Зеленая энергия - популярно об экологии, химии, технологиях

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Основы общей экологии

На пороге третьего тысячелетия как никогда ранее проявилось глав­ное противоречие нашей эпохи: противоречие между потребностями общества в жизнеобеспечении и самосохранении и возможностями природы удовлетворять указанные (причем все возрастающие) потреб­ности.

Поэтому определяющей особенностью рубежа веков явилось возник­новение новой жизненно важной потребности — экологической безопас­ности как индивидуальной личности человека, так и общества в целом; ее обеспечение становится даже более необходимым, нежели удовлетворе­ние потребностей в новых товарах, услугах и т.п.

Устойчивое экологически безопасное развитие экономики невоз­можно без экологически ориентированного сознания людей и фор­мирования у преобладающей части общества экологического миро­воззрения и соответствующего стереотипа поведения. Их основой должны явиться развитие экологического воспитания и образования, экологизация средств массовой информации и культуры общества в целом. В нашей стране экологическое образование широко внедря­ется в технических, сельскохозяйственных, педагогических высших учебных заведениях, что требует и соответствующего методологичес­кого обеспечения.

За последние 20 лет высшая школа Российской Федерации получила ряд хороших учебников и учебных пособий по различным разделам эко­логии как отечественных, так и зарубежных ученых. Однако нельзя счи­тать, что преподавание экологии в российских вузах вполне обеспечено в информационном отношении. Учебники и учебные пособия, рассматри­вающие фундаментальные вопросы экологии как биологической науки, обычно не содержат сведений из области прикладной экологии, и в пер­вую очередь, — об основных аспектах, в том числе технических, охраны окружающей среды. В то же время учебные пособия, посвященные во­просам охраны окружающей среды от техногенных воздействий, мало знакомят будущих специалистов с основными механизмами и закономер­ностями устойчивого функционирования биологических систем разного уровня в сложных и динамичных природных условиях.

Предлагаемое пособие ставит своей целью охватить основные ас­пекты проблемы обеспечения экологически безопасного существова­ния и развития человеческого общества. Для этого оно отталкивается от элементов обшей экологии и пытается осмыслить принципы охра­ны окружающей среды при различных видах техногенного воздействия, рассматривая при этом и эколого-правово, и экономический меха­низмы природопользования и управления качеством биосферы.

В первом разделе учебного пособия подробно рассматриваются эле­менты общей экологии, включая ее предмет, основные абиотические и биотические экологические факторы природной среды и особенности их взаимодействия, дается представление о взаимоотношениях орга­низма и среды обитания, структуре и динамике популяций, сообществ и экосистем, приводятся необходимые сведения о биосфере как гло­бальной экосистеме, ее составе, строении, динамике, структуре важ­нейших циклов биохимических круговоротов. Раздел завершает харак­теристика основных условий устойчивости биосферы.

Второй раздел посвящен анализу антропогенного воздействия на биосферу и его последствий. Здесь приводится характеристика источ­ников и масштабов техногенных загрязнений атмосферы, вод, почв и их экологических последствий, а также рассматриваются роль и поло­жение человека в биосфере, зависимость его жизни, здоровья и гено­фонда от состояния среды обитания. Здоровый образ, жизни человека и разрешение социально-экологических противоречий современного общества рассматриваются как основа устойчивого развития общества.

Третий — самый обширный — раздел учебного пособия посвя­щен важнейшим аспектам охраны природы и рационального приро­допользования. Здесь рассмотрены основные виды природных ресур­сов, их классификация и кадастры; представления о нормировании качества природной среды, экологической стандартизации и паспор­тизации; эколого-правовые основы охраны природы. Большое вни­мание уделено методам и средствам контроля окружающей среды, путям защиты отдельных составляющих биосферы от техногенных за­грязнений, экологии урбанизированных территорий, прежде всего городских, и сельскохозяйственных угодий.

Учитывая особенности развития России, состояние ее природной среды, впервые в учебной литературе экологического направления обсуждаются вопросы защиты населения и территорий в условиях чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, а так­же экологические проблемы военной деятельности: как в мирных ус­ловиях, так и при возникновении конфликтов.

Все эти сведения призваны сформировать у читателя-учащегося основополагающие элементы экологического сознания, без которого невозможны создание эффективной системы управления экологичес­кой безопасностью и осуществление экологизации рыночной эконо­мики. Это имеет огромное значение для нашей страны, чье эколого-экономическое положение сегодня и на ближайшую перспективу не может не вызывать серьезных опасений. Поэтому надлежащая эколо­гическая подготовка будущих специалистов широкого профиля и осо­бенно тех, кому в процессе предстоящей трудовой деятельности при­дется соприкоснуться с использованием сокращающихся природных ресурсов и тех или иных компонентов окружающей природной сре­ды, представляется жизненно важной.

Авторы надеются, что их труд окажет помощь студентам, аспиран­там и другим лицам, интересующимся проблемами экологии и охра­ны окружающей среды.

Введение в предмет

Для того чтобы получить целостное представление об экологии, увидеть ее истоки и понять роль, которую она играет среди наук, изу­чающих живые организмы, следует предварительно ознакомиться с наи­более важными для любой биологической науки (каковой экология по сути своей является) общими принципиальными положениями.

