Екологія. Конспект лекцій для студентів базових напрямів 060101 "Будівництво", 170203 "Пожежна безпека" Затверджено
 Скачать 1.3 Mb.
|
|
Екологічні системи. Основною функціональною одиницею біосфери є екологічна система (екосистема), до складу якої входять живі організми та абіотичне середовище (рис. 3.2). Екосистема – єдиний природний або при- родно-антропогенний комплекс, утворений живими організмами та се- редовищем їх існування, в якому живі й неживі компоненти поєднані між собою причинно-наслідковими зв'язками, обміном речовин та розподілом потоку енергії. Екологічна система є функцією біоценозу Б з , біотопу Б m , обміну речовин (Р), енергії (Ея) та інших екологічних факторів ∑Е ф : Е = f (Б з ,Б m , Р,Е я ∑Е ф ) Біоценоз– це сукупність живих організмів, які взаємодіють між собою за допомогою трофічних або просторових зв’язків і населяють більш-менш одно- рідну ділянку суші чи води. Послідовна зміна біоценозів, що спадкоємно виникають на одній і тій самій території внаслідок природних чи антропо- генних факторів, називається сукцесією (рис. 3.3). Продуктивність біомаси Біомаса 200(250) 150(200) 125(175) 100(150) 75(100) 25(50) 15(25) 0 Кедрово- піхтового лісу Сосново- кедрового лісу Соснового лісу Змішаного сосново- листяного лісу Березового або осикового лісу Заростання кущами Війникового лугу фази Рис. 3.3. Сукцесія сибірського темнохвойного лісу після спустошливої лісової пожежі (узагальнена схема) Стійкою екологічною системою є біогеоценоз. Біогеоценоз (рис. 3.4)–одно- рідна ділянка суходолу чи водної поверхні з певним складом живих (біоценоз) та неживих (приземний шар атмосфери, ґрунт, вода, сонячна енергія) компонентів, що динамічно взаємодіють між собою в процесі обміну речовин та енергії. Біогеоценоз є більш загальним поняттям і його складовими є біотоп і біоценоз. Час, рік 38 Рис. 3.4. Схема будови біогеоценозу (за В.М.Сукачовим) Біотоп– ділянка суходолу чи водойми з однотипними умовами рельєфу, клімату та інших абіотичних факторів, яку займає певний біоценоз. Біотоп – неорганічний компонент біогеоценозу. Отже, біоценоз – спільнота живих організмів, що мешкають у межах одного біотопу. У кожній екосистемі виділяють такі компоненти: 1) неорганічні речовини (вуглець, азот, вуглекислий газ, вода та ін.), які вступають у колообіг; 2) органічні речовини (білки, вуглеводи), які об’єднують біотичну та абіотичну частини екосистеми; 3) клімат (температура, вологість, тиск та ін.); 4) продуценти – виробники живої органічної речовини з неорганічної (це – переважно рослини), Продуцентами є автотрофні (хемо- та фототрофні) організми, що продукують органічну речовину з неорганічної. Продуценти є первинного ланкою ланцюгів живлення; 5) консументи (рослино- та м'ясоїдні тварини) – організми, які спожи- вають органічну речовину, створену продуцентами або перетворену консу- ментами нижчих рівнів екологічної піраміди. Розрізняють консументи пер- шого порядку (травоїдні), другого і вищих порядків (хижаки, паразити тощо); 6) редуценти – організми (переважно бактерії, гриби), які в процесі життєдіяльності перетворюють, розкладають органічні рештки на неорга- Біогеоценоз Біоценоз Рослини (фітоценоз) Тварини (зооценоз) Мікроорганізми (мікробіоценоз) Повітря Ґрунт Водойми 39 нічні речовини, тобто на прості мінеральні сполуки. Редуценти є заключною ланкою ланцюгів живлення. Екологічна ніша – діапазон (відповідно до абіотичних та біотичних факторів) умов, за яких живе і відтворює себе популяція. Тобто це загальна сума вимог організму до умов існування, зокрема простір, який він займає, функ- ціональна роль у співтоваристві (наприклад, трофічний статус) та його толе- рантність стосовно факторів середовища – температури, вологості, кислотності, складу ґрунту тощо. Загальні принципи стабільності та стійкості екологічних систем. Основою стабільності та стійкості екологічних систем є біологічне різнома- ніття – варіативність живих організмів на всіх рівнях біологічної організації. У 1992 році саміт ООН з питань довкілля в Ріо-де-Жанейро прийняв Конвенцію про біорізноманіття та визначення біорізноманіття як «мінливості серед живих організмів із будь-яких ареалів, включаючи, зокрема, суходольні, морські та інші водні, та серед екологічних комплексів, частинами яких вони є: це включає мінливість всередині видів, між видами, та між екосистемами». Високе біорізноманіття забезпечує стабільність та продуктивність екосистем. Різні види, займаючи відповідні екологічні ніші, забезпечують використання ресурсів. Конкуренція за ресурси між видами сприяє ефектив- нішому природному добору. Біологічне різноманіття складається з видового, популяційного, ценотич- ного та генетичного різноманіття. Внаслідок господарювання людини