ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЗЕМЛИ
Лекция № 2 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Ø Классификация экологических факторов
Ø Важнейшие экологические факторы
- Солнечный свет
- Ионизирующее излучение Земли
- Тепловая энергия
- Вода
- Воздух
- Почва
- Организмы
- Информация
- Человек
Как отмечалось, экологический фактор — это элемент или процесс внешней среды, влияющий на биосистему (организм, популяцию и т. д.). Его влияние зависит от ряда условий: природы самого фактора, его интенсивности и дозы, состояния организма и т. д. В этой связи предлагается несколько классификаций экологических факторов.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Существуют многочисленные варианты классификации экологических факторов. Мы приведем только важнейшие (по Реймерсу).
Экологические факторы подразделяются по времени их возникновения:
1) эволюционные (палеофакторы) — это факторы, порожденные эволюцией, например озоновый экран в атмосфере;
2) исторические — это результаты деятельности человека (города, каналы, поля и пр.);
3) действующие — это современные факторы, например мелиорация и др.
Экологические факторы можно разделить по времени действия:
1) периодические — это циклически меняющиеся факторы (времена суток, года и пр.);
2) апериодические — это внезапно возникшие факторы (мороз, шторм и др.).
Рассматривают также факторы в порядке их возникновения:
1) первичные экологические факторы;
2) вторичные экологические факторы.
Например, изменение солнечной активности (первичный фактор) отражается на климате Земли (вторичный фактор), который влияет на растительность и животный мир.
Еще одна классификация экологических факторов по их природе:
1) космические (излучение, пыль, метеориты и др.);
2) абиотические (абиогенные) — вся неорганическая природа (воздух, вода, минералы и др.);
3) биотические — все организмы, кроме человека;
4) биокосные — сформировавшиеся в процессе жизни (нефть, уголь и др.);
5) антропические — человек и его прямое влияние (селекция, отстрел и пр.);
6) антропогенные — продукты деятельности человека (каналы, плотины и пр.).
Можно разделить экологические факторы по среде, в которой они действуют (атмосферные, водные, геоморфологические, эдафические), и по уровню, на который они воздействуют (генетические, физиологические, популяци-онные, биоцентрические, экосистемные, биосферные), а также информационные и др.
ВАЖНЕЙШИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТ
К важнейшим экологическим факторам относятся солнечная радиация, ионизирующее излучение Земли, тепло, вода, воздух, почва (эдафический фактор), организмы, антропогенный фактор, а также информация. Рассмотрим их последовательно.
Солнце — источник жизни на Земле. Его энергия в результате фотосинтеза накапливается в виде энергии
химических связей в органических соединениях, которые в дальнейшем являются строительным материалом и источником энергии для организмов. Область солнечного спектра, участвующая в фотосинтезе, находится в диапазоне длин волн 380 -740 нм. Эта область называется фотосинте-тически активной радиацией. Из всей энергии солнца, попадающей в атмосферу Земли, до поверхности доходит около 50%. Из них поглощается около 65%, а используется на фотосинтез лишь 1,5% (рис. 4). Таким образом, энергетический ресурс на Земле ОГрОМеН. НаДО ТОЛЬКО Научиться эту энергию использовать.
- Рис. 4
Солнечная радиация
- на земле
Свет — это не только энергия. Важно отметить, что в северных районах преобладает длинноволновый спектр, а на юге — коротковолновый. Плюс к этому в данных районах имеются сезонные различия в долготе дня. Поэтому световой режим является фактором естественного отбора. Все организмы по отношению к свету делятся на следующие группы: сциофиты — тенелюбивые и гелеофиты — светолюбивые.
Из растений к первым относятся мать-и-мачеха, картофель, томаты, кукуруза, а ко вторым — большинство плющей и лиан.
Кроме этого, свет является ритмообразующим фактором и источником ориентации. У высших животных в процессе эволюции под влиянием солнечного света сформировались специальные органы ориентации — глаза.
Но и животным свет необходим как дополнительная энергия, в частности для деривативов, т. е. покровных тканей, например для нашей кожи. Под влиянием света усиливается рост волос, активизируются функции потовых и сальных желез, утолщается роговой слой, уплотняется эпидермис и повышаются защитные свойства кожи. Солнечная энергия нужна для синтеза витамина Б, обладающего антирахитным действием. Его накопление связано с активацией минерального обмена в организме, укрепляющего кости. Вот почему, когда тепло, важно определенное время проводить на солнце (загорать). Солнечные дни необходимы и животным. Ветеринарам хорошо известно, что такие прогулки приводят к росту продуктивности домашнего скота, увеличению его воспроизводящей способности и пр.
Важно отметить, что практически для любого организма плохо как недостаточное, так и избыточное освещение. Первое у растений вызывает полегание, снижение плотности посева, а второе — разрушение хлорофилла со всеми вытекающими последствиями (торможение роста, снижение урожайности и т. д.) вплоть до прямых ожогов. У животных недостаток солнечного света приводит к нарушению витаминного и минерального обмена, снижению упитанности, продуктивности, к появлению заболеваний, в частности рахита и остеодистрофии, а избыток — к подобным же явлениям, а также к раздражению, воспалению и заболеваниям глаз. Сильный свет является мутагенным фактором, он может привести к солнечному удару.
Таким образом, на примере солнечного света мы отчетливо видим действие закона оптимума. Только нормальный световой режим поддерживает организм, являясь для него не только прямым источником энергии, но и стимулятором (триггером) многих процессов в клетках. Нару-шение этого режима чревато негативными последствиями, а выход за определенные пределы — гибелью организма.
ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЗЕМЛИ
«Жизнь в биосфере исходит из двух главных источников энергии — из солнечных излучений и атомной радиоактивной энергии», — писал В. И. Вернадский. Кроме того что радиация является энергетическим фактором, хорошо известно, что она способна воздействовать на клетки, их ДНК, вызывая мутации (и канцерогенез), приводящие к изменению структуры и функций органов и тканей. Механизм ее биологического действия связан с активацией химических связей в биомолекулах, их распадом, приводящим к появлению биоактивных веществ, усиливающих негативные процессы. В результате в больших дозах радиация вызывает трансформацию и гибель клеток, а следовательно, и самого организма.
Ее источником являются радиоактивные элементы, важнейший из которых уран (23БП, 238И), а также торий, стронций, актиний и др. Радиоактивные элементы находятся не только вне, но и в составе организма. Как известно, они распадаются с выделением альфа-частиц (ядер гелия), бета-частиц (электронов) и гамма-излучения, проникающая и поражающая активность у которых различна. Первые задерживаются в покровных тканях. Их пробег в воздухе не более сантиметра, но активность наиболее высокая. Вторые по активности ниже. Они обладают пробегом около метра и проникают в организм глубже, примерно на сантиметр. Третьи пронизывают тело насквозь, но их поражающая способность еще меньше. Таким образом, в ряду альфа-, бета-, гамма-лучей возрастает проникающая способность и снижается степень поражения организма.
Кроме отмеченного мутагенного, а также канцерогенного воздействия на организм, вызванного патологическим изменением клеток, ионизирующее излучение в больших дозах вызывает и другие негативные последствия. В част-ности, это аномалии развития, уродства, а также лучевая болезнь, одним из симптомов которой является изменение состава крови: снижение в ней числа лимфоцитов — красных кровяных телец (белокровие).
Но у такого излучения есть и положительные свойства, — не зря радионуклиды находятся в составе организма. В малых дозах оно необходимо для жизнедеятельности, в частности для роста и размножения. Его роль в этом случае связывают с пусковым (триггерным) воздействием на многие клеточные процессы. Как полагают, оно дает старт физиологическим и биохимическим реакциям за счет дополнительной энергии, так называемой энергии активации. Ее дефицит тормозит рост и развитие, является причиной заболеваний. Каким же образом радиоактивные элементы попадают в организм? Очевидно, что какое-то количество передается от материнского организма. Но главное то, что в составе водных растворов их поглощает корневая система растений. Следовательно, они попадают в организм животных с пищей. Кроме того, их проникновение возможно через дыхательные пути (аэроионы), а также покровные ткани тела.
В организме высших животных радионуклиды накапливаются в определенных органах и тканях. В частности, в костях накапливаются изотопы кальция, стронция, бария, фтора; в печени — марганца, тория, плутония; в почках — селена, мышьяка, висмута, а в щитовидной железе — йода и брома.
Кроме эндогенных, имеются и внешние экзогенные источники ионизирующего излучения. Важно отметить, что радиоактивный фон неодинаков в разных регионах Земли. В частности, он достаточно высок в отдельных районах Индии и Бразилии, где превышение его по сравнению со средним уровнем может достигать 200 раз. Это связано с большими запасами радиоактивных элементов в этих странах: тория, радия, урана. Зачастую у высших организмов в таких регионах отмечается ряд положительных явлений, связанных с повышенной устойчивостью к заболеваниям и большей продолжительностью жизни.
Радиоактивный фон достаточно высок и в области так называемого большого вулканического кольца, в которое входят Япония, Сахалин и другие острова этого региона Тихого океана, а также часть восточного побережья нашей страны (Приморье и др.). Именно с высоким уровнем ра-диации часто связывают явление т. н. гигантизма в природе этого края. В частности, здесь размер и урожайность многих растений могут превышать средние показатели для данных видов в несколько раз. То же отмечено и в зоне Чернобыльской аварии.
Итак, у ионизирующего излучения есть как отрицательные, так и положительные стороны. Все зависит от мощности и времени воздействия (дозы), места его приложения, переноса и накопления радионуклидов. Последнее хорошо известно биологам в связи с законом накопления в трофических цепях. Так, в опытах на побережье Колумбии было установлено, что планктон, поглощая радионуклиды из воды, увеличивает их локальную концентрацию в организме в 2000 раз, а рыба, которая им питается, — в 15 000-40 000 раз.
Подведем итоги. Малые дозы радиации жизненно необходимы. Их снижение ниже определенного предела может быть источником необратимых изменений в организме, вплоть до его гибели. К тому же приводят и большие дозы, вызывающие, в частности, лучевую болезнь. У растений она выражается в торможении роста и развития вследствие нарушения обмена веществ. Внешние признаки: например, у пшеницы — темно-зеленые листья, волоски на корнях, у деревьев — экссудаты на листьях, их отмирание. У крупного рогатого скота это выражается в снижении упитанности, продуктивности, что вызвано расстройством функций органов и систем. Далее отмечается белокровие и гибель.
Таким образом, при использовании организмами ионизирующего излучения, а также для различных источников электромагнитного излучения вообще (в том числе ЛЭП, электроприборов, компьютеров, мобильных телефонов и пр.) требуется непременное соблюдение закона оптимума и в растительном и в животном мире.