Живая система при всей сложности ее организации состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. Следует подчеркнуть, что именно с молекулярного уровня начинаются разнообразные и чрезвычайно сложные процессы, лежащие в основе жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.

Клеточный уровень. Клетка не только структурная и функциональная единица любого живого организма, но и единица развития его. На клеточном уровне сопрягаются такие важнейшие процессы, как передача информации и превращение веществ и энергии.

Организменный уровень. Элементарной единицей организменного уровня является отдельная особь. Она рассматривается в развитии (от момента зарождения до прекращения существования) как живая система. В организме возникают системы органов, которые специализируются для выполнения различных функций (пищеварения, дыхания и т.д.).

Популяционно-видовой уровень. Популяция как совокупность организмов одного и того же вида, объединенных общим местом обитания, является уже надорганизменной структурой. Важно подчеркнуть, что именно в этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.

Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз — совокупность организмов разных видов и различной сложности организации во всем многообразии связей с факторами среды их обитания. В течение совместного исторического развития организмов разных систематических групп возникают динамичные, довольно устойчивые сообщества.

Биосферный уровень. Поскольку биосфера есть совокупность всех биогеоценозов, охватывающая все явления жизни, она является высшим уровнем организации живой материи. На биосферном уровне происходят круговорот веществ и превращение энергии.

Термодинамический аспект жизни

Поток солнечной энергии воспринимается молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. Создаваемые таким образом (при фотосинтезе) химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным (заяц), от них — к плотоядным животным первого порядка (лиса), затем второго порядка (волк) и так далее. Этот переход рассматривается как последовательный упорядоченный поток вещества и энергии.

Когда температура того или иного тела выше температуры окружающего воздуха, то есть имеет место некоторый градиент (перепад) температур, общая температура системы «тело-среда» стремится к равновесию. При этом тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. В конечном итоге энергия любого живого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшие энергетические процессы оказываются невозможными. О такой системе говорят, что она находится в состоянии максимальной энтропии. Таким образом, энтропия, являясь мерой неупорядоченности системы, отражает возможности превращения энергии. Если бы поток солнечной энергии, поступающий к Земле, только рассеивался бы и не передавался телам, то жизнь была бы невозможной. Для того чтобы энтропия системы не возрастала, организм или совокупность организмов должны извлекать «упорядоченность организации» откуда-то извне, т.е. непрерывно поддерживать, накапливать ее, или, как принято говорить, «работать» против градиента. Иными словами, организм должен извлечь из окружающей среды отрицательную энергию, или негэнтропию.

Организмы способны выполнить работу против уравновешивания температуры с окружающей средой именно за счет образования сложно организованных упорядоченных молекулярных структур. Очевидно, что для работы против градиента экологическая система должна получать соответствующую энергетическую дотацию. Получая ее от Солнца, она, по существу, является открытой системой. Организм извлекает негэнтропию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. При этом часть энергии теряется, расходуясь, например, на поддержание жизненных процессов, часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале же этого потока энергии находится процесс питания растений — фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградированных органических и минеральных веществ. Как следствие, энтропия уменьшается за счет поступления «даровой» энергии от Солнца.

Представленная информация чрезвычайно важна, так как любые воздействия человека на биосферу и ее компоненты в конечном итоге приводят к повышению неупорядоченности систем (возрастанию энтропии) и могут иметь следствием их необратимую деградацию. Возможен случай, когда вся энергия организма или системы организмов полностью превращается в тепловую форму и рассеивается. Это может произойти, например, в случае гибели организма. Упорядоченный поток энергии прекращается, химические связи между молекулами разрушаются, и окислительно-восстановительные процессы останавливаются.

По второму началу термодинамики энергия любой системы стремится к состоянию термодинамического равновесия, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние живой организм перейдет, если лишить его возможности извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды. То же самое может произойти, если в сообществе живых организмов, например в лесу, прервать поступление и передачу энергии, уничтожив ассимиляционный аппарат (устьица, через которые происходит питание и газообмен) зеленых растений.

Следовательно, жизнь должна рассматриваться как процесс непрерывного извлечения некоторой экологической системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания этой энергии при передаче от одного пищевого звена к другому.

Энергообеспечение клеток

Поступающая энергия требуется для осуществления жизненно важных процессов, но в первую очередь для химического синтеза веществ используемых для построения и восстановления структур клетки и организма. Подчеркнем, что живые существа способны использовать только два вида энергии — световую (энергию излучения Солнца) и химическую (энергию связей химических соединений, содержащихся в пище). Этот признак и разделил живые организмы на фототрофы и хемотрофы.

Фотосинтез. Солнечную энергию способны непосредственно использовать только клетки зеленых растений, одноклеточных водорослей, зеленых и пурпурных бактерий. За счет этой энергии они синтезируют органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др. Такой биосинтез, который происходит благодаря энергии света, и называют фотосинтезом. Отметим, что зеленый цвет фотосинтезирующих клеток зависит от наличия в них хлорофилла, поглощающего свет в красной и синей частях спектра и пропускающего лучи, которые дают при их смешении зеленый цвет. Некоторые водоросли и бактерии имеют и иные светопоглощающие пигменты, что придает им бурый, красный или пурпурный цвет.

