные колебания численности популяций
обычны для простых экосистем и редки в многокомпонентных.
Принцип ле Шателье–Брауна(1884) – внешнее воздействие, выводящее
систему из равновесия, стимулирует в ней процессы, стремящиеся ослабить
результаты этого воздействия.
Продуктивность валовая первичная – сообщества или любой их части
– скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами–
продуцентами (главным образом зелеными растениями) в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ. Это общая
скорость фотосинтеза, включая те органические вещества, которые за время
измерений были израсходованы на дыхание. Эту величину называют также
«валовым фотосинтезом» или «общей ассимиляцией».
Продуктивность чистая сообщества – скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами (т.е. чистая первичная продукция минус потребление гетеротрофами) за учетный период, обычно за вегетационный период или за год. Эту величину называют также «наблюдаемым
фотосинтезом « или « чистой ассимиляцией «.
Продуктивность вторичная – это скорость накопления продукции на
уровнях консументов.
Продуктивность – производительность экосистемы, измеряемая кол–вом
органического вещества, созданного за ед. t на ед. S.
Продуценты– автотрофные организмы, создающие с помощью фотосинтеза или хемосинтеза органические вещества из неорганических. Продуценты
противопоставляются гетеротрофным организмам консументам и редуцентам.
продуценты составляют первый трофический уровень в экосистеме. Основные
продуценты – зеленые растения. Продуцентами являются автотрофные организмы, в основном зеленые растения (на рисунке изображен фрагмент опушки
леса). Фотосинтетики превращают солнечную энергию (энергию света) в хи-
263
мическую энергию, заключенную в органических молекулах, из которых построены их ткани.
Протокооперация, тип взаимоотношений между популяциями, когда обе
популяции получают от ассоциации выгоду, но эти отношения необязательны
(В.В.Маврищев, 2002).
Псаммофиты – растения, произрастающие на песчаных почвах (колосняк песчаный)
рН – числовое выражение относительной кислотности и щелочности химического раствора, измеряемой на шкале от 0 до 14. Термин рН говорит о
количестве ионов водорода (Н+) содержащихся в жидкости. В то время как
показатель рН равный 7.0 говорит о том, что среда нейтральна, более высокие
показатели свидетельствуют об увеличивающейся щелочности среды, а показатели рН ниже 7.0 говорят о кислотности среды.
Р
Радиация – поток корпускулярной (альфа–, бета –, гамма–лучи, поток
нейтронов) и/или электромагнитной энергии. Измеряется по двум параметрам:
активностью в источнике излучения и поглощенной дозе. Количество ядерных
превращений в источнике за единицу времени, при котором атом распадающегося вещества переходит в более стабильную форму, измеряется в Беккерелях
или Кюри. В рентгенах и кулонах измеряют рентгеновское и гамма–излучение,
которое образует положительные и отрицательные ионы в газе. В Греях и радах измеряют энергию радиации, поглощенной биологическим телом. Бэр –
это единица эквивалентной дозы в живых тканях, которая учитывает взаимодействие энергии, поглощенной телом, и другие факторы, усиливающие или
ослабляющие воздействие этой энергии. Доза в 600 бэр обычно приводит к
смертельному исходу в течение шестидесяти дней.
Радиоактивные отходы (РАО) – продукты, образующиеся при работах с
радиоактивными веществами, с содержанием радиоактивных изотопов выше
норм радиационной безопасности.
Радионуклиды – входят в группу суперэкотоксикантов.
Редуценты – деструкторы, организмы, питающиеся мeртвым органическим веществом и подвергающие его минерализации (деструкции), т.е. разрушению до больших или маленьких неорганических соединений, которые затем
используются продуцентами. К редуцентам относят всех животных (традиционно называемых консументами), поскольку в процессе их жизнедеятельности
происходит минерализация органических веществ.
Резистентная устойчивость – способность экосистемы оставаться в устойчивом состоянии под нагрузкой, ее невосприимчивость к внешнему воздействию.