2.2.3. ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ
Без тепла нет жизни — этот тезис знаком нам с детства. Действительно, тепловая энергия нужна организмам для поддержания их температурного режима, который требуется для нормального протекания физиологических и биохимических процессов.
Известно, что высшие животные делятся на теплокровных и холоднокровных. Эти организмы относятся соответственно к следующим группам:
• гомойотермные — те, у которых температура организма постоянная,
• пойкилотермные — те, у которых температура организма равна внешней.
У разных животных тепловой режим отличается. При этом взрослым и молодняку требуется различная температура окружающей среды. Так, для коровы оптимальный режим 10-15°С, а теленку нужна более высокая темпера-тура —18-20°С.
У разных видов растений также свои тепловые режимы. Так, например, табаку требуется температура 20-24°С, томатам — 26°С, огурцам — 25-30°С. При этом недопустимо как снижение ниже 12-15°С, так и повышение выше 35°С. И то и другое вызывает торможение их роста.
Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры
Повышение температуры выше нормы вызывает у организмов(в результате изменения скорости ферментативных реакций(рис. 5), конформации белков,распада их комплексов) нарушение клеточных функций, влекущее за собой нарушение структуры и функций органов и тканей, В частности фотосинтетического аппарата растений. Внешне это
проявляется в ряде признаков.Например, у пшеницы на листьях появляются желтые пятна, а у овса — красные. При этом у растений наблюдается трещины и ожоги.
То же у животных. Кроме того, в гипертермальных условиях у них снижается аппетит. В результате длительного перегрева организма, особенно на фоне высокой влажности, наблюдается изменение состава крови, а также активности ЦНС и мозга. Это может привести к тепловому удару. Наблюдается задержка развития и роста животных, снижение их продуктивности, вплоть до бесплодия, и наконец болезни и гибель.
Но и понижение температуры ниже нормы не допустимо. В клетках снижается ферментативная активность, а следовательно и скорости процессов метаболизма (рис. 5). Замечено, что у растений к температуре наиболее чувствительны молодые побеги, которые начинают отмирать на холоде. Вместе с тем следует отметить, что известны
холодо- и даже морозостойкие растения. Они растут в северных широтах.
У животного охлаждение организма вызывает дрожь. Оно съеживается, стараясь согреться. Длительное охлаждение особенно губительно при высокой влажности, оно приводит к бронхиту, простуде, которые часты у молодняка. Гипотермия (переохлаждение) вызывает нарушение обмена веществ и деятельности различных органов, например воспроизводства. В результате наблюдаются болезни, обморожения, паралич и далее гибель. Закон оптимума здесь проявляется наиболее отчетливо. Он требует поддержания оптимальной температуры тела, а значит, и оптимального теплового режима в данном регионе.
Сегодня в процесс сохранения теплового баланса Земли внедряется антропогенный фактор. Пока количество производимой нами энергии измеряется сотыми процента от солнечной, но оно удваивается каждые 12-15 лет. И не заторами то время, когда искусственная энергия начнет сказываться на тепловом равновесии планеты. Это относится к любому источнику энергии — от АЭС до тепловых электростанций. Кстати, для последних необратимо изымаются полезные ископаемые (уголь, нефть и другие), что, с одной стороны, приводит к их исчерпанию, а с другой — к нарушению определенного равновесия в природе. Только более полное использование энергии Солнца позволит их сохранить.
Тем не менее в настоящее время на планете растет средняя температура и меняется ее распределение. Например, среднегодовая температура над городами может превышать на 3-4° температуру окружающих территорий. Здесь про-является так называемый парниковый эффект, приводящий к локальному нагреванию атмосферы. Это отражается не только на организмах, но и на процессах переноса воздушных масс и влаги. В результате отмеченного повы-шения температуры в районах с достаточной влажностью продуктивность биоты может увеличиться, но в сухих зонах есть вероятность их превращения в пустыни. По предварительным оценкам, в благоприятных условиях окажутся Европа и запад Северной Америки, а, например, Передняя и Средняя Азия — под угрозой. Сама природа стремится к поддержанию теплового баланса и температуры по принципу обратной связи. Так, из астрофизики известно, что с момента зарождения жизни на Земле интенсивность солнечного излучения повысилась на 25%. Однако, несмотря на это, температура поверхности Земли остается постоянной в течение почти четырех миллиардов лет. Как это понять? Оказывается, не последнюю роль здесь играют организмы. Чем интенсивнее солнечный свет, тем активнее бактерии почвы и выше скорость ее эрозии. Это позволяет интенсивнее удалять углекислый газ из атмосферы, снижая парниковый эффект и тем самым охлаждая планету.
2.2.4. ВОДА
В воде зародилась жизнь. Сегодня она нужна растениям и многим простейшим для фотосинтеза, а любому организму — как растворитель и переносчик веществ, температурный демпфер, среда и участник многих процессов. Есть основания полагать, что она может являться также приемником, хранителем и переносчиком информации в организме. Животным необходима как газообразная влага, жидкость в составе пищи, так и питьевая вода. Она влияет на процессы пищеварения и обмена. Вода во многом определяет рост, развитие, продуктивность и естественную резистентность животных.
Вода занимает 2/3 поверхности Земли, находясь и в ее глубинах. Ее основная экологическая функция — осуществлять растворение и транспорт органических и неорганических соединений. В природной воде содержится около 60 химических элементов в виде ионов, а также газы — кислород, азот, углекислый газ и пр. Заметим, что вода находится также в почве и в воздухе (в тропосфере). Причем его влажность колеблется в широких пределах: от 90% в районе Амазонки до 20% и ниже в пустынях.