Исходными веществами для фотосинтеза служат диоксид углерода атмосферы и вода.

Часть синтезируемой при фотосинтезе глюкозы является источником энергии для всех последующих процессов жизнедеятельности растения, в том числе и его роста (развития).

С целью последующего синтеза более сложных органических веществ растения наряду с первичным строительным материалом - глюкозой, используют многие неорганические вещества: азотистые, фосфорные, сернистые соединения. Главным источником азота как элемента питания растений служат молекулы атмосферного азота: его способны фиксировать бактерии, живущие в корневых клубеньках, главным образом бобовых растений. Газообразный азот превращается при этом в аммиак — NH3 и далее входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и иных соединений.

Те живые существа нашей планеты, которые не способны к фотосинтезу, используют для питания готовые органические вещества. К ним относятся все животные и человек, живущие благодаря трансформированной растениями энергии Солнца (за исключением хемосинтезирующих микроорганизмов, о которых речь пойдет далее).

Фотосинтезирующие клетки, захватывая диоксид углерода из атмосферы, взамен выделяют в нее .кислород. Постепенное наполнение атмосферы кислородом привело к появлению клеток с энергетическим аппаратом нового типа. Они производили энергию вследствие кисления органических соединений, в основном углеводов и жиров, при участии атмосферного кислорода в роли окислителя. В результате на Земле наступил важнейший этап в развитии жизни — этап кислородной, или аэробной, жизни.

Таким образом, планетарная роль растений и иных фотосинтезируюших организмов чрезвычайно велика: 1) они превращают энергию солнечного света в энергию химических связей органических соединений. Последняя используется всеми остальными живыми существами планеты; 2) они поставляют в атмосферу кислород, который служит для окисления органических веществ и извлечения при помощи этого запасенной в них химической энергии аэробными клетками; 3) наконец, некоторые виды растений в содружестве (симбиозе) с азотфиксирующими бактериями (см. ниже) переводят атмосферный азот а состав молекул аммиака, его солей и органических азотсодержащих соединений.

Хемосинтез. Сложные органические вещества для построения своих тел создают не только зеленые растения, но и бактерии, которые не содержат хлорофилла. Этот процесс — хемосинтез осуществляется благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: сероводорода, водорода, аммиака, оксида железа (II) и др. Образующаяся при этом энергия запасается в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Хемосинтез открыл известный русский микробиолог С.Н. Виноградский.

В качестве примера хемосинтеза рассмотрим окисление сероводорода и аммиака.

В водоемах, содержащих сероводород, живут бесцветные серобактерии. Энергию (Е), которая необходима для синтеза органических соединений из диоксида углерода, они получают в результате окисления сероводорода:

2H2S + 02 = 2Н20+ 2S + Е.

Свободная сера, выделяющаяся в результате этого, накапливается в клетках бактерий. Если сероводорода впоследствии не хватает, бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление содержащейся в них свободной серы до серной кислоты:

2S + 302 + 12Н20 = 2H2S04 +E

Образовавшаяся энергия (Е') также используется для осуществления синтеза органического вещества из диоксида углерода. В целом энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты равен 666 кДж на каждый моль сероводорода.

В почве и различных водоемах широко распространены нитрифицирующие бактерии. Они добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют очень важную роль в круговороте азота в природе. Аммиак, который образуется при гниении бел-

ков в почве или водоемах, окисляется нитрифицирующими бактериями (их С.Н. Виноградский назвал нитросомонас). Этот процесс может быть описан таким уравнением:

2NH3 +302 —> 2HN02 + 2Н20 + Е.

Энергия, которая выделяется при этом (662 кДж/моль), также используется для синтеза органических соединений. В последующем окисление азотистой кислоты HN02 до азотной осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов, названных нитробактером.

2HN02 + 02 -> 2HN03

Указанный процесс сопровождается выделением 101 кДж. Отметим, что процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит для растений источником нитратов. Кстати говоря, жизнедеятельность бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почв.

Итак, для того чтобы строить свое тело и размножаться, любой живой организм должен непрерывно получать определенное количество энергии. В дальнейшем она расходуется: 1) на поддержание жизни, т.е. основной обмен. Эти затраты носят одновременно энергетический и формообразующий характер, так как ткани тела организма постоянно обновляются на протяжении всей жизни; 2) на перемещение в пространстве (если речь идет об организме, который передвигается) — это затраты активности. Вместе с затратами на поддержание жизни они составляют затраты на самосохранение; 3) на обеспечение роста путем синтеза новой протоплазмы; 4) на формирование элементов, необходимых для размножения (яйца, эмбрионы, семена), и образование углеводных (растения) или жировых (животные) запасов.

Основные свойства живого вещества

Жизнь — высшая форма организации материи. В то же время, по мнению академика В.А. Энгельгардта, у живой материи практически нет таких свойств, каких не существовало бы у неживой материи. Живое отличается от неживого только совокупностью особенностей.

Существенным свойством живого является обмен веществу энергии и информации. Организм потребляет из окружающей среды энергию и вещества и использует их для жизненно важных реакций, а затем возвращает в среду эквивалентное количество энергии В вещества, но уже в другой форме, менее пригодной для него. Организм

выступает как открытая система, находящаяся в стационарном состоянии: скорость поступления в нее веществ и энергии из окружающей среды уравновешивается скоростью переноса веществ и энергии из системы. В основе последней находятся белки — носители большинства жизненных функций и нуклеиновые кислоты — носители информации. Живое вещество способно существовать только в потоке непрерывного обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Прекращение движения в этом потоке хотя бы одного компонента прекращает жизнь организма.

В основе обмена веществ лежат взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции, т.е. процессы синтеза веществ в организме, и диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения разлагаются на простые, и выделяется энергия, требуемая для реакций биосинтеза. Отметим, что биогенные (необходимые для живого вещества) элементы всегда находятся в сложных миграциях, перемещениях. Их совокупность составляет круговорот веществ в биосфере.

Источниками энергии для живого вещества служат солнечная и другая тепловая радиация, пища, наконец, контакты с более теплыми телами. Энергия живых организмов в процессе их жизнедеятельности подвергается многим превращениям, в частности преобразовывается в механическую, тепловую, световую, химическую, электрическую и в конце концов рассеивается в окружающем пространстве.

В широком и основном значении информация — это передача от одного живого объекта к другому различных сведений или иных воздействий, которые влияют на их жизнедеятельность. В узком смысле (например, для кибернетики) информация — это «антиэнтропия» (негэнтропия), или мера упорядочения материи. Кроме этого, каждый живой организм воспринимает и накапливает непрерывный поток информации второго рода, который поступает к нему из окружающей среды: звуки, запахи, зрительные образы, изменение температуры, освещенности и т.д.

Единство химического состава. Для живых организмов последний характеризуется наличием тех же химических элементов, которые содержатся и в объектах неживой материи. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Живое вещество состоит почти на 98,8% из элементов, которые повсеместно присутствуют и в атмосфере и в гидросфере: кислорода, водорода, азота и углероде. Из оставшихся один процент приходится еще на четыре элемента, широко распространенных и весьма подвижных: кальций, калий, магний и кремний. Еще 0,2% приходятся на долю серы, фосфора,  хлора, натрия, алюминия и железа и лишь 0,01% — на все остальные элементы.

Благодаря обмену веществ обеспечивается относительное постоянство химического состава всех частей организма.

Здесь уместно, по нашему мнению, привести закон физико-химического единства живого вещества, сформулированный В.И. Вернадским: все живое вещество Земли физико-химически едино.

Логичным является следствие из этого закона: вредное для одной части живого вещества не может быть безразлично для другой его части (или: вредное для одних видов существ вредно и для других).

Киральность — способность вещества поляризовать свет в одну из сторон (правую или левую). Чистота киральная — наличие исключительно объектов, которые несовместимы со своим зеркальным изображением (например, левая и правая руки). Согласно закону киральной чистоты JI. Пастера, живое вещество состоит из кирально чистых структур. Действительно, сахара, например, вырабатываемые живыми организмами, всегда поляризуют свет вправо и только вправо. Искусственно киральную чистоту получить очень трудно.

Самовоспроизведение. Каждая отдельно взятая биологическая система существует ограниченное время: поэтому поддержание жизни невозможно без воспроизведения себе подобных. В основе последнего лежит образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

Процесс самовоспроизведения тесно связан с явлением наследственности: любое живое существо рождает себе подобных. Наследственность состоит в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение, что связано с относительной стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК. Однако важно подчеркнуть, что развитие биологических процессов не может быть жестко детерминированным, предопределенным во всех деталях. Поэтому особенности родителей передаются потомству не с абсолютной точностью, а всегда с некоторыми отклонениями, обычно незначительными (микромутации), иногда существенными (макромутации).

 

Изменчивость — противоположное наследственности свойство организма. Оно связано с его способностью приобретать новые признаки и свойства. В основе наследственной изменчивости лежат изменения так называемых биологических матриц — молекул ДНК. Благодаря изменчивости создается разнообразный материал для естественного отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования. При этом лучшие шансы на сохранение получают особи, которые более приспособлены и быстрее размножаются. Однако и здесь в реальной жизни нет жесткой детерминации, поэтому возможны любые случайности. Согласно Ч. Дарвину, изменчивость, наследственность и естественный отбор — главные факторы эволюции жизни, способствующие появлению новых ее форм, новых видов живых организмов.

 

 

Способность к росту и развитию присуща любому живому организму, который с момента зарождения растет, увеличиваясь в размерах и массе, но при этом сохраняет общие черты строения. Таким образом, рост сопровождается развитием и в результате возникает новое качественное состояние живого объекта. Важно отметить, что развитие живой формы материи в целом представлено как индивидуальным, так и историческим развитием. На стадии индивидуального развития постепенно и последовательно проявляются все свойства единого организма. Историческое развитие сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Именно благодаря ему возникло все многообразие живых организмов на Земле.

 

Для нормального функционирования живого организма в меняющихся условиях окружающей среды необходимо внутреннее регулирование — саморегуляция различных процессов, полное подчинение их единому порядку поддержания постоянства внутренней среды — гомео- стазу. В основе механизма саморегуляции лежит принцип обратной связи, в соответствии с которым сигналом для включения того или иного регулируемого процесса может быть изменение состояния какой-либо системы, например, изменение температуры, концентрации веществ и т.д. В отдельной клетке такие системы построены на химических принципах (процессы обмена веществ, как известно, регулируются на основе биологического катализа), в многоклеточном организме животного — на основе гуморальной и нервной регуляции, в сообществах организмов — в зависимости от разнообразия внутри- и межвидовых взаимодействий.

Чертой, присущей всему живому, является раздражимость. Она выражается реакциями живых организмов на внешнее воздействие и связано с передачей информации из внешней среды биологической системе любой сложности (организму, органу, клетке). Благодаря этому свойству организмы способны избирательно реагировать на условия окружающей среды (например, на тепло и холод). Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение. Реакции многоклеточных на раздражение (рефлексы) осуществляются с помощью нервной системы. Укажем, что сочетания «раздражитель- реакция» могут накапливаться в виде опыта, т.е. научения и памяти и использоваться в последующей жизнедеятельности (по крайней мере у животных).

Дискретность является всеобщим свойством материи. Любая, в том числе биологическая, система состоит из отдельных, но, тем не менее, взаимодействующих частей, которые образуют структурно-функциональное единство. Живое вещество существует всегда дискретно — в форме обособленных друг от друга тел; они характеризуются трехмерной структурой, которая специфична для каждого вида. Именно по характеру этой структуры можно отличить, например, льва от кошки.

Структурная сложность живого начинается с гигантских полимерных молекул и продолжается на уровне клеток многоклеточных организмов и надорганизменных сообществ. Все живое на Земле характеризуется иерархичностью (соподчиненностью) структурной организации. Жизнедеятельность биологических систем на менее сложном уровне является предпосылкой осуществления свойств живого на более высоком уровне. Так, например, самовоспроизведение на уровне многоклеточного организма невозможно без деления клеток, и т.д. Указанная взаимосвязь и соподчиненность уровней организации живого является отражением иерархичного принципа строения биологических систем и лежит в основе биологической формы движения материи.

Вышеизложенное позволит, по нашему мнению, более близко подойти к пониманию того, что такое жизнь. Согласно Н.Ф. Реймерсу, жизнь — это «...особая форма физико-химического состояния и движения материи, характеризуемая зеркальной асимметрией аминокислот и Сахаров, обменом веществ, гомеостазом, раздражимостью, самовоспроизведением, системным самоуправлением, саморазвитием, приспособляемостью к среде (адаптацией), обычно подвижностью, физической и функциональной дискретностью отдельных индивидов или их общественных конгломератов (пчелы, муравьи, термиты и др.), исключительным разнообразием форм (число которых оценивается разными авторами от 1—1,5 до 5 млн) при общем физико-химическом единстве живого вещества биосферы».

Можно предполагать, что дальнейшее углубленное изучение различных форм проявления разума, свойств разумной материи с учетом последствий (позитивных и негативных) возрастающего ее воздействия на окружающую природную среду, которые неизбежно затронут и самого носителя разума — человека, может внести в указанное определение жизни существенные коррективы.

 

Классификация живых организмов

Все живые организмы биосферы подразделяются на четыре царства: прокариоты (доядерные), животные, грибы и растения.

Прокариоты — это простейшие организмы, клетки которых не имеют истинного ядра. К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.

Животные, грибы и растения в своих клетках содержат настоящие ядра, которые отделены от цитоплазмы ядерной мембраной. Вследствие этого они выделены в надцарство эукариотов (ядерных).

В свою очередь каждое царство эукариотов подразделяется на полцарства:

1) животные — на простейшие и многоклеточные; 2) грибы — на низшие и высшие; 3) растения — на багрянки, настоящие водоросли и высшие растения.

По отношению к кислороду, присутствующему в среде, все животные делятся на аэробные (жизнедеятельность возможна только при наличии свободного кислорода) и анаэробные (обитают без кислорода). Живое вещество можно рассматривать как соматическое и репродуктивное.

Соматическое (от греч. soma — тело) вещество — это совокупность всех клеток организмов, кроме половых, репродуктивных.

Репродуктивное вещество — это вещество, благодаря которому жизнь в биосфере постоянно воспроизводится. Масса репродуктивного живого вещества незначительна в сравнении с соматическим, но именно оно определяет непрерывность в глобальной экосистеме. Соматическое вещество распространяет, переносит репродуктивное вещество во все уголки планеты, обеспечивая тем самым повсеместность жизни.

Все разнообразие видов живых организмов биосферы связано между собой через питание. Так как питание, образно говоря, — красная нить экологии, весьма важна классификация живого вещества по его способам. При этом различают автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы.

Автотрофы (от греч. autos-caM, trophe-питаться) — организмы, получающие все нужные им для жизни химические элементы из окружающей косной материи и не нуждающиеся в готовых органических соединениях другого организма для построения собственного тела. Основной источник энергии, используемый автотрофами, — Солнце. Автотрофы, можно сказать, являются кормильцами биосферы: они не только питаются сами, но и кормят (своим телом) других. Поэтому их называют продуцентами. Биомасса, создаваемая ими, называется первичной.

Среди автотрофов выделяют фотоавтотрофы (используют в качестве источника энергии солнечный свет) и хемоавтотрофы (используют энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ. К автотрофам относятся, например, наземные зеленые растения, водоросли и бактерии, которые способны к фотосинтезу. При этом наземные растения образуют основную массу органического вещества в биосфере.

Гетсротрофы (от греч. heteros-другой) — это организмы, использующие для своего питания чужие тела (живые или мертвые), т.е. готовые органические вещества. Очевидно, что жизнедеятельность гетеротрофов полностью определяется синтетической активностью автотрофов.

Среди гетеротрофов выделяют три группы организмов: убивающие объект питания (хищники); питающиеся за счет других организмов, но не убивающие их (паразиты, кровососы); питающиеся отмершей органикой.

Гетеротрофы имеют более богатое видовое разнообразие, нежели автотрофы, тем не менее общая их биомасса существенно меньше. Гетеротрофные организмы выполняют в экологических системах роль консументов (к ним относят всех животных, часть микроорганизмов, паразитических и насекомоядных растений) и редуцентов (главным образом грибы и бактерии). Последние в процессе своего питания превращают пищу — органические остатки — в неорганические вещества, возвращая таким образом их в биосферу. Биомассу, которую образуют гетеротрофы, называют вторичной.

Наконец, существуют организмы со смешанным типом питания — миксотрофы (сине-зеленые водоросли и растения-паразиты).

Предмет и основные задачи экологии

Ныне слово «экология» стало весьма популярным, этот термин нередко употребляют в сочетании с такими словами, как общество, культура, семья, здоровье и т.д. Наиболее часто применяют это слово, указывая на неблагополучное состояние окружающей нас природы.

Термин «экология» образован от двух греческих слов (oikos — дом, жилище и logos — наука, знание) и означает в буквальном смысле «наука о местообитании».

Любой натуралист-исследователь растительного и животного миров — всегда не только ботаник или зоолог, но и эколог, поскольку невозможно изучать тот или иной организм в отрыве от его местообитания. Поэтому великими экологами прошлого, вне всякого сомнения, можно назвать шведа К. Линнея (1707—1778), француза Ж.Б. Ламарка (1744—1829), англичан Т. Мальтуса (1766—1834) и Ч. Дарвина (1809— 1882).

Первым трудом по экологии следует считать работу Ч. Дарвина (1859 г.) «Происхождение видов». Сформулированный им вывод о существующей в природе постоянной борьбе за существование принадлежит, к числу центральных положений экологии. В 1866 г. вышел в свет фундаментальный труд немецкого зоолога Э. Геккеля «Всеобщая морфология организмов». В нем впервые дано общее определение экологии как суммы знаний по совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической. Ученый отнес экологию к биологическим наукам и наукам о природе, которых прежде всего интересуют все стороны жизни биологических организмов.

В качестве самостоятельной науки экология сформировалась к началу XX века. При этом наряду с зарубежными учеными в ее развитие и становление внесли огромный вклад наши соотечественники: К.А. Тимирязев, В.В.Докучаев, В.И. Вернадский, Н.И. Вавилов, В Н. Сукачев, С.С. Шварц, Г.Ф. Морозов, А.В. Яблоков, Н.Ф. Реймерс и др.

Так, крупнейший русский ученый В.И. Вернадский создал учение о биосфере, указав при этом, какую огромную роль играют живые организмы в геохимических процессах на нашей планете.

Истинное значение экологии по-настоящему стали осознавать лишь на закате XX века, когда возрастание численности населения планеты и резко усилившееся воздействие человека на природную среду, приведшее к ее деградации, поставили со всей остротой вопрос: быть или не быть человеческой цивилизации. Чтобы удовлетворить свои немалые потребности в чистом воздухе, воде и физиологически здоровой пище, человеку надо знать не только, как устроена и как функционирует природная среда, но и как сделать ее своим союзником, сведя одновременно до минимума наносимый ей вред. Эти проблемы как раз и изучает экология.

Правомочен вопрос: чем же отличается экология от других биологических наук, например, ботаники, зоологии и многих других? С целью ответа на этот принципиальный вопрос необходимо рассмотреть основные объекты экологического изучения или основные подразделения экологии путем перехода от простого к сложному.

Логика развития экологии как науки, а также потребности практической охраны объектов природы обусловили создание так называемого экологического варианта системного познания, или экологического подхода.

Особенностью последнего является то, что в представление об экологической системе входят две крупные подсистемы: одна из них условно помещается в центре и рассматривается как главный (или центральный) объект, а другая — как окружающая среда. Эти подсистемы непрерывно обмениваются веществом, энергией и информацией. Все связи оцениваются прежде всего по их воздействию на установленный объект. Выбирая по тому или иному критерию центральный объект (организм, популяцию и т.д.), ученые автоматически разграничивают систему и среду, выявляя при этом контуры основных связей между ними.