Резистентность– невосприимчивость организма к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды (напр., к загрязнению окружающей среды).
Репелленты– вещества для отпугивания насекомых, грызунов и птиц.
Противопоставляется аттрактантам.
Рождаемость – число особей, родившихся в популяции за единицу времени по отношению к условному их числу (к 100 или 1000).
264
С
СанПиН–санитарные правила и нормы.
Самоизреживание – форма внутривидовой конкуренции растений, при
которой формируется оптимальная плотность особей для данного местообитания.
Саморегуляция – способность биологических систем … к автоматическому установлению и поддержанию жизненных функций на определённом,
относительно постоянном уровне (гомеостаз).
Сапробионт – обитающий в сильно загрязненных водоемах с малым
кол–вом растворенного кислорода.
Сапротрофы – гетеротрофныe организмы, использующие для питания
органические соединения мертвых тел или выделения (экскременты) животных. К сапротрофам относятся бактерии, грибы, актиномицеты, а также сапрофиты– немногие высшие растения, в том числе паразитические цветковые
и некоторые водоросли.
Свойства эмерджентные – новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне и возникающие по мере объединения компонентов, или подмножеств, в более крупные функциональные единицы.
Симбиоз – различные формы совместного существования организмов,
обычно приносящая пользу им обоим или одному из них (для другого вида
это взаимодействие безразлично) (мутуализм, кооперация, комменсализм).
Симпатрия – совместное обитание разных видов с частичным перекрытием ареалов. Симпатрические виды занимают различные экологические ниши.
Синантропные виды – приспособленные к обитанию рядом с человеком.
Синергетический эффект (синергизм) – реакция организма (популяции)
на совместное действие 2 и более факторов при котором результирующий
эффект
превосходит
сумму
отдельно
воздействующих
факторов
В(А1+А2)>В(А1) +В(А2)
Синойкия или квартиранство +/0 разновидность комменсализма, при
которой организм–комменсал обитает в жилище животного–хозяина (норах,
гнездах.), питаясь обычно остатками пищи хозяина.
Синэкология раздел экологии, изучающий ассоциации популяций разных видов животных, растений и микроорганизмов, пути их формирования и
взаимодействие с внешней средой
Склерофиты – растения, способные задерживать испарение воды, характерны розеточные сильно опушенные побеги (ковыль перистый), растения с
жёсткими, часто сильноредуцированными листьями, которые иногда превращаются в иголки или чешуйки.
Смертность –число особей умерших или погибших за определенный период на некоторой территории по отношению к условному их числу.
Сообщество – совокупность совместно обитающих организмов разных
видов, представляющая собой определенное экологическое единство. По Р.
Уиттекеру, система взаимодействующих, дифференцированных по экологическим нишам, часто конкурирующих друг с другом видов. Виды, входящие в
265
состав одного и того же с., эволюционировали в направлении дифференциации
экологических ниш. Термин с. часто используется как син. биоценоза. Выделяют с. растений (фитоценоз), с. животных (зооценоз), с. микроорганизмов
(бактериоценоз). Ср. ассоциация экологическая.
Сопротивление среды – совокупность факторов, включая неблагоприятные погодные условия, недостаток пищи и воды, хищников и болезни, направленная на сокращение численности популяции, препятствующая ее росту и
распространению.
Спейрохория – распространение зачатков грибов и растений вследствие
случайного высева вместе с культурными растениями.
Стагнация – состояние застоя.
Стенобатные организмы, обитающие только на определенной глубине,
не способны переносить большие перепады давления.
Стенобионты виды с узким диапазоном толерантности по отношению к
какому либо фактору среды.
Стеногалинные виды не способны переносить перепады засоления.
Стеногигробионты виды, требующие строго определенных условий увлажнения.
Стенооксибионты существуют при высоком насыщении воды кислородом (планария), не переносят загрязненных мест, развивается гипоксия.
Стенотермные виды, не переносят перепады температур.