Вода уникальна тем, что находится сразу в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Ее особенностью является аномалия ряда физико-химических свойств, например увеличение объема и снижение
плотности при замерзании (минимум при 4°С). Именно низкая плотность льда по сравнению с жидкой водой, т. е. его образование на поверхности водоемов, позволяет сохраниться водным растениям и животным в зимний период.
Еще одним важным ее свойством является высокая теплоемкость — в 3000 раз большая, чем у воздуха. Это означает, что при охлаждении одного объема воды на один градус выделяется количество тепла, достаточное для нагревания на один градус 3000 объемов воздуха. Таким образом, аккумулируя тепло, вода оказывает смягчающее влияние на климат (так называемый температурный демп-фер), не позволяя резко изменяться температуре, например при переходе от дня к ночи.
Вода составляет от 60 до 90% животных тканей. Максимум ее у нас в слюне (около 100%), меньше в крови (около 90%), еще меньше в мышцах (70-80%) и костях (22%), а минимальное количество в составе зубов (менее 2%). Но она есть везде. В частности, в клетках, их цитоплазме ее содержится около 90%, причем это не та вода, которая находится в водоемах или льется из крана. Вода в цитоплазме — это на 90% структурированная жидкость, связанная с биомо-лекулами и отличающаяся по свойствам от обычной.
Уже отмечалось, что вода — непременный участник процессов обмена веществ, которые в организме идут постоянно. Например, кукурузе в вегетативный период нужно около 3,5 млн л воды на гектар, а корова в течение 5 лет жизни потребляет около 100 000 л воды. Однако на синтез фитомассы у растений ее расходуется всего 0,5-1%, а на образование биомассы у животных — около 1%. Остальное идет на выделение и испарение.
Различные организмы по-разному относятся к воде. По этому показателю они делятся на следующие категории:
гидрофиты — постоянно живущие в воде (рыбы, водные растения и животные),
гигрофиты — влаголюбивые (например, рис, осока, а из животных — амфибии, буйвол),
ксерофиты — предпочитающие засушливый климат (ковыль, верблюжья колючка, длительно переносит засуху верблюд), мезофиты — все остальные, кому требуется определенное среднее количество влаги (например, сельскохозяйственные культуры, домашние животные).
У организмов существуют собственные пределы количества потребляемой воды. Недостаток у растений приводит к нарушению обмена веществ, снижению скорости фотосинтеза, торможению роста и развития. Особенно это сказывается в критический период — от выхода в трубку до цветения. В результате снижается урожайность, зерна становятся мелкими, отмечается пустоколосица, а в случае засухи — гибель.
У животных нехватка 10% воды вызывает эксикоз. Он выражается в общей слабости, вялости, сухости слизистых и кожи.
Потеря организмом 20% воды (в течение 4-8 суток) приводит к гибели, главным образом в результате ослабления деятельности органов дыхания на фоне сгущения крови, нарушения водно-солевого баланса, расстройства пищеварения.
Избыток влаги также ухудшает рост и развитие растений, главным образом в результате нарушения ферментативных процессов в клетках. В частности, вместо синтеза органических молекул (полипептидов, полинуклеотидов) происходит их гидролиз, а также гидролиз так называе-мых запасных веществ, например полисахаридов. В результате резко увеличивается процент сахара внутри клеток и возрастает осмотическое давление, что отражается на их структуре и функциях. Это может даже вызвать осмотический шок и гибель клеток.
Увеличение влажности воздуха выше нормы у животных нарушает водообмен, что приводит к перегреву. При этом (после первичного повышения) резко снижается частота дыхания и скорость кровообращения. Это приводит к заболеваниям, в первую очередь кожным, а далее и к дру-гим, вплоть до гибели.
Таким образом, любому организму требуется нормальное количество воды, а нарушение водообмена ведет к негативным последствиям. Здесь также проявляется закон оптимума.
2.2.5. ВОЗДУХ
Современная атмосфера, свойства которой изменяются во времени (в течение суток, сезонов, лет) и пространстве, образована при участии фотосинтезирующих организмов. Она защищает нас от космических лучей и поддерживает температуру на Земле.
Жизнь организмов, в том числе человека, невозможна без воздуха. Если без пищи мы можем прожить несколько недель, без воды — несколько дней, то без воздуха — 4-5 мин. Воздух состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа. В нем содержатся и другие газы, в том числе пары воды. Его состав в атмосфере практически идентичен в разных областях земного шара вследствие интенсивных процессов диффузии и массопереноса. Однако зачастую наблюдаются локальные нарушения.
В частности, содержание кислорода и углекислого газа в воздухе должно быть постоянным, однако промышленность и транспорт снижают количество первого и увеличивают количество второго. Результат — кислородное го-лодание (его ощущали те, кто подымался на горные вершины), уменьшение озона в атмосфере (озоновые дыры), увеличение интенсивности ультрафиолетового облучения (в первую очередь т. н. жесткого коротковолнового ультрафиолета, являющегося мутагенным фактором) и повы-шение температуры (парниковый эффект). Следствием этого являются различные заболевания, в первую очередь дыхательных путей, отравления и другие.
