Экология Часть 1. Курс лекций Красноярск сфу 2 010 удк 574(042. 4)(075) ббк 28. 081 я 73 Ч90 а вторы
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет ЭКОЛОГИя Курс лекций Красноярск СФУ 2 010 УДК 574(042.4)(075) ББК 28.081я73 Ч90 А вторы: О. А. Барабанова, И. Н. Безкоровайная, Е. Б. Бухарова, Е. Н. Заворуева, О. А. Кузнецова, О. Г. Морозова, Е. Я. Мучкина, Н. В. Пахарькова, И. М. Попельницкая, Г. А. Сорокина, О. В. Тарасова Рецензенты: Л. С. Шугалей, доктор биологических наук, профессор кафедры «Геоэкология» Красноярского аграрного университета; В. Г. Суховольский, доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Институт леса им. В. Н. Сукачева Ч90 Экология: курс лекций / О.А. Барабанова, И.Н. Безкоровайная, Е.Б. Бухарова [и др.]. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 325 с. Рассмотрены такие уровни организации жизни, как популяция, экосистема, биосфера; последствия антропогенных воздействий на биосферу; рациональное природопользование. Предназначено для студентов небиологических специальностей. УДК 574(042.4)(075) ББК 28.081я73 Печатается по решению редакционно-издательского совета Сибирского федерального университета I SBN 978-5-7638-2139-0 © Сибирский федеральный университет, 2011 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 4 Глава 1. Структура и функции биосферы 6 Лекция 1. Введение в дисциплину 6 Лекция 2. Биосфера 21 Лекция 3. Среды жизни. Организм и среда 36 Лекция 4. Экосистема 47 Лекция 5. Популяция 57 Лекция 6. Круговороты веществ в экосистемах 68 Лекция 7. Поток энергии в биосфере 82 Литература к главе 1 99 Глава 2. Глобальные проблемы биосферы 101 Лекция 8. Факторы деградации биосферы. «Демографический взрыв» ХХ века 101 Лекция 9. Загрязнение биосферы 116 Лекция 10. Антропогенные воздействия на атмосферу, гидросферу и литосферу 127 Лекция 11. Климат, изменения климата в прошлом и настоящем. 144 Лекция 12. Окружающая среда и здоровье человека 156 Лекция 13. Деградация биоценозов и ограниченность биосферы 170 Литература к главе 2 182 Глава 3. Экологические принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы 185 Лекция 14. Рациональное использование природных ресурсов 185 Лекция 15. Основы экономики природопользования 194 Лекция 16. Экозащитная техника и технологии 217 Лекция 17. Основы экологического права 238 Литература к главе 3 254 Заключение 256 Приложение 1 257 Приложение 2 276 Приложение 3 321 Библиографический список 322 ВВЕДЕНИЕ Экология: этот термин стал таким же модным, как, например, окружающая среда или загрязнение. Каждый исследователь, желающий быть современным, занимается экологией, но проблемы, которые интересуют биолога, по содержанию отличаются от проблем, рассматриваемых геофизиком, социологом, юристом или экономистом. Таким образом, каждый специалист придает этому термину до такой степени различное значение, что неспециалисту становится трудно определить, что же такое «экология». П. Агесс В 1866 г. немецкий биолог Э. Геккель ввел термин «экология»: «это познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно неантагонистические и антагонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвиным как условия борьбы за существование». Экология первоначально возникла как биологическая наука, но в последние десятилетия в связи с быстрым ростом исследований в области экологии изменяется взгляд на нее как естественную науку. Действительно, недостаточно изучать связи между живыми существами и средой, исключая при этом человека. Обширное поле экологии и экологически ориентированных наук охватывает все области практики. Появляются новые экологические дисциплины, особенно в сфере эколого-экономических наук. Необходимо устранить терминологическую путаницу, что позволит улучшить обмен информацией между специалистами разного профиля. В решении экологических проблем велика роль подготовки экологических кадров, экологического образования и воспитания населения страны. Знания о природе – немаловажная основа для формирования моральных качеств личности, способности мыслить масштабно и предвидеть возможные последствия деятельности человека для окружающей его среды и здоровья его самого. Знания о природе и человеке в их взаимосвязи являются исходным пунктом в осознании того, насколько важно применение экологических принципов также в экономике, технике и социальной сфере. Данный курс лекций состоит из трех глав, введения, заключения, библиографического списка и трех приложений. В главе 1 рассматривается биосфера глазами экологов, отличие условий обитания организмов в разных экосистемах, а также таких уровней организации жизни, как популяция, экосистема, биосфера; взаимодействие всего живого на земле. В главе 2 рассматриваются последствия антропогенных воздействий на биосферу. В главе 3 рассматривается рациональное природопользование. Освоение курса «Экология» позволит изучить экологию как биологическую науку о живых системах в их взаимодействии со средой их обитания и сформировать целостное представление о структуре и функциях биосферы, ознакомиться с глобальными проблемами биосферы и экологическими принципами рационального использования природных ресурсов и охраны природы, основами экономики природопользования и экологического права. Учебное пособие «Экология. Курс лекций» предназначено для студентов небиологических специальностей СФУ: 010000 – физико-математические науки; 020000 – естественные науки; 030000 – гуманитарные науки; 050000 – образование и педагогика; 080000 – экономика и управление; 090000 – информационная безопасность; 100000 – сфера обслуживания; 120000 – геодезия и землеустройство; 130000 – геология, разведка и разработка полезных ископаемых; 140000 – энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника; 150000 – металлургия, машиностроение и материалообработка; 160000 – авиационная и ракетно-космическая техника; 190000 – транспортные средства; 200000 – приборостроение и оптотехника; 210000 – электронная техника, радиотехника и связь; 220000 – автоматика и управление; 230000 – информатика и вычислительная техника; 260000 – технологии продовольственных продуктов и потребительских товаров; 270000 – строительство и архитектура; 280000 – безопасность жизнедеятельности, природообустройство и защита окружающей среды и соответствует требованиям действующего Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (блок ЕН ГОС ВПО). В библиографический список включены монографии, учебники, учебные пособия отечественных и зарубежных авторов, что достаточно, чтобы расширить объем знаний в области экологии. Глава 1. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ История формирования науки экология. Структура, свойства, задачи и объект экологии. Современная экологическая ситуация на планете Еще в первобытном обществе каждому индивиду, чтобы выжить, необходимо было обладать запасом необходимых знаний о природных условиях, силах природы, видах животных, местах их обитания и повадках. Но человечество на каждом этапе своего развития использовало их, пытаясь покорить природу, изменить в угоду своим прихотям, наращивая силу и масштабы потребления всех ресурсов. Сегодня люди в общем поняли, что существование по принципу «человек – царь природы» неоправданно дорого обходится как самой природе, так и будущему человечеству. И, возможно, основная причина возрастания интереса к экологии заключается в следующем: во-первых, термин «экология» в дословном переводе с греческого обозначает науку о доме, «oikos» – дом, жилище; «logos» – наука, это учение о доме, объясняющее взаимоотношения всех живых организмов, включая человека, с природой. А так как зачастую природообразующая антропогенная деятельность нарушает ход естественных процессов, приводит к загрязнению и как следствие оказывает негативное влияние на качество жизни и здоровье человека, то необходимо познать и понять законы природы, чтобы не допустить экологической катастрофы; во-вторых, человечество стремится найти решение таких глобальных проблем, как сохранение и возобновление ресурсов, всеобъемлющее загрязнение, увеличение численности населения планеты, обезлесение, изменение климата и др. В настоящее время термин «экология» имеет множество значений. Экология стала больше ориентированной на человека в связи с его исключительно глобальным и специфическим воздействием на среду. Приведем лишь несколько определений науки «экология» и поставленные перед ней задачи: «...Под экологией мы подразумеваем общую науку об отношении организма к окружающей среде, куда мы относим все “условия существования” в широком смысле этого слова. Они частично органической, частично неорганической природы» [Геккель, 1870. С. 286]; «...Содержанием экологии является изучение взаимоотношений организма (вида) со средой его обитания, изучение приспособлений и противоречий между особенностями вида и элементами этой среды, именуемой факторами; задачей экологического исследования является познание “условий существования” вида, то есть тех факторов среды, которые являются необходимыми для существования вида, дабы, зная эти условия существования, управлять жизнью вида или всего комплекса» [Кашкаров, 1938. С. 10]; «...Экология – биологическая дисциплина, изучающая взаимоотношения организмов и среды, обусловливающие образ жизни: размножение, питание, выживаемость, численность и распределение животных» [Наумов, 1973. С. 3]; «...