Стенофаги виды животных, питающихся небольшим видовым набором
корма (орел–змееяд)
Стенофотный – переносящий только узкий диапазон освещенности.
Стратификация температурная понижение с определенным градиентом
температуры по мере подъема в воздухе или погружении в воду.
Стратегия (жизни) популяций – совокупность приспособлений, способов выживания и поддержания стабильности популяций растений и животных
в экосистемах. По одной из классификаций с.ж.п. растений, предложенной
Л.Г. Раменским (1938), различают виоленты, патиенты и эксплеренты.
Стратегия жизни Пьера Тейяра де Шардена – жизнь действует путем
создания множества различных вариантов (мутаций), которое, расширяясь во
всех возможных направлениях, обязательно найдет верные решения задачи
поиска наиболее удачной организации живых существ, отвечающих требованиям внешней среды в данный момент времени.
Стресс – состояние напряжения, возникающее у человека и животных
под влиянием сильных негативных воздействий. Согласно автору термина Г.
Селье (1936), стресс – это общая неспецифическая нейрогормональная реакция
организма на любое предъявленное ему требование.
Сциофиты – тенелюбивые, не выносящие избытка света (растения с темно–зелеными, крупными и тонкими листьями, в клетках небольшое количество крупных хлоропластов) – кислица обыкновенная.
Субдоминанты – второй по численности вид после наиболее многочисленного (доминирующего) в сообществе.
Сукцессия – последовательная большей частью необратимая (редко циклическая) смена био(гео)ценозов, преемственно сменяющихся на одной и той
266
же территории в результате влияния внутренних (с. автогенная, или аутогенная) и/или внешних (с. аллогенная) факторов. В оптимальных условиях любая
с. заканчивается возникновением медленно развивающегося климаксового или
узлового сообщества. Различаю первичные (на субстратах, не затронутых почвообразованием) и вторичные с., происходящие на месте сформировавшихся
биогеоценозов после их разрушения (в результате пожара – пирогенные с.,
вырубки леса, засухи, эрозии, вулканического извержения и т.д.).
Сукцессия автотрофная это сукцессия, начинающаяся с состояния, когда валовая продукция (Р) больше дыхания (R), и процесс направлен в сторону
более сбалансированного состояния, когда Р=R. Сукцессия, при которой в
сообществе идет накопление органического вещества, и идет изменение видового состава, характеризующаяся ранним и длительным преобладанием автотрофных организмов.
Сукцессия гетеротрофная – это сукцессия, которая начинается с состояния Р меньше R, и процесс направлен в сторону более сбалансированного состояния, когда Р=R. Возникает, когда среда пересыщена органическим веществом и поэтому в начальной стадии преобладают питающиеся им гетеротрофные организмы. При этом органическое вещество потребляется быстрее,
чем накапливается. Происходит постоянное убывание органических веществ.
Суперэкотоксиканты – сравнительно недавно в массиве загрязняющих
веществ стали выделять понятие суперэкотоксиканты — вещества, которые в
малых дозах способны оказывать выраженное индуцирующее (усиливающее)
или ингибирующее (угнетающее) действие на ферменты. В их число входят
диоксины и дибензофураны, полихлорированные и полибромированные бифенилы, бензантрацены, нитрозамины, нафтиламины и другие органические вещества. Кроме того, к разряду суперэкотоксикантов часто относят радионуклиды, некоторые тяжелые металлы (ртуть, кадмий) и металлоиды (мышьяк,
селен), хлор– и фосфорорганические пестициды, являющиеся потенциальными
мутагенами и канцерогенами (веществами, вызывающими соответственно
мутации и онкологические заболевания). Суперэкотоксиканты характеризуются чрезвычайной стойкостью в окружающей среде и практическим отсутствием предела токсичности (сверхкумуляцией). В тех или иных концентрациях
они присутствуют во всех средах, циркулируют в них и через компоненты
окружающей среды проявляют свое действие на человека, вызывая мутагенный, канцерогенный эффекты, подавляя клеточный иммунитет, поражая внутренние органы и приводя к истощению организма.
Т
Теория креационизма –теория появления жизни на Земле, утверждающая, что жизнь создана высшим существом – Богом.
Теория панспермии – теория появления жизни на Земле, утверждающая,жизнь принесена на Землю из космоса.
Теория эволюции – теория появления жизни на Земле, утверждающая,
жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения
форм организации материи.
267
Тератогены – вещества, вызывающие при воздействии на организм тератогенез – возникновение уродств и других аномалий в его развитии.
Терморегуляция, совокупность физиологических процессов, обеспечивающих поддержание оптимальной для данного вида температуры тела в условиях меняющейся температуры окружающей среды (И.И.Дедю, 1990).
Термофилы – организмы, обитающие в области высоких температур.
Термофиты – растения, обитающие в области высоких температур.
Терофиты – растения, переживающие неблагоприятный период (зима,
засуха) в виде семян (василек, ярутка, аистник).
Толерантность–терпение – способность организмов выдерживать изменения условий жизни (факторов среды).
Токсины – соединения (часто белковой природы) бактериального, растительного или животного происхождения, способные при попадании в организм
животных или человека вызвать заболевание или их гибель. Содержатся в ядах
змей, пауков, скорпионов. Бактериальные токсины вызывают столбняк, ботулизм и другие болезни.
Топические связи основаны на особенностях местообитания (дерево –
птицы и насекомые, организм и его паразит).
Транспирация –физиологическое испарение воды растением.
Третий основной принцип функционирования экосистем – большая
биомасса не может существовать на конце длинной пищевой цепи. Чем крупнее популяция, тем ближе она к трофическому уровню продуцентов.
Троглобионты – организмы, обитающие исключительно в пещерах, пещерных водоемах и подземных водах.
Трофическая цепь – поэтапный перенос энергии и вещества в ряду организмов при поедании последующим элементом цепи предыдущего.
Трофический уровень – совокупность организмов, объединенных типом
питания. Автотрофные организмы (преимущественно зеленые растения) занимают первый трофический уровень (продуценты), далее следуют гетеротрофы:
на втором уровне растительноядные животные (консументы 1–порядка); хищники, питающиеся растительноядными животными – на третьем (консументы
2 –порядка); вторичные хищники – на четвертом (консументы 3–порядка).
Сапротрофные организмы (редуценты) могут занимать все уровни, начиная со
второго. Организмы различных трофических цепей, получающие пищу через
равное число звеньев, находятся на одном т.у. Соотношение различных т.у.
можно графически изобразить в виде экологической пирамиды.
У
Удельная поглощенная мощность (УПМ) представляет собой поглощенную энергию ЭМП единицей массы биологического объекта, и имеет размерность ватт на килограмм (Вт/кг) или милливатт на грамм (мВт/г).
Упругая устойчивость – способность экосистемы быстро восстанавливаться.
Устойчивость резистентная – это способность экосистемы сопротивляться пертурбациям (нарушениям), поддерживая неизменной свою структуру
и функцию.
268
Устойчивое развитие – такое развитие общества, при котором улучшаются условия жизни человека, а воздействие на окружающую среду остаётся в
пределах хозяйственной емкости биосферы, так что не разрушается природная
основа функционирования человечества. При у.р. удовлетворение потребностей осуществляется без ущерба для будущих поколений.
Устойчивость экосистемы – способность экосистемы к реакциям, пропорциональным по величине силе воздействия, которые гасят эти воздействия.
При этом в экосистеме возбуждаются компенсационные (отрицательные) обратные связи, что равноценно выполнению принципа ле Шателье. При превышении некоторой критической величины воздействия экосистема теряет устойчивость, возникают положительные обратные связи, которые могут привести к её разрушению.
Ф
Фабрические связи – использование растений, пуха шерсти для постройки гнезд, убежищ.