Закон оптимума в этом случае связан с реакцией организма на недостаток и избыток воздуха, в первую очередь кислорода. У животных недостаточное поступление воздуха в организм и затруднение дыхания наблюдается при отеке гортани, спазме бронхов и т. д. В результате кровь не насыщается кислородом (гипоксемия) при задержке углекислого газа (гиперкапния). При прекращении дыхания наступает асфиксия с летальным исходом (через 5-10 мин). По поводу верхнего предела по концентрации кислорода в литературе нет отчетливых данных. Вместе с тем имеются основания предполагать негативные последствия перенасы-щения им воздуха. Даже кислородная маска может быть использована только в течение определенного времени.
Нельзя не отметить отрицательной роли загрязненного воздуха. У растений поллютанты атмосферы отражаются на фотосинтезе, подавляя его. Это вызывает торможение роста, цветения, плодоношения растений. Опадают листья и плоды, не достигнув спелости. У животных загрязнения воздуха приводят к раздражению слизистых оболочек, губ, дыхательных путей (воспаления). Это отражается на обмене веществ, подавляет его и приводит к интоксикации. В этом случае особенно опасны химические препараты, особенно пестициды.
Движение воздуха, т. е. ветер — это тоже фактор экологии. Умеренный ветер нужен всем. У растений он активирует водообмен и фотосинтез, что вызывает ускорение их роста и развития. Немаловажные следствия — воздушное опыление и перенос семян. Однако сильный ветер приводит к полеганию посевов, избыточному испарению влаги с их поверхности. В результате снижается урожайность, в первую очередь зерновых, у которых уменьшается число и качество зерен в колосе. Очень сильный ветер вызывает эрозию почвы.
Животные на умеренном ветру чувствуют себя комфортно, а для многих он является жизненно необходимым. Так, паукам он помогает расселяться. С ветром переносятся запахи, что способствует ориентации животных. То есть воздушные потоки несут информацию. Но сильный ветер травмирует животных, загрязняет корма. Это приводит к нарушению работы пищеварительных систем, снижает упитанность и воспроизводство. Часто вызывает болезни легких.
Следует заметить, что влияние ветра во многом зависит от температуры и влажности воздуха, т. е. экологические факторы работают одновременно. И обезвоживание, и переохлаждение — все небезопасно для организма. В ча-стности, как уже отмечалось, простуда снижает аппетит, а значит, и упитанность животного. Таким образом, любой закон, в том числе закон оптимума по данному фактору — воздуху — справедлив в любых условиях, но применять его надо грамотно, учитывая и другие воздействия.
2.2.6. ПОЧВА
Почва (эдафический фактор) — это биокосное природное тело (по Вернадскому). Она сформировалась в результате взаимодействия живой и неживой природы в течение длительного времени и состоит из них. Из почвы растения берут азот, фосфор, калий, кальций, магний, а также большинство микроэлементов, необходимых для нормальной жизнедеятельности.
Азот в водорастворимой форме — основной из потребляемых элементов. Его содержание, например, в растительных белках около 16%. Дефицит азота в почве (азотное голодание) отражается нарастениях. Это видно по мелким листьям, тонким стеблям и т. д. Избыток азота также вызывает негативные последствия — увеличение сроков созревания, снижение морозостойкости, а внесение в почву избытка нитратов и нитритов приводит к отравлению жи-вотных содержащими эти вещества растениями.
Что касается других элементов, то их содержание в почве также должно быть в пределах нормы. Выход за нее и в ту и в другую сторону приводит к нарушениям в растениях, изменению химического состава растительной пищи. Это отражается на обмене веществ растительноядных животных, их продуктивности и воспроизводстве.
Например, недостаток кальция приводит к пожелтению листьев растений, их загниванию и отмиранию, а у животных — к нарушению обмена веществ, заболеванию желудочно-кишечного тракта, увеличению ломкости костей. Увеличение кальция выше нормы вызывает у первых хлорозы и некрозы, а у вторых — поражение костей.
Еще несколько примеров по микроэлементам. Снижение содержания меди приводит к сухости растений (цветоносов) и нарушениям структуры костей, малокровию, снижению мозговой активности у животных. Недостаток никеля вызывает болезни и у растений и у животных, в частности у последних нарушения в эпителии и слизистой оболочке. Увеличение содержания никеля вызывает появление некротических пятен на листьях растений и кожные болезни у животных. Многие заболевания вызваны химическими загрязнениями почвы. Например, содержание фтора в ней редко бывает выше нормы. Но когда это случается, то отражается на внешнем виде деревьев, в первую очередь фрукто-вых. У них наблюдается отмирание листьев. А у животных, получивших избыточную дозу фтора, резко ухудшается состояние зубов (фтороз) и другие нарушения.
Говоря о почве, нельзя не отметить ее связи с водой (например, водная эрозия) и потоками воздуха (например, ветровая эрозия ), а также с животными, в том числе с антропогенным воздействием. Все эти факторы работают в совокупности. В частности, на фоне вырубки лесов и расширения посевных площадей идет их непрерывное сокращение, например в результате опустынивания. Этот процесс ежегодно изымает из производства около 6 млн га полезной почвы. Наиболее заметен он в бассейне реки Амазонки и в Юго-Восточной Азии, где идет наиболее интенсивное уничтожение главных мировых лесных массивов.
Почва, ее происхождение напрямую связаны с ландшафтом местности.
Ландшафт — это конкретная территория, однородная по своему происхождению и истории развития, не делимая по зональным признакам, обладающая единым геологическим фундаментом, рельефом, климатом, сочетанием почв, биоценозов и пр.