Экология – это наука о взаимоотношениях организмов и образуемых ими сообществ, или биоценозов, с окружающей средой, о приспособленности организмов и биоценозов к условиям среды и о противоречиях организмов и биоценозов с окружающей средой (живой и мертвой)» [Раменский и др., 1956. С. 320]; «...утверждаю, что экология – это изучение систем на том уровне, на котором индивиды (организмы) рассматриваются как элементы, взаимодействующие между собой либо с окружающей средой. Системы такого уровня называются экосистемами, и экология есть не что иное, как биология таких систем» [Margalef, 1969. С. 5]; «...Под экологией понимается наука (или комплекс наук) о взаимодействии общества и природы...» [Философский словарь, 1987. С. 556]; «Экология – это наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают...» [Дажо, 1975. С. 9]. Американский эколог А. Леопольд (1887–1948) сравнил Землю с рекой, не имеющей ни начала, ни конца – «Round river», по которой мы плывем на бревнах. Изучение причин возникновения заторов он назвал экономикой, рассмотрение старых маршрутов – историей; выбор новых маршрутов – управлением; разговоры о возможных речных порогах – политикой. Изучение почв, флоры и фауны вдоль русла реки – это биология, а изучение их происхождения, развития во времени – геология и эволюция; практическое использование – промышленность. Экология – наука о самой «Round river». В настоящее время экологию можно рассматривать как науку, занимающуюся изучением взаимоотношений организмов, в том числе и человека, со средой, определением масштабов и допустимых лимитов воздействия человеческого общества на среду, возможностей уменьшения этих воздействий или их полной нейтрализации. В стратегическом плане – это наука о выживании человечества и выходе из экологического кризиса, который приобрел (или приобретает) глобальные масштабы в пределах всей планеты Земля. 1.1. История формирования науки экология Термин «экология» был введен в употребление немецким естествоиспытателем Э. Геккелем в 1866 г. и по этой причине экологию иногда связывают только с учением о среде обитания (доме) или окружающей среде. Последнее в основе правильно. Однако с существенной поправкой: среду нельзя рассматривать в отрыве от организмов, как и организмы вне их среды обитания. Это составные части единого функционального целого, что и подчеркивается приведенным определением экологии как науки о взаимоотношениях организмов и среды. Экология как наука молода, однако к ней возник практический интерес еще на заре развития человечества. Природа всегда была и будет основой и источником жизни человека, а существование человеческой цивилизации на нашей планете неразрывно связано с природными условиями. Первобытный человек, борясь за выживание, должен был иметь представление о силах природы, растениях и животных. О том, что разные виды животных связаны с определенными условиями, что их численность зависит от урожая семян и плодов, которыми питаются животные, наверняка знали древние охотники уже 100–150 тыс. лет назад. О зависимости растений от внешних условий хорошо знали уже первые земледельцы. Первый экологический кризис антропогенного происхождения, который поставил под угрозу само выживание человека, отмечен в эпоху верхнего палеолита. Длительность культуры верхнего палеолита составляла около 25–30 тыс. лет. Экономической основой этой эпохи была охота на крупных животных, в которой использовались орудия, позволяющие добывать даже таких крупных животных, как мамонт и шерстистый носорог, мастодонт, мегатерий, лошадь, верблюд и др. В эту эпоху исчезли многие крупные животные, населявшие умеренные широты Северного полушария. Так, в Европе вымерли многие ранее широко распространенные крупные травоядные животные: мамонт, шерстистый носорог, степная разновидность зубра, гигантский олень, а также некоторые крупные хищники – пещерный лев, пещерный медведь и др. При этом произошли существенные изменения в распространении ряда сохранившихся видов крупных животных. Так, например, в Западной и Центральной Европе исчезли обитавшие там огромные стада северных оленей. Сходные изменения в животном мире произошли в это время в Азии и Северной Америке, возможно, и на других континентах. М. И. Будыко (1977) подчеркивает, что конец палеолита характеризовался резким переломом в ранней истории человечества. По-видимому, этот перелом был связан с прекращением массовой охоты на крупных травоядных животных, численность которых значительно снизилась. Однако интенсивная охота продолжалась, и процесс уничтожения крупных травоядных все ускорялся, и последняя его фаза протекала особенно быстро. Охотничьи племена попали в трудное положение, поскольку у них не оказалось достаточно времени для постепенного перехода к другим способам