Факторы абиотические, компоненты и явления неживой, неорганической природы (климат, свет, химические элементы и вещества, температура,
давление и движение среды, почва и др.), прямо или косвенно воздействующие на организмы (И.И.Дедю, 1990).
Факторы биотические, совокупность факторов живой природы, которые
влияют на организмы, …определяя их условия обитания в том или ином районе (И.И.Дедю, 1990).
Фактор лимитирующий (ограничивающий), фактор который при определённом наборе условий окружающей среды ограничивает какое–либо
проявление жизнедеятельности организмов; экологический фактор, концентрация которого ниже или выше оптимальной (И.И.Дедю, 1990).
Фактор регулирующий, фактор среды, благоприятствующий нормальной жизнедеятельности организма.
Фенотип, совокупность всех признаков и свойств особи, формирующаяся
в процессе взаимодействия её генетической структуры (генотипа) и внешней,
по отношению к ней, среды.
Фертильность средний коэффициент рождаемости – среднее число детей, которое рождает каждая гипотетическая женщина за весь период ее детородного возраста.
Филлобионты – обитатели листвы.
Филлофаги – организмы, питающиеся листьями (коала).
Фитотоксины токсические вещества, вырабатываемые растениями.
Фитотоксичность – способность химических веществ подавлять рост и
развитие растений.
Фитофаги организмы, питающиеся растениями (травоядные.
Фитоценоз– часть биоценоза, совокупность растений, занимающая однородный участок земной поверхности, характеризующаяся определенным составом, строением, сложением и взаимоотношением растений как друг с другом, так и с окружающей их средой.
Фобии – состояние навязчивого страха.
269
Фоновая радиация – природное радиоактивное излучение, источниками
которого являются космические лучи, газ радон.
Форезия – явление перемещения в пространстве одного организма (более
мелкого) с помощью другого (И.И.Дедю,1990).
Форические связи – один вид участвует в распространении другого –
форезия, зоохория, орнитохория и пр.
Фотопериодизм – реакция организмов на суточный ритм освещения, то
есть на соотношение светлого и темного периодов суток, выражающаяся в
изменении процессов роста и развития.
Фотосинтез – превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмов лучистой энергии солнца в энергию химических связей
органических веществ. Происходит с участием поглощающих свет пигментов
(хлорофилл и др.).
Х
Хемоавтотрофы, автотрофные микроорганизмы, ассимилирующие органические соединения путём хемосинтеза (И.И.Дедю, 1990).
Хемосинтез – процесс образования некоторыми бактериями органических веществ из диоксида углерода, за счет энергии, полученной при окислении неорганических соединений (аммиака, водорода, соединений серы и др.).
Хемосинтезирующие бактерии, наряду с фотосинтезирующими растениями и
микробами составляют группу автотрофных организмов. Х. открыт в 1887
году С.Н.Виноградским.
Хироптерофаги – организмы, питающиеся летучими мышами.
Хироптерофилия – опыление растений летучими мышами.
Хищничество – тип отрицательных биотических взаимоотношений внутри и/или между различными видами. Способ добывания пищи и питания животных (редко растений), при котором они ловят, умерщвляют и поедают других животных.
Хлорфторуглероды – произведенные промышленным способом вещества, (ХФУ), используемые в холодильниках, кондиционерах, растворителях,
стерилизаторах и для производства разного рода пенопластов. Когда эти вещества попадают в атмосферу, то в результате химических реакций они разрушают озоновый слой атмосферы, что становится причиной повышения уровня
ультрафиолетовой радиации.
Ц
Цепь пищевая – перенос энергии пищи от ее источника – автотрофов
(растений) – через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими.
пастбищная цепь – начинается с зеленого растения и идет далее к пасущимся растительноядным животным (т.е. к организмам, поедающим
живые растительные клетки или ткани) и к хищникам (организмам, поедающим животных).
детритная цепь – идет от мертвого органического вещества к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к их хищникам.