Кроме естественных, в природе все чаще встречаются культурные ландшафты (парки, сады, поля, водохранилища и т. д.), и с ними связан ряд экологических проблем.
Требования к культурному ландшафту следующие (Исаченко):
• обеспечение максимальной производительности возобновляемых ресурсов;
• более полное использование чистых источников энергии;
• предотвращение негативных стихийных природных процессов;
• оптимизация санитарно-гигиенических условий;
• обеспечение оптимальной окружающей среды.
Нарушение этих требований влечет за собой самые непредсказуемые последствия, приводящие к разрушению как искусственных, так и естественных ландшафтов. Именно по этой причине естественные ландшафты на Земле посте-пенно исчезают. Здесь не последнюю роль играет человек. В результате меняются климат, вода и почва, состав растительного и животного мира. Все это приводит к исчезновению не только отдельных организмов и их видов, но и це-лых биогеоценозов.
Что мы оставим потомству? Об этом пора задуматься всерьез. И не спасут нас ни заповедники, ни национальные парки, если не будет общим мировым приоритетом сохранение природы.
2.2.7. ОРГАНИЗМЫ
Любой организм — это компонент биогеоценоза и экологический фактор одновременно, так как он воздействует на окружающую среду, а она на него. В частности, растения образуют органические вещества (около 177 млрд т суши производят растения ежегодно), потребляя углекислый газ и выделяя кислород. В результате они формируют окружающую среду, влияя на состав атмосферы, водный и тепловой режим, почвенный покров, а также на численность и состав животных. Являясь фильтром различных загрязнений воздуха, растения одновременно выделяют фитонциды, обеззараживая его.
Здесь также проявляется закон оптимума, связанный, в частности, с плотностью насаждений, необходимой для данного вида. Но он может выразиться и в другой косвенной форме, когда одно и то же растение для одних организмов является полезным, а для других — вредным. То же отмечается и у животных. Например, птицы весной поедают насекомых, что, безусловно, положительно, а осенью питаются полученным нами зерном.
Особый интерес к взаимодействиям самих организмов. Они могут быть положительными и отрицательными как вне, так и внутри вида. Начнем с внутривидовых. Так называемый групповой эффект улучшает условия существования организма. Более эффективной становится борьба с кон-курентами и хищниками, добывание пищи, сохранение потомства и пр. В то же время как повышение, так и снижение численности ниже нормы чревато негативными последствиями, т. е. здесь работает принцип оптимального размера популяции (закон оптимума), о чем уже говорилось. Например, в стае волков оптимальное количество — 5-10 особей, в стаде слонов — 25, а у оленей — 300-400 голов.
Снижение численности популяции увеличивает имбри-динг (близкородственное скрещивание), ослабляет ее сопротивление внешним конкурентам, а избыток приводит к увеличению риска заболеваний и к внутрипопуляцион-ной борьбе за жизненные ресурсы в данном биогеоценозе: это и пространство, и свет (растения в поле или в лесу), и пища, и возможность продолжения рода. Так, увеличение плотности растений выше оптимума приводит к их гибели, а животных — к перенапряжению защитных механизмов, стрессовым реакциям, снижению воспроизводства (порой даже к каннибализму). Например, эпизоотия бес-плодия отмечается в крупных сельскохозяйственных комплексах.
Взаимодействия организмов разных видов следующие.
Конкуренция — например, борьба культурных и сорных растений за площади, борьба животных за пастбища (буйволы и антилопы).
Сотрудничество (протокооперация) — например, птицы, выклевывающие кожных насекомых у бегемота; козел, ставший вожаком стада овец.
Комменсализм — отношения, при которых для одного — польза, а для другого — нет. Например, ягнята, питающиеся молоком козы; животные (зайцы и др.), объедающие наш огород.
Мутуализм (симбиоз) — плодотворное сотрудничество для обоих видов.
Например, деревья и грибы, растения-цветоносы и опыляющие их насекомые, микрофлора в организме животных.
Амменсализм — когда один подавляет другого. Например, яблоня подавляет картофель, малина — облепиху, а та — картофель и томаты.
Хищничество — когда один поедает другого. Первый в этом случае агрессор, а второй — жертва. Примеров здесь масса.
Паразитизм — когда один существует на (в) другом. Например, клещи, гельминты, вирусы, бактерии и прочие, живущие внутри и на коже животных. При этом часто паразиты бывают патогенными, т. е. вызывают болезни у хозяина.
В природных биоценозах в процессе эволюции установилось экологическое равновесие, в том числе в системе «паразит-хозяин». Но человек нарушает это равновесие, и причин достаточно много. Это создание культурных, но ослабленных видов; нарушение сложившихся сообществ; неоправданное уничтожение флоры и фауны (около 27 млн т рыбы и млекопитающих ежегодно добываются напрасно); торговля редкими животными и растениями (третий источник нелегальных доходов после наркотиков и оружия); создание благоприятных условий, в том числе для паразитов (например, парники, фермы), повышение пищевой ценности растений (и для человека и для паразита) и прочее.
Все это приводит к массовым заболеваниям и гибели растений (эпифитотии), животных (эпизоотии) и человека (эпидемии). Заболевания вызывает также борьба паразита с иммунной системой хозяина. Причем, заметим, что паразит по ряду причин часто оказывается победителем. Так, грибок — стеблевая ржавчина за 5 лет полностью уничтожает растение-хозяина.