добывания пищи. Расчеты М. И. Будыко показывают, что численность мамонтов после начала охоты на них сравнительно мало менялась в течение от 10 до 25 тыс. лет. Затем их численность начала быстро убывать, и через несколько столетий после окончания периода стабильной численности они полностью вымерли. В связи этим можно предположить, что переход к мезолиту (среднему каменному веку) имел болезненный характер для первобытного общества и сопровождался временным сокращением численности населения. Следовательно, окончание культуры палеолита в Европе было в известной мере результатом неразрешимого противоречия между массовой охотой на крупных животных, обеспечившей временное изобилие пищи и сделавшей возможным увеличение численности населения, и ограниченностью природных ресурсов для этой охоты. Правда, считается, что в этот период климат на планете стал суше, что сказалось на запасе пищи для травоядных животных. Это было еще одной причиной общего сокращения численности крупных животных на планете. Около 30–40 тыс. лет назад в Европе появился современный человек, который сменил ранее существовавших там неандертальцев и на основе более совершенной техники обработки каменных и костяных орудий создал эффективную систему массовой охоты на крупных травоядных животных. Произошло значительное увеличение численности населения Европы, заметно повысился уровень материальной культуры. Оборот сельскохозяйственных культур на полях и огородах (севооборот) применяли в древнем Египте, древнем Китае и древней Индии еще 5 тысячелетий назад. Сложнейшая и экологически выверенная система земледелия была у индейцев майя в древней Америке. За 2 тыс. лет до н. э. в Египте и Месопотамии человек создал грандиозные оросительные системы, принципиально изменившие окружающий мир. Древняя Греция: Аристотель Стагирский (384–322 гг. до н. э.) классифицировал животных по образу их жизни, а Теофраст Эрезийский (372–287 гг. до н. э.) писал о зависимости формы роста растений от почвы и климата. Древний Рим: Плиний Старший (23–79 гг. до н. э.) в своем многотомном труде «Естественная история» многие явления природы рассматривал с подлинно экологических позиций. В средние века в Европе произошел откат человеческой мысли далеко назад, церковь явилась тормозом развития всех естественных наук. Однако великие географические открытия ХV, XVI вв. заставили переосмыслить многие религиозные догматы. Путешественники из дальних стран привозили неведомых животных и семена неведомых растений. Чтобы разобраться во всем этом многообразии форм живых существ, необходимо было создать таксономическую систему и таким образом осмыслить это разнообразие. И такое осмысление произошло. Одно из первых высказываний, относящихся к сфере социальной экологии, принадлежит французскому естествоиспытателю-эволюционисту Жану-Батисту Ламарку (1744–1829). Он наряду с раскрытием ряда закономерностей влияния среды на организмы впервые обратил серьезное внимание на специфическую роль человека и возможные катастрофические последствия. Он писал: «Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания». Это высказывание перекликается с «Пророчествами» Леонардо да Винчи (1452–1519), предрекавшего появление существ, результаты деятельности которых «...ничего не оставят ни на земле, ни под водой, что не было бы преследуемо и не подвергалось искоренению...». Карл Линней в первой половине XVIII в. создал таксономическую систему животных и растений, а Альфонс де Кандоль (1806–1895) в своей «Ботанической географии» описывал влияние абиотических факторов на растительные организмы. Большой вклад в развитие экологических представлений в это время внесли и российские ученые, такие как П. С. Паллас (1741–1811), И. И. Лепехин (1740–1802), С. П. Крашенинников (1711–1755), М. В. Ломоносов (1711–1765). И это не случайно, так как Россия в XVII в. сильно расширила свои границы, выйдя своими восточными рубежами на побережье Тихого океана. Так, в 1775 г. русский ученый А. А. Каверзнев (годы жизни не известны) издал книгу «О перерождении животных», в которой с экологических позиций рассматривал вопрос об изменениях животных. Другой русский исследователь А. Т. Болотов (1738–1833) разработал классификацию местообитаний растений. Огромную роль в развитии экологических идей сыграл немецкий ученый А. Гумбольдт (1769-1859), издавший в 1807 г. книгу «Идеи географии растений», где ввел ряд научных понятий, которые и сегодня используются экологами (например, экобиоморфа растений, ассоциация видов, формация растительности и др.). Профессор Московского университета К. Ф. Рулье (1814–1858) четко сформулировал мысль о том, что развитие органического мира обусловлено воздействием изменяющейся внешней среды. Считается, что К. Ф. Рулье в своих трудах заложил основы экологии животных. Кардинально поворотной точкой в развитии экологических представлений о природе явился выход знаменитой книги Ч. Дарвина (1809–1882) о происхождении видов путем естественного отбора. Это великое открытие в биологии явилось мощным толчком для развития экологических идей. Не случайно в 1866 г. вскоре после выхода в свет учения Ч. Дарвина Э. Геккель (1834–1919) предложил термин для новой науки «экология», который оказался удачным и очень емким. Именно его используют современные ученые для обозначения целой системы наук. Э. Геккель был не одинок в изучении влияний окружающей среды на живые организмы. В 1877 г. немецкий гидробиолог К. Мебиус (1825–1908) разработал учение о биоценозе как сообществе организмов, которые через среду обитания теснейшим образом связаны друг с другом. Термин биоценоз также широко используется современными учеными. Считается, что это часть любой экосистемы. В 1895 г. датский ученый Е. Варминг (1841–1924) ввел термин «экология» в ботанику для обозначения самостоятельной научной дисциплины – экологии растений. Русский ученый В. В. Докучаев (1846–1903) создал учение о природных зонах и учение о почве как особом биокосном теле (системе). Идеи В. В. Докучаева положили начало развитию геоботаники и ландшафтоведения, ведь почва – это неотъемлемый компонент практически всех экосистем суши нашей планеты. В середине XX в. экологию стали понимать как науку об экосистемах и биосфере. Начало этому положили работы В. И. Вернадского, В. В. Докучаева, Ю. П. Одума, А. Дж. Тенсли, Н. В. Тимофеева-Ресовского и других известных ученых. В 1935 г. выходят в свет учения об экосистемах английского геоботаника А. Дж. Тенсли. Оригинальны и интересны исследования В. Н. Сукачева (1880–1967), посвятившего многие годы комплексному изучению лесных систем (сообществ), результатом чего явилось всестороннее рассмотрение единства и взаимообусловленности природных явлений, живой и неживой материи. В 1942 г. он ввел в науку термин «биогеоценоз», раскрыл его содержание. Стало ясно, что современная биосфера, среда обитания всех живых организмов, является продуктом их жизнедеятельности: неустанного воспроизведения, метаболизма (обмена веществ) и посмертного разложения мириадов живых существ. Почвенная, водная, наземная, воздушная среда жизни есть результат постоянного взаимодействия и взаимопроникновения живого и неживого вещества. Жизнь возможна только в сообществах (биоценозах) и в строго определенной совокупности условий, характеризующей место их обитания (биотоп). Экосистемы и биосфера в целом являются высшим уровнем организации живого на планете Земля. Они, как и любая живая система, способны к саморегуляции, т. е. самосохранению, поддержанию своего видового состава, и воспроизведению связей между отдельными видами. Такое представление об устойчивости экосистем, их гомеостазе, или иначе экологическом равновесии, – одно из основополагающих понятий современной экологии. Особую роль в становлении и развитии экологии сыграл великий русский ученый В. И. Вернадский – создатель учения о биосфере. Открытие биосферы В. И. Вернадским в начале ХХ в. принадлежит к величайшим научным открытиям человечества, соизмеримым с теорией видообразования, законом сохранения энергии, общей теорией относительности, открытием наследственного кода у живых организмов и теорией расширяющейся Вселенной. В. И. Вернадский доказал, что жизнь на Земле – явление общепланетарное и космическое, что биосфера – это вещественно-энергетическая система, обеспечивающая биологический круговорот химических элементов и эволюцию всех живых организмов, включая человека. В. И. Вернадский был первым, кто увидел в биосфере сложную и хорошо отрегулированную за много сотен миллионов лет эволюции глобальную биогеохимическую систему. Не только составом атмосферы и гидросферы обязаны мы работе биосферы, но и сама земная кора – это продукт «жизнедеятельности» биосферы. До XIX–XX вв. экология в основном занимала только умы ученых, но с развитием и массовым внедрением современных технологий, непрерывно возрастающей функцией потребления всех ресурсов и подчинением догме «природа – источник благосостояния» человечество нарушило связи и взаимодействия в системах, сформировавшихся за многовековую историю. Экология перестала быть только «университетской» наукой. Сейчас, упоминая экологию и экологические проблемы, в первую очередь подразумевают неблагополучие или отрицательное влияние, прежде всего человека, на природные системы. Человечество задумалось об исчезновении видов, глобальном загрязнении, сокращении ресурсов, и как следствие, вероятности исчезновения жизни на планете. |