270
Цепь трофическая– пищевая цепь, взаимоотношения организмов при
переносе пищи от источника (зеленых растений) через ряд организмов различных трофических уровней путем поедания одних организмов другими. Все
организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню.
Цианогенез – способность некоторых растений выделять синильную кислоту (клевер, корни персикового дерева).
Циркадные суточные эндогенные ритмы жизнедеятельности, закрепленные генетически и ставшие врожденными.
Цирканные годовые эндогенные ритмы жизнедеятельности, закрепленные генетически и ставшие врожденными.
Ч
Частота встречаемости – это процент проб, в которых обнаружен данный вид.
Численность организмов – 1) число особей данного вида на единицу
площади или в популяции; 2) общее число особей живого (вне зависимости от
их систематической принадлежности) на определенной площади или в единице объема.
Чувствительность – способность организма реагировать на изменения
факторов среды обитания. Высокая степень ч. характерна для стенобионтов.
Различают ч. видовую, возрастную, половую, индивидуальную и др.
Ш
Шлам (от нем. schlamme) – осадок в виде мелких твердых частиц, выделяющихся при отстаивании или фильтрации жидкости.
Шок экологический – резкое нарушение состояния популяции, вплоть
до ее гибели, возникающее при резком изменении биотических или абиотических условий.
Шум – беспорядочные непериодические колебания различной физической природы.
Щелочность – содержание в среде (почве или воде) гидроксильных ионов, обуславливающих щелочную (водородный показатель– рН>7) реакцию
среды.
Э
Эвдемонизм – концепция, сторонники которой считают, что научно–
технический прогресс сам по себе способен положительно решить все социальные проблемы и глобальные проблемы современности.
Эволюция – необратимое историческое развитие живой природы. Определяется изменчивостью, наследственностью и естественным отбором организмов. Сопровождается приспособлением их к условиям существования, образованием и вымиранием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы
в целом.
271
Эврибатные – виды, которые выносят большие перепады давления.
Эврибионты – организмы, имеющие широкий диапазон толерантности к
факторам окружающей среды.
Эвригалинные – виды, которые существуют при различной степени засоления среды.
Эвригигробионты – виды, которые переносят значительные колебания
влажности среды.
Эвриоксиобионты – организмы, способные существовать при значительных колебаниях содержания кислорода в воде (сазан).
Эвритермные – виды, которые выдерживают большие перепады температур (сазан).
Эврифаги – организмы, питающиеся разнообразными видами кормов
(грач).
Эврифотный – переносящий широкий диапазон освещенности.
Эвтрофы – предпочитают среду, богатую питательными веществами (береза бородавчатая).
Эвтрофикация – повышение уровня первичной продукции вод благодаря
увеличению в них концентрации биогенных элементов. Обогащение рек и озер
биогенными элементами, сопровождающееся повышением продуктивности
вод. Эвтрофикация может быть результатом естественного старения водоема,
внесения удобрений или загрязнения сточными водами (в том числе с полей).
Эдафобионты – организмы, обитающие в почве.
Экология – (от греческого oikos–дом, жилище, местопребывание и – логия) – наука об отношениях растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой. Термин «экология»
предложен в 1866 году Э. Геккелем.
Экологическая пластичность (экологическая валентность), свойство
видов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды
(В.А.Радкевич, 1997).
Экологическое сознание – индивидуальная и коллективная способность
понимания неразрывной связи человека и человечества с природой, зависимости благополучия людей от целостности и сравнительной неизменности природной среды обитания человека и использования этого понимания в практической деятельности.
Экологическая система А. Тенсли – совокупность растений, животных и
других организмов, взаимосвязанных между собой и с окружающей средой
таким образом, что подобная система может сохранять устойчивость неограниченно долго.
Экотип – совокупность особей любого вида, приспособленная к условиям
места обитания и обладающая наследуемыми признаками, обусловленными
экологически.
Экотон – резкий переход между двумя или более различными сообществами, например между лесом и степью или между твердым и мягким грунтами
на дне моря.
Экотоп, местообитание сообщества; совокупность абиотических условий
неорганической среды данного участка (В.В.Маврищев, 2000).
272
Экоцентризм – вид экосознания, подразумевающий гармоническое развитие человека и природы, осознание, что ты всего лишь часть природы (противоп. антропоцентризму).
Экоцид – экологическое преступление, заключающееся в уничтожении
раст. или животного мира, отравление атмосферы или водных ресурсов, совершение др. действий способных вызвать эк. катастрофу. (статья УК РФ)
Эксплеренты это виды, быстро размножающиеся и быстро расселяющиеся, появляющиеся там, где нарушены коренные сообщества.
Эктопаразит – паразит, живущий на поверхности тела хозяина, используя его как пищевой ресурс и местообитания (вошь человеческая, клоп постельный, пухоед куриный)
Эктотерм – организм, получающий тепло из окружающей среды (все растения, пойкилотермы, бабочки, кузнечик).
Электромагнитная экология –раздел экологии, изучающий взаимодействие человека и окружающей среды с электромагнитными полями.
Эмбриональный период развития, этап онтогенеза животных, характеризующийся развитием зародыша (эмбриона) в яйцевых оболочках или в теле
матери.
Эмерджентные свойства – см. свойства эмерджентные.
Эмиграция – уменьшение численности за счет убывших из популяции
особей
Эндемичный – вид, встречающийся только в небольших географических
зонах.
Эндозоохория –разнос животными семян.
Эндопаразит –паразиты, живущие внутри хозяина (бычий цепень, аскарида человеческая).
Эндотерм – организм, производящий большую часть тепла за счет внутренних интенсивных обменных реакций (гомойотермы).
Энергетические субсидии – всякое дополнительное вложение энергии,
увеличивающее продуктивность экосистемы.
Энергетическая экспозиция – ЭЭ (энергетическая нагрузка – ЭН) –
доза облучения ЭМП, полученная производственным персоналом. Этот параметр учитывает диапазон частот, интенсивность поля и время пребывания
персонала в поле.
Энтойкия – форма комменсализма, при которой, некоторые организмы
обитают в теле другого организма (хозяина).
Энтомофаги организмы, питающиеся насекомыми (ласточка деревенская,
мухоловка–пеструшка).
Энтомофилия опыление растений насекомыми.
Энтомохория перенос спор и мелких плодов растений насекомыми.
Энтропия – 1) функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты,
сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии. Они приближают систему к состоянию равновесия, в
котором система максимальна. 2) статистическая физика рассматривает энтро-
273
пию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии (Больцмана принцип). Понятием энтропии широко пользуются в физике, химии, биологии и теории информации.
Эпизоотии – прогрессирование во времени и пространстве инфекционной
болезни среди одного или многих видов. Массовое распространение какого–
либо заболевания (обычно инфекционного характера) среди животных
(И.И.Дедю,1990).
Эпизоохория – разнос животными семян и грибов.
Эпиойкия – форма комменсализма, при которой, некоторые организмы
обитают на теле другого организма (хозяина).
Эпителий – у животных и человека (эпительная ткань) – пласт тесно расположенных клеток, покрывающих поверхность организма (например, кожу),
выстилающий все его полости и выполняющий главным образом защитную,
выделительную и всасывающую функции. Из эпителия состоят также большинство желез. У растений клетки – клетки, выстилающие полости органов
или их частей (например, смоляные ходы у хвойных).
Эпифит –растение, поселяющееся на других растениях, главным образом
древесных, но не паразитирующее на них.
Эрозия – процесс разрушения горных пород или любых других поверхностей с нарушением их целостности и изменением физико–химических
свойств в результате процессов механического истирания многообразных физических и химических явлений. В соответствие с последним различают физическую, химическую и биологическую э., водную и ветровую э.