відбулися значні зміни в ландшафтах та середовищах існування. Різко зменшилася площа, зайнята природними угрупованнями. Спостерігається антропогенне забруднення значних тери- торій, зокрема важкими металами, радіонуклідами, стійкими органічними сполуками, що загрожує втратою гено-, цено- та екофонду та формує соціально-екологічний дискомфорт населення. У 2004 р. уряд України схвалив «Концепцію загальнодержавної програми збереження біорізноманіття на 2005–2025 роки», основними завданнями якої є мінімізація негативного впливу на біорізноманіття та максимальне зміцнення природної основи біорізноманіття. Метою Програми є: подолання тенденції деградації живої компоненти довкілля; екологізація сфер суспільної діяль- ності, яка може негативно впливати на компоненти біорізноманіття та дов- кілля; максимальне відтворення первинного стану природних комплексів. У Програмі йдеться, зокрема про таке. Біота України нараховує понад 70 тис. видів, з них флора та мікобіота – понад 27 тис. (гриби і слизовики – 15 тис., водорості – 5 тис., лишайники – 1,2 тис., мохи – 800 і судинні рослини – 5,1 тис., фауна – понад 45 тис. видів (з них комахи – 35 тис., членистоногі без комах – 3,4 тис., черви – 3,2 тис. тощо). 40 За багатством біорізноманіття Україна поступається в Європі тільки Франції, і це покладає на неї високу відповідальність за його збереження. Негативний вплив техногенних факторів призвів до значної деградації екосистем та екологічної кризи глобального характеру, а саме – зміни клімату, зменшення товщини озонового шару, забруднення екотопів важкими мета- лами, нафтопродуктами, хімічними речовинами, випадання кислотних дощів і поширення явищ спустелювання, унаслідок чого 65 відсотків екосистем світу вже знищено або істотно змінено. Основні закони загальної екології. На думку відомого еколога Д. Чіраса, природа розвивається і функціонує за чотирма основними принципами: − рециклічності, або повторного багаторазового використання найваж- ливіших речовин; − постійного відновлення ресурсів; − консервативного споживання ( коли живі істоти споживають лише те й у такій кількості, яка їм необхідна); − популяційного контролю (природа не допускає вибухоподібного росту популяцій, регулюючи кількість особин того чи іншого виду створенням відповідних умов для його існування та розмноження). Більшість цих та інших екологічних принципів і законів вдало узагальнив американський еколог Б. Коммонер у 1974 р., інтегрувавши їх до чотирьох законів. Закон перший: у природі все взаємопов’язане. Екологія розглядає біосферу нашої планети як складну систему з багатьма взаємопов'язаними елементами. Ці зв'язки реалізуються за принципами зворотного негативного зв'язку (згадаємо, наприклад, систему «хижак–жертва»), прямих зв'язків (в екосистемах «працюють» усі дії логічної алгебри – «або», «і», «не»), а також завдяки різноманітним взаємодіям, що взаємно виключають одна одну. За рахунок цих зв'язків формуються гармонійні системи кругообігу речовин та енергії. Будь-яке втручання в роботу збалансованого механізму біосфери викликає відповідь одразу за багатьма напрямами, що робить прогнозування в екології надзвичайно складною справою. Закон другий: ніщо в природі не зникає безслідно, усе має кудись діватися. За своєю сутністю це – фундаментальний закон природи про вічність матерії. На прикладі біологічного кругообігу видно, як рештки та продукти життєдіяльності одних організмів є в природі джерелом існування для інших. В природній екосистемі екскременти і відходи одних організмів слугують їжею для інших. Вуглець, який виділяють тварини у вигляді вуглекислого газу, є поживною речовиною для більшості рослин. Рослини продукують кисень, який використовують тварини. Органічні відходи тварин 41 слугують їжею для бактерій, які розщеплюють їх на дрібні елементи. Відходи бактерій – це неорганічні речовини, такі як азот, фосфор, вуглець, якими живляться водорості. Людина поки що не створила такого гармонійного колообігу в своїй господарській діяльності. Будь-яке виробництво, крім необхідної продукції, утворює відходи; ці відходи накопичуються, знову втягуються у колообіг речовин і призводять до непередбачуваних наслідків. Закон третій: природа знає краще. «Живе складається з багатьох тисяч різноманітних органічних сполук, — пише Б. Коммонер, — і часом здається, що принаймні деякі з них можуть бути поліпшені, якщо їх замінити якимось штучним варіантом природної субстанції». Третій закон екології стверджує, що штучне введення органічних речо- вин, які не існують у природі, а створені людиною і беруть участь у функ- ціонуванні живих систем, завдасть радше шкоди. Одним із найдивовижніших фактів у хімії живих речовин є те, що для будь-якої органічної субстанції, виробленої живими істотами, в природі є фермент, здатний цю субстанцію розкласти. Тому, коли людина синтезує нову органічну сполуку, яка за структурою значно відрізняється від природних речовин, цілком імовірно, що для неї немає розкладального ферменту, й ця речовина «накопичуватиметься». Другий закон допомагає зрозуміти, які наслідки матиме таке накопичення. Закон четвертий: ніщо не дається задарма. «Глобальна екосистема є єдиним цілим, і все, що вилучається з неї людською працею, має бути відшкодоване. Сплати за цим векселем не можна уникнути, її можна лише відстрочити», – пише Б. Коммонер. Четвертий закон стверджує: природні ресурси не є нескінченними. Людина в процесі своєї діяльності нині бере у природи в «борг» частину її продукції, залишаючи під заставу ті відходи й ті забруднення, яким не може чи не хоче запобігти. Цей борг зростатиме доти, доки існування людства не опиниться під загрозою й люди сповна не усвідомлять необхідність усунення негативних наслідків своєї діяльності. Це усунення потребуватиме дуже великих затрат, які й стануть сплатою цього боргу. Закон біогенної міграції атомів(закон Вернадського). У біосфері відбу- вається постійний колообіг активних елементів, які переходять від одного організму до іншого, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються за допомогою мікроорганізмів під час гниття, надходять у ґрунт і атмосферу, знову включаються до колообігу речовин біосфери, поглинаючись живими організмами. У цьому й полягає біогенна міграція атомів. Для цього процесу характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах та їхнє подальше вивільнення внаслідок розкладу мертвих організмів. 42 Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона, пропускаючи крізь себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери та атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диферен- ціацію. Завершивши свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли у неї протягом життя. В.І. Вернадський підрахував, що за час існування на Землі біосфери створено 3,5 10 19 т біомаси, що майже в 2 рази перевищує масу всієї земної кори, яка становить 2 10 19 т. Жива речовина значно прискорила і змінила колообіги різних речовин – води, кисню, азоту, вуглекислого газу тощо. Сучасний склад атмосфери створений завдяки діяльності живої речовини. Обмін повітря між всіма широтами і півкулями Землі відбувається в середньому за 2 роки. Активно переміщується течіями океанічна вода. Вся прісна вода стікає в океан за 14 діб, у льодовиках вода оновлюється за 15 000 років. Жива речовина активно регулює геохімічну міграцію атомів: зберігається стабільність біосфери і здійснюється еволюція як живих організмів, так і всієї біосфери. Цей особливий вид стану рівноваги, що постійно змінюється, В.І Вернадський називав динамічною рівновагою. Закон константності біосфери(закон Вернадського). Загальна кількість живої речовини біосфери для певного геологічного періоду є сталою вели- чиною, константою. У разі зростання чисельності одного виду (наприклад, людини), зменшуватиметься чисельність інших видів (рослин та тварин). Закон максимуму біогенної енергії(закон Вернадського-Бауера). За супер- ництва з іншими системами виживає та, яка в найкращий спосіб сприяє надходженню енергії і яка використовує максимальну її кількість найбільш ефективним способом. Закон вектора розвитку. У природі будь-який розвиток є односпря- мованим. Неможливо прожити життя в зворотному напрямку, тобто від смерті до народження, від старості до молодості. Життя живих систем у природі відбувається лише один раз і в одному напрямку. Закон мінімуму (закон Лібіха). Витривалість живого організму є найслаб- шим місцем у низці його екологічних потреб. Це означає, що життєві мож- ливості організму обмежує той екологічний фактор, кількість якого близька до необхідного мінімуму для організму або екосистеми. Подальше зниження його веде до загибелі організму або до деструкції екосистеми. Юстус Лібіх (1803 – 1873) – видатний німецький хімік, який започаткував основи агрохімії й теорії мінерального живлення рослин. Він першим почав вивчати вплив різних факторів на ріст рослин; при цьому ним було вста- 43 новлено, що урожай культур часто лімітується не тими елементами живлення, які потрібні в значній кількості, а навпаки – тими, що потрібні в малих кількостях (наприклад, цинк), але яких у землі дуже мало. Висновок “Речовина, що знаходиться в мінімумі, керує врожаєм і визначає величину і стійкість останнього у часі” став відомий як закон мінімуму Ю.Лібіха. Закон екологічної толерантності (екологічної валентності) (закон Шелфорда).Шелфорд показав, що відсутність або неможливість розвитку екологічної системи визначається не лише нестачею, але й надлишком будь- якого з факторів (тепло, світло, вода і т.