Кроме того, идет исчезновение видов и меняется видовой состав. Так, крупные животные и растения (наиболее истребляемые) сменяются более мелкими, копытные — грызунами, а последние — растительноядными насекомыми. Следовательно, надо осуществлять меры по охране организмов, в том числе от паразитов.
Химические методы борьбы с теми же вредителями в ряде случаев не эффективны и даже зачастую приводят к негативным последствиям (уничтожение полезных организмов, мутационные изменения паразитов и пр.). Более разумными в этом плане являются биологические методы. Они основаны на использовании хищных организмов и паразитических насекомых против самих паразитов. С этой целью предлагается применение клещей и нематод, болезнетворных микроорганизмов (вирусов, грибов, бактерий), птиц, пресмыкающихся. В частности, разработаны методы с использованием насекомых-энтомофагов — жужелиц, божьих коровок, стрекоз, муравьев и др. Особо следует отметить рыжих лесных муравьев, которые за сезон уничтожают до 8 млн насекомых-вредителей в расчете на один муравейник.
о о я ИНФОРМАЦИЯ
Информация — это сведения, которые несет тот или иной сигнал (звуковой, световой, электрический, химический) или объект природы.
Источником информация является вся биота (растения, животные), в том числе процессы внутри организма, а также окружающие его объекты. Информация всегда содержит смысловую составляющую, т. е. не отделима от самого организма и не существует без него. Даже машины, об-менивающиеся сведениями без человека, созданы им и работают для него. По мнению некоторых ученых, информация лежит в основе самой жизни.
Внутренняя информация предается в виде сигналов, отражающих взаимодействия между структурами организма, его органами, тканями, системами и т. д. К ней относится генетическая информация, а также другие, более сложные информационно насыщенные процессы, проте-кающие с участием нервных импульсов, например мыслительная деятельность. Но заложенная в геноме информация может относиться и к внешней. Интересным примером является наличие специфической защитной реакции при виде хищника у только что вылупившихся цыплят, гусят или утят.
Внешняя, или экологическая, информация осуществляется, как правило, без значительных энергетических затрат. Это смена сезонов, дня и ночи, приливы и отливы, температура, рельеф, влажность, освещенность и пр. Важнейшими источниками информации являются свет и магнитное поле Земли. Они необходимы для коммуникации, ориентации, направленного движения, например для миграции рыб, птиц. Таким образом, внешняя информация воздействует на растения и животных, но существует и обратная связь. Примером ее являются инфразвуки ночных животных (ле-тучих мышей и пр.), аттрактанты и репелленты, локация рыб на больших глубинах.
Экологическая информация в процессе эволюции записывалась в генетическом коде простейших, животных, растений на клеточном уровне. В результате этого, например, уменьшение долготы дня и снижение температуры приводят к пожелтению и опаданию листьев, увеличению меха у животных, собиранию в стаи и миграции птиц на юг. При этом ряд факторов можно изменять искусственно, управляя организмами. Так, ускорение смены света и тьмы в два раза увеличивает яйцекладку кур, правда ненадолго.
И растения, и животные воспринимают специфическую внешнюю информацию, источниками которой являются сами организмы. Она подразделяется на внутри- и межвидовую. Касательно внутривидовой информации интересным примером является прямой обмен генетическим материалом между бактериями. В результате они могут выполнять функции, не заложенные в их геноме, и «переписывать» на него необходимые биты (путем рекомбинации ДНК). Таким образом, каждая бактерия имеет доступ к общему «банку информации» и адаптивным механизмам всего царства бактерий.
В процессе эволюции у животных сформировались специальные принимающие внешнюю информацию системы (органы слуха, зрения, обоняние, осязание и др.). Однако с их помощью организмы воспринимают не всю информацию. Идет ее жесткий отбор по принципу полезности. Возможно, поэтому, в частности, глаз пчелы работает в красной области спектра, а у собаки зрение черно-белое (сегодня имеются определенные сомнения на этот счет).
К специфическим информационным факторам относятся феромоны.
Феромоны — химические соединения, выделяемые организмами для осуществления определенных сигнальных функций. Аттрактанты — притягивающие, репелленты — отталкивающие.
Например, аттрактанты самки привлекают и активизируют самца, а аттрактанты самца возбуждают самку, вызывая в ней состояние стресса. Репелленты обладают прямо противоположным, часто защитным действием.
Источником информации, вызывающим стресс, может быть вид хищника, его поведение. Классические примеры — завораживающее влияние змеи на лягушку и удава на обезьяну. Пожар в лесу, наводнение также приводят к стрессу, появлению и развитию невроза у животных. При этом их поведение может существенно изменяться. Например, лиса не нападает на зайцев, оказавшись с ними на одном островке во время наводнения.
Важнейшим информационным фактором являются звуки, в частности шум (табл. 1). Естественный шум реки, леса или поля оказывает положительное влияние. Но вспомним, что бывает, когда лес замирает перед грозой.
Птицы перестают петь, животные настораживаются. Снижение уровня естественного шума отражается на нервной системе животных, но и его усиление оказывается раздражителем, подавляющим обмен веществ, продуктивность и т. д. В частности, изменяются нормальные физиологические процессы и активность ЦНС у человека.
Касательно сильных звуков: на Руси запрещалось звонить в колокола в период нереста, и, наоборот, звонили во время эпидемий. Сегодня установлено, что это подавляет активность простейших. Но звук может и активировать организмы. Одним из любопытнейших воздействий в этой связи является музыка. В Китае, Индии, на некоторых островах ее издревле использовали для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур.
Еще одним информационным фактором является наличие сородичей. Это так называемая внутрипопуляци-онная информация. Многие животные (стадные, или общественные) вообще не могут существовать без вожака и популяции. При этом дефицит внутрипопуляционной информации также опасен для них, как и ее избыток. В этом проявляется закон оптимума. Так, изоляция новорожденных соболят приводит к погрызанию ими конечностей и заболеваниям. О окучивании мы уже говорили выше, отмечая, что оно у растений приводит к торможению роста, снижению урожайности, а у животных — к стрессу и па-дению воспроизводства.
2.2.9. ЧЕЛОВЕК
Человек — это компонент биосферы, и его деятельность является экологическим фактором. Рост населения, который не проходит незамеченным для окружающей природы, увеличивает роль этого фактора. Население Земли 10 тыс. лет назад составляло около 5 млн человек, к первому тысячелетию н. э. оно стало 100-200 млн, к 1950 году — около 2,5 млрд, а сегодня — более 6 млрд человек. Расширилась и сфера влияния человека. Мы достигли Северного и Южного полюсов Земли, проникли в ее глубины и глубины океана, вышли в космос. Каковы же итоги? Антропогенный фактор сегодня играет преимущественно отрицательную роль в экологии, и тому есть ряд подтверждений.
Например, мы неконтролируемо изменяем окружающую нас природу. Хотя человек потребляет не более 1% продукции биосферы, сегодня на планете исчезновение угрожает одному из четырех видов млекопитающих, одному из трех видов рыб и двум из пяти видов амфибий. Почему?
Во-первых, уменьшение лесной растительности (Африка, Канада — в 3 раза) привело к обмелению и исчезновению рек, понижению грунтовых вод. Климат в ряде регионов стал суше. Эрозия почв, вызванная нашей агрономической деятельностью, привела к тому, что многие поля стали степями и пустынями. Ирригация, мелиорация привели к заболачиванию и засолению почв, а создание каналов, забирающих воды больше, чем приносят реки, — к обмелению морей. Так, Аральское море — когда-то четвертый по величине внутренний водоем, потеряло две трети своей площади. То есть человек изменяет естественные природные условия.
Во-вторых, наша хозяйственная деятельность привела к возрастанию в воздухе концентрации углекислого и других парниковых газов. В результате температура на планете сдвинулась вверх, что не проходит бесследно. Оценки показали, что к 2050 году повышение средних температурных значений повлечет за собой гибель от 15 до 37% видов организмов на Земле. Только в отдельных регионах, где возрастет количество пыли в воздухе, экранирующей Землю от Солнца, несколько похолодает.
А загрязнение природы выбросами и отходами производства! Ежегодно только пластиковые отходы становятся причиной гибели 1 млн птиц, 100 тыс. морских млекопитающих и неисчислимого количества рыбы, а от гряз-ной воды заболевает и умирает около 5 млн человек. Более 50% рек в мире загрязнены. В Европе только 5 из 55 крупных рек не несут промышленных и бытовых стоков. В результате придонный слой воды в морях и океанах насыщен поллютантами.
А нефть? А грунтовые воды? Подсчитано, что к 2025 году две трети населения Земли будет страдать от дефицита воды. Этому процессу, похоже, нет конца. А отходы? Изыскиваются все более изощренные методы захоронения, например, радиоактивных отходов — на дне морей (только один ядерный реактор производит около 20 т отходов в год!). К чему это приводит — известно.
Кроме того, мы занимаемся прямым уничтожением организмов как в результате их добычи, так и путем вытеснения другими завезенными видами (например, собаки в Австралии, мангусты на Антильских островах). В том числе негативными оказываются последствия как непродуманного истребления хищников (волков и других), так и создания условий для развития паразитов (водохранилища, парниковые хозяйства и пр.). В результате, например, численность промысловой рыбы сокращается. Здесь и перелов, и гидротехнические сооружения, и обмеление водоемов, и их загрязнение. А изменение природы организмов и новые ослабленные виды?
Есть ли выход? Он есть всегда, когда люди стремятся его найти. Можно привести много фактов, связанных с разумной, рачительной деятельностью, но отметим только несколько.
1. Организация природных заповедников и национальных парков.
2. Восстановление численности видов, их подкормка, а также защита от хищников и паразитов.
3. Внедрение промышленных производств, основанных на безотходных технологиях.
Здесь главное — законодательная деятельность и строгое соблюдение юридических норм и законов, которые соответствуют законам самой природы. Это законы об охране природы и животных, об особо охраняемых территориях, об охоте и промышленной добыче растений и животных и т. п.
В частности, сегодня в большинстве стран, в том числе и в России, создана т. н. «Красная книга», куда заносятся редкие и исчезающие виды, чтобы принять срочные меры по их сохранению.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Классификация экологических факторов по Реймерсу. Важнейшие экологические факторы.
2. Как делят организмы по их отношению к свету, теплу, воде?
3. Перечислите способы взаимодействия между организмами.
4. Какие экологические нарушения связаны со светом и ионизирующим излучением Земли?
5. Какие экологические проблемы объединяют такие факторы, как вода, воздух и почва?
6. Организмы, человек, информация — в чем экологическая общность и отличия?
7. Какой фактор становится все более определяющим в плане нарушений окружающей среды? Дайте мотивированный ответ, используя все экологические факторы.