Следуя этому подходу, можно мысленно вычленить из мира живой природы, всего многообразия живых организмов только одну особь. Эта условно изолированная особь (например, заяц) будет находиться под воздействием только факторов окружающей среды, среди которых основными окажутся климатические. Именно они, в первую очередь температура, влажность, освещенность и др., имеют определяющее значение в распространении тех или иных видов на Земле. Кроме того, для водных организмов особое значение приобретает вода как единственная среда обитания, а для наземных растений огромную роль играют физические и химические свойства почвы.

Изучение действия различных природных факторов на отдельные (искусственно изолированные организмы) есть первое и наиболее простое подразделение экологии — аутэкология.

Рассмотрим далее более высокий уровень организации живой материи, когда особь находится в окружении таких же особей, которые вместе занимают определенную территорию и относятся к одному виду. Такие группы, как уже отмечалось ранее, называют популяциями (от лат. populus — народ, население). В популяции особь начинает испытывать влияние соседей, а главное — начинает воспроизводиться. При этом, очевидно, возникают новые проблемы, которые обусловливают необходимость изучения влияния тех же внешних факторов, но уже не на отдельную особь, а на группу особей, на изменение ее состава и численности.

Нельзя полагать, что популяция — просто сумма отдельных особей, а ее свойства — лишь сложение свойств этих особей. У популяции в результате сложного взаимодействия входящих в нее организмов появляются только ей присущие свойства, которые совершенно не присущи отдельной особи (например, способность к размножению, а следовательно, к изменению численности и полового состава).

Исследование жизнедеятельности отдельных популяций, определение характера и причин их изменений, происходящих в результате внешних и внутренних воздействий, составляет предмет популяционной экологии, или демэкологии.

Однако совершенно ясно, что как отдельная особь не способна длительно существовать вне «родной» популяции, так и сама популяция не может жить изолированно: она нуждается в веществе и энергии, информации, пространстве и других ресурсах, без которых нет жизни. Вследствие этого одна популяция вступает во взаимоотношения, причем самые разнообразные, с другими популяциями. Это и борьба за пространство и пишу, но это может быть и взаимная помощь (опыление насекомыми растений) и т.д. Иными словами, раз
личные популяции связаны множеством нитей, они, объективно повинуясь законам природы, не могут существовать друг без друга. Следовательно, совместно обитающие популяции различных организмов всегда образуют определенное единство, которое называют сообществом, или биоценозом. Важнейшее свойство сообщества — устойчивость, т.е. способность к самоподдержанию своих природных свойств и видового состава при внешних воздействиях. При этом важно подчеркнуть, что устойчивость сообщества обусловлена как устойчивостью входящих в него популяций, так и особенностями взаимодействия между ними. Изучение сообществ, их взаимоотношений с окружающей средой составляет предмет экологии сообществ, или син- экологии (от греч. sun — вместе, с).

Однако и сообщество не способно существовать изолированно от окружающей среды, так как многие виды взаимоотношений популяций, входящих в сообщество, осуществляются через элементы неживой природы или весьма зависят от нее (например, хищники обычно выходят на охоту ночью). Сообщество живых организмов занимает определенное жизненное пространство, которое называется биотопом (от греч. bios — жизнь и topos — место).

Биотоп вместе с сообществом живых организмов различных видов образуют экологическую систему или сокращенно экосистему. Главная ее особенность состоит в том, что в ней длительное время поддерживаются вполне устойчивые взаимодействия (обмен веществом, энергией и информацией) между элементами живой и неживой природы. Таким образом, в отличие от популяции или даже сообщества экосистему можно считать вполне самостоятельным объектом, так как в ней имеются все компоненты, необходимые для ее длительного существования. Экосистемами являются лес, озеро, тундра и так далее, но к ним следует отнести и каплю воды со всеми ее обитателями.

Совокупность всех экосистем планеты, которые имеются в пределах трех геосфер (атмосферы, гидросферы и литосферы) и с которыми находятся во взаимодействии живые организмы, образует самую крупную экосистему Земли — биосферу.

Изучение биосферы, в которой все живые организмы тесно связаны между собой и со своим окружением, состоящим из элементов неживой природы (воды, воздуха, почвы, света, температуры и др.), — задача сложнейшего раздела экологии — глобальной экологии.

В экологии имеются и другие подразделения, определяемые тем, что ставится в центр внимания, что является центральным объектом изучения. Так, если таковым служит изучение человека, то отраслью экологии, применяющей экологический подход к человеческому обществу, будет экология человека. Она изучает вопросы сохранения и развития здоровья людей на основе выявления зависимости организма человека, его психики от состояния природной и социальной среды.

В последнее время важнейшим направлением экологии становится социальная экология. Она призвана объяснить и дать прогноз основных путей развития взаимодействия общества с природной средой, имея целью их гармонизацию на различных уровнях — локальном, региональном, глобальном. Отметим, что среди естественных наук экология впервые включила в круг своих интересов вопросы улучшения условий жизнедеятельности людей.

Итак, экология — синтетическая биологическая наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Она изучает влияние факторов среды на растительные и животные организмы, реакции отдельных особей, популяций и сообществ на эти факторы, а также механизмы, которые влияют на численность популяций, их структуру, исследует биологическую продуктивность природных сообществ, закономерности функционирования экологических систем.

Как учебный предмет экология делится на четыре основных раздела:

1) аутэкология, или факториальная экология (учение об экологических факторах); 2) экология популяций, или демэкология; 3) экология сообществ и экосистем, или биогеоценология; 4) основы учения о биосфере, или экология биосферы.

При изучении многообразных процессов, которые происходят в живой природе, экология использует много методов, среди которых главными являются метод наблюдения, сравнительный метод, исторический метод, экспериментальный метод и моделирование. В частности, исторический метод изучает закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функции. В лабораторных опытах исследуется влияние разных условий на организмы, устанавливается их реакция на заданные воздействия. В процессе изучения отношений организмов со средой обитания в искусственно созданных условиях можно достаточно глубоко разобраться в происходящих явлениях природы.

В то же время очевидно, что взаимосвязи живых организмов с окружающей их средой, которая характеризуется множеством элементов и явлений, могут быть изучены наиболее полно лишь в природных условиях. Именно вследствие этого натурные наблюдения и эксперименты занимают самое важное место.

Относительно новым методом исследования в современной экологии является моделирование у позволяющее изучать сложные объекты, явления и процессы путем их упрошенного имитирования (натурного, математического, логического). Существенным преимуще
ством экспериментов на модели является то, что при этом могут быть воспроизведены такие крайние положения (например, температура), которые в ряде случаев не могут быть воссозданы на самом объекте.

Экология наука, использующая для своего развития данные самых разных дисциплин. Она тесно переплетается с целым рядом смежных наук: биологией (ботаникой и зоологией), географией, геологией, физикой, химией, генетикой, математикой, медициной, агрономией, архитектурой и многими другими. Изучая самые высокие уровни интеграции живой материи и в процессе познания переходя от популяции какого-либо одного вида к сообществам и экосистемам и, наконец, к биосфере в целом, экология объединяет в научном поиске и нередко координирует усилия специалистов и ученых многих направлении.

Сегодня экология перестала быть чисто естественной биологической наукой, это — комплексная социоестественная наука. В ее предмет практически вовлечены все стороны жизнедеятельности человека. Накапливая экологическое знание, постепенно меняя свои представления о существующем порядке в Природе, человек начинает понимать: порядок этот не случаен, он необходим для существования и развития самой человеческой цивилизации.

Признавая важную роль экологии, которую она играет в современном мире, отводя ей подобающее место в естествознании, следует научиться правильно пользоваться ее законами, понятиями, терминами. Это особенно важно, если вспомнить, что хищническое подчас использование человеком природных богатств, при незнании или нежелании постичь законы природы, часто приводит к тяжким и даже непоправимым последствиям. Об этом свидетельствуют трагедии исчезнувших цивилизаций, а также современный международный опыт и опыт нашей страны. Печальными примерами неразумного природопользования являются гибель Аральского моря, угроза экологической катастрофы, нависшая над Байкалом, Ладогой, Волгой. Крайне загрязнена атмосфера и резко ухудшились условия жизни в большинстве крупных городов. Тысячи квадратных километров территории стали опасны для людей и многих других организмов в результате катастрофы лишь одного энергоблока Чернобыльской АЭС. Под знаком вопроса оказывается сама возможность существования человеческой цивилизации.

Следует осознать, что человек для природы — всего лишь один из многочисленных порожденных ею видов живых существ. Когда-то его не было... Война, которую человек фактически ведет с природой, — заранее проигранная война: кто бы ни победил в ней — человек обречен. Выход из создавшегося положения — мирное сосуществование человеческого общества и природы, при котором должна быть разумно перестроена жизнь и отдельного человека, и общества в целом.

Все это определяет стратегическую задачу экологии: на основе познания законов природы, используя все достижения научно-технического прогресса, создать научную базу для гармонизации взаимоотношений человеческого общества и природы и разработать практические рекомендации, направленные на оздоровление и поддержание надлежащего качества природной среды, без чего невозможно нормальное существование всего ныне живущего на Земле и жизни как таковой в перспективе.

Вопросы для самоконтроля

1. Охарактеризуйте уровни организации живой материи по мере их усложнения.

2. Рассмотрите жизнь и ее развитие с позиций термодинамики.

3. Перечислите и охарактеризуйте основные свойства живого вещества.

4. Что общего в процессах фотосинтеза и хемосинтеза, в нем их различие?

5. Какие принципы положены в основу классификации живых организмов?

6. Дайте определение экологии. Какой принцип лег в основу классификации экологии?

7. Какая взаимосвязь существует между экологией и охраной природы?

8. Сформулируйте стратегическую задачу экологии.

 

Интересно знать

Департамент энергетики США отобрал 37 исследовательских проектов в области хранения энергии, энергии биомассы, захвата диоксида углерода и ряда других направлений. Среди них - новые металловоздушные батареи на основе ионных жидкостей с плотностью энергии превышающей в 6-20 раз плотность энергии обычных литиевых аккумуляторов, а так же проект по получению бензина непосредственно из солнечного света и CO2 используя симбиоз двух микроорганизмов.

масло мобил 5w40 цена недорого купить масло мобил 5w40
 
Заглушка вiсi диску колес купить запчасть 6L0601149EUFV Skoda Audi Volkswagen Seat
 
btc laundry
 
myfreemp3.click