д.). Життєдіяльність будь-якого організму можлива лише в певних межах значень екологічного фактора, за межами цих значень (як мінімального, так і максимального) життя неможливе. Діапазон екологічного фактора між його мінімальним і максимальним значенням називається зоною толерантності. В межах зони толерантності виділяють зону нормальної життєдіяльності – в межах якої організм (чи популяція) не лише виживає, а й здійснює всі притаманні цій системі функції (ріст, живлення, розмноження). Межі, за яких усі процеси життєдіяльності відбуваються у найбільш сприятливих умовах, називають зоною оптимуму. Закон незворотності еволюції (Л. Долло, 1893 р.). Живий організм (вид, популяція) не може вернутись до колишнього стану, який пройдений його предками. Наприклад, наземні хребетні тварини в процесі вторинного пристосування до життя у воді, не стають знову рибами і не набудуть ознак, властивих рибам (наприклад, зябер та ін.). Закон незліквідованості відходів, або закон побічних впливів виробництва (господарства).Для будь-якого господарського циклу характерним є утворення відходів. Відходи можуть бути лише переведені із однієї форми в іншу або переміщені в просторі. Закон послідовності проходження фаз розвитку. Для природної екосистеми фази розвитку можуть проходити лише в еволюційно закріпленоій (історично та екологічно зумовленій) послідовності, звичайно від простого до складного. Закон зниження енергетичної ефективності природокористування. У природі в ході історичного розвитку при одержанні корисної продукції на її одиницю в середньому витрачається все більша кількість енергії. Закон ноосфери (перетворення біосфери в ноосферу, В. І. Вернадський). На сучасному рівні розвитку людської цивілізації біосфера неминуче перетвориться в ноосферу, тобто у сферу, де розум людства в розвитку природи відіграє основну роль. Закон розвитку природної системи за рахунок навколишнього середо- вища. Будь-яка природна система може розвиватись лише за рахунок використання матеріальних, енергетичних та інформаційних можливостей 44 навколишнього середовища. Абсолютно ізольований саморозвиток живої системи неможливий. Згідно з законами термодинаміки можна стверджувати: − неможливі ні цілком безвідходне виробництво, ні «вічний двигун»; − використовуючи і видозмінюючи середовище життя, будь-яка більш високоорганізована біологічна система (вид живого) становить потенційну загрозу для нижчеорганізованих систем. Саме завдяки цьому в земній біосфері неможливо відродити життя, яке було або буде знищене іншими організмами; − біосфера Землі розвивається не лише за рахунок природних ресурсів планети, а й за рахунок та під впливом космічних систем і, насамперед, Сонця. Закон фізико-хімічної єдності живої речовини (В. І. Вернадський). Вся жива речовина Землі фізико-хімічно єдина. Із цього закону випливає важ- ливий висновок: те, що шкідливе для одних видів істот, є шкідливим і для інших. Будь-які фізико-хімічні фактори впливу, які є смертельними для одних організмів, не можуть не завдавати шкоди іншим живим організмам. Нап- риклад, тривале використання пестицидів у сільському господарстві є еколо- гічно неприпустимим: шкідники швидко пристосовуються та виживають, а об’єми хімічних речовин, які є забрудниками, доводиться дедалі збільшувати). Закон екологічного лиха. Стосується території чи акваторії, в межах яких спостерігається перехід стану природного середовища від катастрофічної фази до фази колапсу, що робить її (територію чи акваторію) непридатною для життя. Правило Лібіха, або закон обмежувального фактора (правило мінімуму), має таке тлумачення: в комплексі факторів сильніше діє той, який ближче до межі витривалості. Правило взаємодії факторів полягає в тому, що одні фактори можуть підсилювати або пом'якшувати силу дії інших факторів. Наприклад, надлишок тепла може до деякої міри пом'якшувати зниження вологості повітря. Проте це не означає, що фактори можуть взаємозамінюватися. Закон лімітуючого фактора лежить в основі теоретичного обrрунтування величини гранично допустимої концентрації (ГДК) або гранично допустимої дози (ГДД) забрудників. Цілком зрозуміло, що стосовно забруднювальних речовин нижня межа толерантності не має значення, а верхня не повинна збільшуватися ні за яких умов. Тому ті порогові значення фактора, за яких в організмі ще не відбувається жодних необоротних патологічних змін, які встановлюють експериментально, і слід приймати як ГДК (ГДД). Належить брати до уваги закон рівнозначності умов життя: всі природні умови середовища, необхідні для життя, відіграють рівнозначні ролі. З нього випливає закон сукупної дії екологічних факторів. |