Эстуарий – воронкообразные, широкие и глубокие устья рек, впадающих
в океаны и моря. Особенно хорошо развиты у рек, устья которых подвержены
действию сильных приливов. Образуются в случаях: 1) когда выносимые рекой наносы уносятся в отливах в море; 2) при опускании суши и затоплении
водами моря устьевых частей речных долин.
Эустресс – фаза компенсации, когда организм справился со стрессом и
вышел на более высокий уровень толерантности, реакция тренировки. 3 фаза
стресса после фазы тревоги и мобилизации и фазы сопротивления (противоп.
дистрессу)
Ю
Ювенильные воды (от лат. juvenilis – юный) – подземные воды, поступающие в гидросферу из глубин земли, где образуются из кислорода и водорода в результате дегазации магмы.
Я
Яды гемолитические – свинец, анилин, мышьяк, сероводород, яды некоторых змей и другие вещества, в том числе микробного, растительного или
животного происхождения, вызывающие, при проникновении в организм, разрушение эритроцитов крови с выделением в окружающую среду гемоглобина.
«Ярусность» – расчленение растительного сообщества или экосистемы
на горизонты, слои, ярусы, пологи и др. структурные или функциональные
толщи.
274
ОТВЕТЫ НА ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
РАЗДЕЛ
№
ВОПРОСА
1
4
5
6
7
8
9
10
11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
а
г
в
б
а
а
в
б
г(в)
б
1
1
3
1,3,4
2
3,5
2,4,6
2
2,3,5
2
2
2
3
4
1,2,3,4
4
2
4
4
1
a
б
а
б
б
г
в
а
б
б
2
2
4
4
2
1
3
4
1
4
1
2
3
2
1
3
3
1
2
4
4
1,4
4
3
1
4
4
2(4)
2,3,5,6
4
2,3,4
1,2
1
1
4
4
2,4
2
3
3
11
в
3
4
б
2
1
в
3
0.01
а
2
13
14
15
б
б
в
3
2
1
1
0.1
10
а
б
а
1
2
2
А2,4,6
В1,3,5
2
1
3
1,2,3,
4,5
2
2,4,5
12
3(1,4)
4
2
2
2
4
3
1б,2а
4
1b,2а,
3с
1c,2а,
3b,4d
2b,1a
16
17
б
1Б
2Г
3А
4В
2
1
в
а
2
1
1,2,4
1
2
3
1
1
2
3
3
4
3
4
3
1bd
2ac
а
а
а
а
5
2
3
2
1
4
2
2
в
а
б
г
б
г
г
б
в
б
б
а
3
1,5,6
2,5,6
1,3,4
1
1
2
1
3
2
4
1
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
2
30
31
32
33
34
35
275
3
3
1
1
А1,3,6
Б2,4,5
2
3
1
1,2,3,
5,7
2
1
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ю.М. Сподобаев, А.И. Тихонов, В.П. Кубанов. Экология. Учебное пособие. – Самара. ООО «Офорт», 2005. – 323с.
2. Н.И. Николайкин, Н.Е. Николайкина, О.П. Мелехова. Экология.
Учеб.для вузов. М.: Дрофа, 2003–621 с.
3. Коробкин, В. И. Экология. Учебник для вузов / В. И. Коробкин,
Л. В. Передельский. – Ростов н/Д : Феникс, 2007. – 602 с.
4. Ю.В. Новиков. Экология, окружающая среда и человек: Учеб. пособие для вузов и т.д.– М.: ФАИР–ПРЕСС, 2005.–736 с.
5. Экология. Сборник задач, упражнений и примеров: Учеб. пособие
для вузов / Н.А. Бродская и др.; под редакцией Н.И. Николайкина и т.д.–
М.: Дрофа, 2006.–508 с.
Федеральное государственное бюджетное учреждение
высшего образования
«Поволжский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23
Формат 60×84/16. Электронное издание. Усл. печ.л. 16,04
276
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
7 022 Кб
Теги
ekologiya, konspekt, sitnikova, voronov, 2018, lekcii
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа