Егоров Экохимия. В. В. Егоров
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
1.3. ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УЧЕНИЯ 1.3.1. ПЕРВОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ЭКОЛОГИИ Сегодня все отчетливее звучит требование экологической грамотности населения. Экологическая грамотность означает знание и понимание законов и принципов экологии. Только при этом условии можно говорить о создании устойчивой биосферы, в частности устойчивых сообществ организмов. Принципы и положения экологии должны быть реа Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНЦЕПЦИИ 13 лизованы в деятельности нашего общества, причем не только в образовательной, но ив деловой и политической. Первое положение экологического учения Условием нормального существования на Земле является устойчивость в системе «организмы–окружающая среда», обеспечиваемая взаимодействием и взаимозависимостью ее составляющих. Известно, что равновесие в химической реакции обеспечивается равенством скоростей прямой и обратной реакций. Точно также равновесие в биологических системах поддерживается равенством скоростей поступления биогенов и энергии и их потребления (плюс рассеивание последней). Например, скорость выделения кислорода автотрофами растениями и простейшими (в результате фотосинтеза) равна скорости его поглощения организмами гетеротрофами (выделения О ) = v (поглощения О 2 ). Аналогичное справедливо и для большинства других биогенов, а также для энергии, поступающей в биосферу: Е (Солнца + Земли) = Е (потребление + рассеивание). В связи с этим отметим ряд пределов по указанным па раметрам. Климатический предел максимум поступающей в природу Земли энергии и вещества. Биологический предел максимум их потребления биотой (организмами). Экологический предел максимум их потребления без экологических нарушений. Экологический резерв доля природных ресурсов (полезных ископаемых, лесов, животных и пр, которая может быть изъята без нарушения экологии. Одно из важнейших равновесий на Земле — это равновесие по углероду: органический углерод неорганический углерод. Такое равновесие сохранялось до конца XVIII — начала века. Но далее оно стало нарушаться по двум ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ причинам: в связи с техническим прогрессом и ростом численности населения. Заметим, что к первому тысячелетию н. э. на Земле было около 100 млн человек. В X веке численность населения достигла 1 млрд, к 2000 году — 6,3 млрд, а к 2025 году прогнозируется около 8,5 млрд. То есть наблюдается экспоненциальный рост народонаселения, а ведь все мы активно потребляем органические соединения, производимые только растениями! По поводу взаимосвязи и взаимозависимости следует сказать, что правильная оценка этих условий требует системного мышления — перехода отчасти к целому, от объектов к их взаимоотношениям. Все члены экологического сообщества, или биосферы, связаны через обширную и сложную сеть таких взаимоотношений. Только через них любой организм обретает свои жизненно важные свойства и само существование (Капра). Поведение каждого зависит от поведения других. Успех всего сообщества зависит от успеха каждого индивидуального члена и наоборот. Только с учетом этих особенностей можно правильно оценивать текущую ситуацию и перспективы. 1.3.2. ЧТО НУЖНО ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПЕРВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЭКОЛОГИИ Мы уже отмечали стремление природы вернуть устойчивость или равновесие сокращением жизненного пространства, продуктов питания, ростом хищников (бактерий, вирусов) и токсических веществ. Именно в результате роста загрязнений (и войн) прогрессируют заболевания и смертность. Однако не только природа, но и сам человек стремится к устойчивости, тек нормальным условиям существования, или ноосфере (сфере разума). Но как это реализовать на практике Очевидно, что остановить технический прогресс нельзя, но можно и нужно избегать его негативных последствий. Мы в состоянии) ограничить рост населения (пример — Китай 2) ограничить пределы применения научных и технических достижений (атомные станции, а не бомбы 3) определить до Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНЦЕПЦИИ 15 пустимые пределы загрязнений и ограничить их. При этом необходимо выявить их взаимовлияние (синергизм, анта гонизм). Важно также сократить расширение сельскохозяйственных площадей, более продуктивно используя уже имеющиеся. Не допускать (или минимизировать) открытую добычу полезных ископаемых, поскольку это безвозвратно потерянные земли. Сегодня государственные структуры разных стран вводят предельно допустимые концентрации (ПДК) различных веществ, например, вводе (природной, технической, питьевой), а также и другие нормативы. Нарушения караются законом. Наряду с этим определяется степень опасности того или иного элемента и соединения, отмечаемая в ГОСТе (государственном стандарте. При этом учитываются следующие показатели ассимиляционная емкость — максимальное количество загрязнений, удаляющееся в результате процессов самоочищения в природе. Для этого проводится мониторинг поллютантов; · мониторинг загрязнений — их анализ (начиная с концентрации, установление источников появления, путей движения и последствий для организмов и природы. Да, мы стремимся выполнить указанные пункты, но пока неконтролируемо изменяем) поверхность Земли) состав окружающей среды, ее недра) ее энергетический баланс) животный и растительный мир) свою физиологию. По первому пункту надо заметить следующее. Стремясь расширить посевные площади и пастбища, мы вырубаем леса (в Европе со скоростью 2% в год. Но естественного состава почвы хватает на 2–3 урожайных года (старшее поколение помнит опыт подъема целины в СССР. Потом ее или бросают, или вносят удобрения и проводят другие агрохимические мероприятия. Но это ненадолго, поскольку синтетические удобрения (а их производят все больше ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ и непродуманные мелиоративные мероприятия разрушают почву. Заброшенная земля, как правило, сама восстановить почву за короткое время не в состоянии (нужно около ста лети она превращается сначала в степь, а потом в пустыню. Мы орошаем засушливые почвы, но итог неконтролируемого полива тот же — заболачивание или засоление, те. образование тех же непродуктивных площадей. Касательно второго пункта — мы говорили и будем говорить о том, что отходы нашей промышленности и коммунального хозяйства попадают ив атмосферу, ив воду, ив почву, и соответственно в организм. Так, каждый житель на планете выбрасывает более 450 кг бытовых отходов в год. В результате сегодня наблюдается значительное превышение ряда показателей, главным образом вводе и почве. Например, в городах — фосфора, в селе — азота, вдоль дорог свинца. Загрязнение свинцом вызывает ежегодно в мире около 400 000 только детских заболеваний, главным образом психических, тогда как химические аварии за это же время приводят к гибели примерно ста человек. Изменение теплового баланса вызвано, главным образом, промышленностью и коммунальным хозяйством. Известно, что в большом городе или промышленном центре температура в среднем на 2–3 градуса выше, чем в окрестностях. И это результат как тепловых потерь и выбросов, так и накопления в атмосфере парниковых газов. Например, в Москве наконец ХХ столетия зафиксировано около т вредных выбросов на человека в года в Санкт Петербурге около 0,67 т. А радиоактивность, а шум… Изменения в животном и растительном мире — это не только прямое уничтожение (вырубка лесов, отстрел животных, ловля рыбы и птицы, но и непродуманные селекционные и генетические мероприятия. Не секрет, что многие искусственно выведенные породы, клоны, виды являются ослабленными по сравнению со своими природными собратьями, что передается и по наследству (так называемая генетическая нагрузка. Поэтому встает проблема осуществления защитных мероприятий создание парниковых хозяйств, внедрение ядохимикатов (против паразитов, использование вакцинаций и пр Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНЦЕПЦИИ 17 Но мы ослабляем не только наших братьев меньших, но и себя самих (генетическая нагрузка. Кроме всего прочего, мы активно потребляем лекарства и синтетические химические вещества вообще, не задумываясь о последствиях, тем более долгосрочных. Любое вновь синтезированное соединение — пищевое, лекарственное, парфюмерное, моющее — должно проходить апробацию не 5 лета десятилетия, и не на лабораторных животных… Нет, на человеке экспериментировать мы не будем, но выход должен быть найден! В этих условиях экология — это теория создания измененного мира (ноосферы, по Вернадскому) за счет изменения психологии самого человека, способного существовать без негативных последствий для окружающей среды и для него самого. Мы должны сохранить этот мир для потомства, и альтернативы этому требованию нет. 1.3.3. ВТОРОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ЭКОЛОГИИ Вначале введем несколько необходимых понятий. Агросфера — это все сельскохозяйственные экосистемы (поля, пашни, сады, огороды, теплицы, коровники, свинарники и пр.). Местообитание — место, где живут растения и/или животные. Оно характеризуется для фитоценоза (растений) составом почвы, влажностью, температурными световым режимом, а для зооценоза (животных, кроме того, кормами и наличием питьевой воды. Экотоп — местообитания растений и животных, живущих по законам биоценоза. Для него, кроме указанного, характерны однотипные, пространственно ограниченные условия (например, поле, сад, пастбище). Экологическая ниша (Элтон, Кларк) — положение организма или видав биосфере, его роль в природе. Экологические ниши подразделяются следующим образом потенциальная — та, которую мог бы занять организм при самых благоприятных условиях реализованная — та, которую он занимает в реальных условиях конкуренции и борьбы ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ В этой связи основная роль растений (ее часто называют геохимической функцией) — превращать неорганические вещества в органические и кислород. Роль, те. геохимическая функция животных — использовать органические соединения и кислород, превращая в углекислый газ, воду, минеральные солите. в неорганические вещества (и органические отходы. В результате осуществляется биотический круговорот. Биотический круговорот (открыт французским химиком Лавуазье) — круговорот биогенов в природе, осуществляемый при участии организмов. С ним связан и следующий закон. Закон биогенной миграции атомов (Вернадский В биосфере миграция (циклическая. — Авт) химических элементов происходит при обязательном участии орга низмов. Она обеспечивает непрерывность жизни при конечном количестве вещества в биосфере и постоянном притоке в нее солнечной энергии. Биотический круговорот можно выразить следующим равновесием: растения неорганика органика кислород животные Второе положение экологического учения Равновесие и устойчивость в биосфере обеспечиваются биотическим круговоротом, основанным на относительно замкнутых циклах, поддерживающих устойчивость по принципу обратной связи (об этом принципе будем говорить далее). Этот закон можно назвать законом циклов применительно к отдельным элементам (хотя цикличность понимается биологами гораздо шире, в частности в биоритмологии. Он тесно связан с первым положением экологии, потому что скорости процессов появления и исчезновения любых веществ, необходимых организмам или являющих Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНЦЕПЦИИ 19 ся продуктами жизнедеятельности, должны быть равны. В противном случае не будет соблюдаться равновесие по биогенам (о чем уже говорилось) и устойчивость их циклов (о чем речь еще пойдет ниже, а значит, и биосферы в целом. Почему же так необходим биотический круговорот? Здесь важно отметить главное — только вращение (химических соединений. — Авт) по замкнутой линии, т. е. по кругу, может придать конечному (живому веществу на Земле) свойство бесконечного (Вильямс). Например, в нашем теле идет непрерывное обновление большинства клеток и соответствующих тканей (хотя их общее содержание в зрелом возрасте остается практически постоянным. Именно это обеспечивает, с одной стороны, устойчивость, ас другой — адаптацию всего организма. Так, в поджелудочной железе клетки заменяются каждые двадцать четыре часа, во внутренней оболочке желудка — каждые три дня, белые кровяные тельца — за десять дней, а белка в мозге — за месяц. Поразительно, что клетки кожи заменяются со скоростью 100 000 штук в минуту. Указанный принцип обратной связи и обеспечение сего помощью устойчивости системы становятся понятными из следующего примера. В случае солнечного и жаркого лета водоросли в водоеме нарастают в избыточном количестве. Рыбы, питающиеся ими, также начинают усиленно размножаться, уничтожая водоросли. Когда их содержание снизится до минимума, начнется гибель рыб и восстановление водорослей и т. д. В результате первичное возмущение вызывает колебания, продолжающиеся в результате наличия обратных связей. А их постепенное затухание в итоге возвращает равновесие в системе водоросли рыбы.Поскольку все организмы используют в своей жизнедеятельности не только химические вещества, но и физические факторы, введем два понятия. Экологический ресурс компонент среды, используемый организмами в процессе жизнедеятельности. Экологическое условие абиогенный фактор среды (температура, влажность, наличие воды, воздуха и пр ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Очевидно, что и ресурсы, и условия в природе могут изменяться в достаточно широких пределах, но живые организмы и их сообщества способны перестраиваться и адаптироваться к этим изменениям (в определенных пределах что и позволяет им сохраниться. При этом, кроме взаимозависимости и цикличности еще три принципа — партнерство, гибкость и многообразие организмов (и их свойств) обеспечивают устойчивость экосистем и биосферы в целом. Выживание зависит оттого, насколько мы сможем понять и использовать эти принципы, те. жить в соответствии с ними. 1.4. ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ Четыре закона экологии были сформулированы Ком монером. Первый закон Коммонера. Все связано совсем известно в физике как правило Маха). Все организмы являются составными частями и экологическими факторами природы Земли. Они взаимосвязаны друг с другом и с окружающей средой, что обеспечивает выполнение первого положения экологии. Именно взаимное влияние всех компонентов биосферы позволяет поддерживать равновесие в природе. Второй закон Коммонера. Все должно утилизироваться. При условии существования в биосфере равновесия биогенов и энергии любой отход, любой компонент, участвующий в биотическом круговороте, используется, ив результате не происходит его накопления. В противном случае наблюдается загрязнение окружающей среды со всеми вытекающими последствиями. Третий закон Коммонера. Ничего не дается даром. За все надо платить. Любое внедрение в организм или окружающую среду, главным образом антропогенное, не остается без последствий. В конечном счете и загрязнения Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНЦЕПЦИИ 21 и нарушения отражаются на нас самих. Даже если мы сразу не увидим последствий, они все равно когда либо про явятся. Четвертый закон Коммонера. Природа знает лучше нас. Она — наш учитель. Действительно, если мы не прислушиваемся к природе, не соблюдаем ее законов и правил, то последствия могут быть непредсказуемыми. Только единение с окружающим миром дает гарантии нормального существования. В этом немалую роль играет правильный учет икон троль воздействующих на нас и наше окружение экологических факторов. Экологический фактор элемент или процесс внешней среды, влияющий на биосистему (организм, популяцию и пр.). Лимитирующие экологические факторы элементы среды, ограничивающие размножение и распространение вида. К ним относятся, например, состав почвы, наличие определенной пищи, хищников и др. Закон минимума (Либиха). Минимальное количество элемента управляет биопродуктивностью и жизнедеятельностью растений. Этот закон был открыт Либихом (ХХ в, установившим роль элементов в почве. Он обнаружил, что дефицит даже одного элемента приводит к торможению роста и развития растений, те. этот так называемый лимитирующий фактор становится определяющим для растения. Например, недостаток в почве бора снижает урожайность растений, несмотря на обилие других удобрений. Однако сегодня этот закон распространяется на все организмы и понимается гораздо шире. Закон минимума(современная редакция. Дефицит элемента или соединения в организме определяющим образом влияет на его жизнедеятельность ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Так, снижение количества одного из элементов (кальция, фосфора, калия, натрия, йода, меди, цинка и др) в составе почвы приводит к его дефициту в организме и растений и животных, которые ими питаются. Это снижает устойчивость организмов к болезням, вредителям, экстремальным изменениям температуры, а также продуктивность и способность к воспроизводству. Однако тоже самое наблюдается и при избытке элемента, в особенности микроэлемента, те. справедлив и другой закон. Закон максимума Избыточное содержание элемента или соединения в организме определяющим образом влияет на его функции. Действие этих законов можно проследить на рис. 1 и На них отчетливо видно, что как снижение количества элемента ниже нормы, таки ее превышение вызывают понижение физиологической активности организма, в частности ухудшение параметров и функций его органов и тканей. Например, выход за определенные пределы йода приводит к увеличению массы и нарушению функций щитовидной железы у кролика (эндемический зоба фосфора к снижению плотности костей у коровы (рахит). Суммируя все сказанное, можно сформулировать следующий объединенный закон. Закон оптимума (Егорова, Реймерса). Для любого организма по любому экологическому фактору имеются оптимальные условия существования, изменение которых вызывает его стресс (болезненную реакцию, а выход за определенные пределы приводит к гибели. Этот закон иллюстрирует следующий график (рис. На нем кривая 1 отражает устойчивость организма, а кривая его активность. Видно, что организм вполне устойчива значит, сравнительно малоактивен только в определенных пределах. Здесь он чувствует себя наиболее комфортно, следовательно, обладает максимальной резистентностью и продуктивностью Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНЦЕПЦИИ |