Профессиональная ответственность специалиста за преодоление экологического кризиса
Из вышеизложенного ясно, что в стремлении к самостоятельной устойчивости, независимости от природы общество дошло сегодня до критического состояния отчуждения от природы, создав тем самым реальную угрозу собственного существования на планете. Это отчуждение проявляется наиболее явно в безудержном росте материального потребления, в провоцировании и культивировании все новых потребностей в вещах. В стремлении к свободе, независимости от сил природы общество и отдельный человек, все чаще нарушая естественные экологические связи, теряют представление о своей ответственности за окружающий мир.
Однако общество, культура, человек обладают не только разрушительным, но и созидательным потенциалом, способны преодолеть экологический кризис и его основные составляющие – социокультурный и антропологический кризисы. В экологическом сознании человечества сегодня совершается важнейший переход. Прежде люди сами создавали экологические тупики и затем думали о том, как из них выбраться, как преодолеть созданную опасность жизни. Сегодня главные усилия интеллектуальной элиты общества направлены на выработку таких форм социальной активности, которые свели бы к абсолютному минимуму экологический риск, обеспечивали бы экологическую безопасность человека и окружающей его среды. Как и для всего человечества, для России выход из экологического кризиса видится в переходе на модель устойчивого (не разрушающего, не истощающего и не загрязняющего природную среду) развития, которая рассматривается как единственная альтернатива безудержному экономическому росту, характерному для рыночной модели природопользования.
В современных условиях в развитых странах создаются научно обоснованные и экономически эффективные системы государственного, общественно-политического и экономического управления природопользованием и охраной окружающей среды. Во многих странах мира разрабатывается государственная экологическая политика на различных уровнях административного деления и обеспечивается централизованное финансирование природоохранной деятельности, возрастает роль научного сообщества в решении экологических проблем. Эти изменения могут быть осуществлены лишь при опоре на новую стратегию образования, новую социальную и экономическую политику, которые должны вести к изменению отношения человека к природе и изменению поведения человека в социоприродной среде. И в этом процессе особенно возрастает роль гуманитарных знаний.
Использование человеком природы и преобразование природной среды в интересах общества неизбежны и закономерны, так как они осуществляются в силу действия как законов природы, так и социальных законов развития общества. Поэтому научно-технический прогресс человечества не является чем-то чуждым природе, противоречащим ей, а наоборот, это – один из последовательных и закономерных процессов ее эволюции. Поэтому неудивительно, что закономерными являются и возникающие экологические и ресурсные проблемы человечества.
Так как общество не в силах остановить научно-технический прогресс, человеку ничего не остается, как научиться жить в согласии с законами природы и не переступать допустимые пределы воздействий на природную среду. Эта важнейшая для будущего нашей цивилизации задача может быть решена только на основе перехода общества на концепцию устойчивого развития с использованием новых экологических технологий с учетом корректировки стратегии природопользования, воспитания у людей разумного ограничения человеческих потребностей. Поэтому разработкой стратегии рационального природопользования, решением инженерно-технических и медико-биологических проблем охраны природы, разработкой и реализацией программ экологического воспитания и образования, разработкой юридических и социально-экономических механизмов управления природопользованием и т.п. должны заниматься ответственные профессионалы на своих рабочих местах.
II. БИОСФЕРА
Основные понятия и определения
Вернадский и биосфера. Впервые термин «биосфера» ввел в своей работе величайший французский натуралист и мыслитель Жан-Батист Ламарк (1802), изучавший ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в ХVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ламарка ввел в науку термин «биосфера», рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп.Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению. Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся российский (советский) ученый-геолог В.И. Вернадский(1863 – 1945), создавший в 20-х годах ХХ века современное учение о биосфере (1926). Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому.
Изучая историю минералов и миграцию химических элементов в земной коре, Вернадский выявляет грандиозную роль живого вещества в геохимических процессах на нашей планете. Для изучения роли живого вещества в эволюции биосферы ему потребовались знания биологии, геологии, химии, и на их основе сформировалась новая наука – биогеохимия. Об исключительной роли живого вещества в биосфере Вернадский пишет в «Очерках геохимии», опубликованных в 1924 г. в Париже и в 1927 г. в Ленинграде. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», изложенное в которой представление биосферы как «тонкой пленки жизни», «живой оболочки» Земли оказалось как нельзя более своевременным, хотя и несколько опередившим время. Должного вниманияучению Вернадского о биосфере сначала не было оказано. Однако изучение последствий радиоактивного и химического загрязнения атмосферы, гидросферы и почв после второй мировой войны заставило ученых и политиков обратиться к учению Вернадского о биосфере, которое получило широкое распространение в западных странах, а затем и во всем мире.
В последние годы жизни Владимир Иванович Вернадский писал в дневнике: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».
Понятие ноосферы (от греч. «ноос» – разум) также имеет свою историю. Считается, что оно было введено в 1927г. французскими учеными Е. Ле Руа и П. Тейяр де Шарденом. Они понимали под этим термином особую оболочку Земли, рассматриваемую в качестве некоего «мыслящего слоя» над биосферой, в который включается индустриальное общество с языком, религией и прочими атрибутами цивилизации.
Однако решающий вклад в современное понимание ноосферы внес Вернадский в своих работах, относящихся к 30–40-м годам ХХ века, рассматривая ноосферу как новое геологическое явление на Земле, когда человек впервые становится мощной геологической силой. Как и все живое на Земле, он может мыслить и действовать только в области распространения жизни, т.е. в биосфере, с которой он неразрывно связан и из которой выйти не может. Вернадский считал, что на современном этапе эволюции биосферы человек будет вынужден не только исправить возникшие в результате его деятельности нарушения в состоянии природы, но и научиться предотвращать подобные нарушения в будущем.
В настоящее время весьма ощутимые последствия научно-технического прогресса, поставившие под угрозу существование человечества на Земле, привели к необходимости предвидения последствий человеческой деятельности во всех странах с целью сохранения биосферы, т.е. жизни на Земле. Поэтому охрана биосферы постепенно становится заботой всего человечества, живущего на Земле, и как руководителей государств, так и отдельных людей. А для этого каждому из нас надо знать не только строение и законы функционирования биосферы, но и взаимосвязи происходящих в ней процессов и особенно влияние деятельности человеческого общества на возникающие в биосфере изменения. Выдающийся ученый и мыслитель Вернадский был уверен, что знание процессов, происходящих в биосфере, и разумная организация жизни и всей деятельности человечества приведут к созданию ноосферы на нашей планете.
Общая характеристика биосферы. Биосфера (по Вернадскому) – оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках – геосферах Земли: литосфера, гидросфера и атмосфера. К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.
Еще со времени Ламарка было известно, что процессы, происходящие в геосферах Земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы. Но и само живое вещество, как показал В.И. Вернадский, производит существенное преобразование геосфер. Причем с появлением человечества на Земле это преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня.
Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли. По современным оценкам сухая масса живого вещества биосферы, составляющая всего 2-3 трлн. тонн, в тысячу раз меньше массы тропосферы, в десять миллионов раз – массы земной коры и в миллиард раз – массы Земли. Именно ее «ничтожные» размеры длительное время мешали геологам понять исключительную роль жизни на Земле в геологических процессах, на что и обратил внимание Вернадский.
Распределение массы живого вещества (биомассы) в биосфере крайне неравномерно. На океан приходится лишь 3% суммарной биомассы Земли. Однако вследствие значительно более высокой интенсивности жизненных процессов в океане по сравнению с сушей океан ежегодно производит живое вещество, масса которого составляет более четверти от суммарной продукции биосферы Земли, оцениваемой величиной 230 млрд. тонн. Несмотря на удивительно малую величину ежегодно производимой на Земле биомассы, накопленное за миллионы лет в осадочных толщах земной коры захороненное органическое вещество и явилось «фабрикой» таких осадочных полезных ископаемых, как каменные угли, нефть, газ, фосфориты и др.
Этапы эволюции биосферы
Геохронологическая шкала. Большинство авторов гипотез о происхождении жизни на Земле допускали, что в течение огромного промежутка времени планета наша была безжизненной и на ее поверхности, в атмосфере и океане происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который привел к образованию первых примитивных организмов. Установилось почти традиционное представление о том, что на Земле происходила длительная химическая эволюция (хемогенез), предшествовавшая биологической и охватившая интервал времени не менее 1 млрд. лет.
Фоссилизированные (окаменевшие) остатки организмов встречаются в отложениях последних этапов геологической истории, охватывающих 570 млн. лет. По инициативе американского геолога Ч. Шухерта этот период назван фанерозойским эоном, или фанерозоем (от греч. «фанерос» – очевидный, четкий, «зое» – жизнь). К фанерозою относятся три последние эры в геологической истории земной коры: палеозой, мезозой и кайнозой.
Более древняя и самая продолжительная часть геологической истории названа криптозоем (от греч. «криптос» – скрытый). Он охватывает огромный промежуток времени – 570 – 4500 млн. лет тому назад и обозначается как докембрий. Этот первоначальный этап геологической истории биосферы принято подразделять на два последовательных периода:
1) Архей, протяженность около 1900 млн. лет,
2) Протерозой, протяженность около 2000 млн. лет.
Геохронологическая шкала представляет интерес с точки зрения рассмотрения последовательности этапов развития биосферы, так как она позволяет датировать историю возникновения видов организмов. Так, архей – это время примитивных одноклеточных бактерий, протерозой – время разнообразных бактерий и водорослей. А с началом палеозоя связывают первое появление многочисленных беспозвоночных, имеющих раковину, окаменевшие останки которых находят в горных породах повсеместно. В палеозое появились первые позвоночные около 450 млн. лет назад (ордовикский период), первые насекомые – 350 млн. лет назад (девон), первые рептилии – 300 млн лет назад (каменноугольный период, или карбон), первые хвойные – 220 млн. лет назад (пермский период). С мезозоем связано появление первых динозавров и первых млекопитающих (200 млн. лет назад в триасе) и первых птиц и сосновых деревьев (160 млн. лет назад в юрском периоде).
Кислород в атмосфере. В развитии биосферыважнейшуюроль сыграл постепенный рост концентрации кислорода в атмосфере, что и создало условия для формирования озонового слоя в атмосфере, переходу на сушу зародившейся в океане жизни и появления в дальнейшем высших животных. Первичная атмосфера была почти без кислорода (0.1% от современного уровня). Изменение состава атмосферы началось приблизительно 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы. Этот процесс развивался до появления 1.5 млрд. лет назад современных хлорофилловых клеток, которые стали выделять большое количество кислорода и поглощать углекислый газ. Их предшественники – прекариоты (клетка без ядра) были первыми фотосинтезирующими организмами (Вероятно, это были сине-зеленые водоросли, обнаруженные в докембрийских отложениях в Онтарио).
Приблизительно 1 млрд. лет назад количество кислорода составляло 1% от современного уровня. В эту эпоху важной была роль фотосинтезирующей активности фитопланктона и появился озоновый слой, который задерживал губительные для организмов ультрафиолетовые лучи, что способствовало дальнейшему развитию органической жизни в поверхностном слое воды.
Около 600 млн. лет назад начался важный биосферный процесс: заселение материков живыми существами – появились низшие автотрофные растения, затем более сложные виды растений, что сопровождалось резким увеличением содержания кислорода в атмосфере – от 3% (от современного уровня) 700 млн. лет назад до 50% к началу мелового периода 140 млн. лет назад.
Основные этапы развития биосферы. Можно условно выделить следующие последовательные этапы эволюции биосферы: хемогенез, биогенез, социогенез, техногенез и ноогенез. Ниже кратко рассматривается содержание этих этапов.
1) Хемогенез (химическая эволюция) – образование простых органических соединений в геосферах Земли под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды. Начало этапа – 3,5-4,5 млрд. лет.
2) Биогенез – преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа – 2,5-3,5 млрд. лет назад (появление живого вещества биосферы).
3) Социогенез – появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе трудовой деятельности. Начало этапа – 1,5-3 млн. лет назад (появление человека).
4) Техногенез – процесс преобразования природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно-технических комплексов, т.е. техносферы как составной части биосферы. Начало этапа – 10-15 тыс. лет назад (появление городских поселений).
5) Ноогенез – процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально-природной системы (ноосферы). Ее можно характеризовать как состояние биосферы, при котором осуществляются: а) рациональное использование природы, т.е. рациональное природопользование; б) устойчивое развитие мирового человеческого сообщества.
__________________________________________________________________________
Заметим, что важное воздействие на эволюцию биосферы оказал дрейф континентов, в результате которого эволюция разных групп организмов пошла различными путями. Согласно теории дрейфа континентов, выдвинутой Альфредом Вегенером в двадцатых годах ХХ века, современные континенты возникли из единого массива суши, получившего название Пангея и существовавшего на нашей планете еще в палеозое, как остров в Мировом океане. Примерно 200-250 млн. лет назад в конце палеозоя – начале мезозоя Пангея «раскололась» на два крупных массива суши, называемых Гондваной и Лавразией, которые стали расходиться, дав возможность сформироваться новым океанам. Индия и континенты, находящиеся сейчас в Южном полушарии (Южная Америка, Африка, Антарктида, Австралия), составляли вместе единый материк Гондвана. Лавразия включала нынешнюю Северную Америку, Европу и Азию.
В юрский период Гондвана и Лавразия отделились друг от друга. К тому времени эволюция динозавров достигла довольно высокой степени, хвойные леса существовали уже на протяжении миллионов лет, появились первые птицы и млекопитающие. Еще до того, как началось разделение Гондваны на ныне существующие южные континенты и Индию, динозавры и хвойные завоевали господствующее положение среди живых организмов. После разделения Гондваны эволюция видов на разных континентах пошла различными путями. Так, сумчатые млекопитающие достигли большого разнообразия в Австралии и Южной Америке, тогда как плацентарные млекопитающие заняли доминирующее положение на других континентах.
Приблизительно в это же время происходило разделение Лавразии, где уже существовали хищные, копытные, грызуны, приматы и многие другие млекопитающие. Поэтому неудивительно, что североамериканские, азиатские и европейские виды млекопитающих связаны между собой более близким родством, чем с млекопитающими Австралии и Южной Америки. Нынешние континенты (за небольшими исключениями) сформировались в конце мезозоя, около 110 млн. лет назад, хотя Индия, перемещаясь к северу, соединилась с Азией только 20 – 30 млн. лет назад.
Строение биосферы
Современная биосфера, разместившаяся в пределах трех геосфер, наряду с живым веществом включает в себя полностью гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы.
Гидросфера. Эта составная часть биосферы представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледников. Она образует прерывистую водную оболочку Земли, занимающую более 70 % ее поверхности. Масса гидросферы распределена крайне неравномерно: 98,3 % ее составляет Мировой океан, 1,6 % связана в материковых льдах и лишь 0,1 % приходится на воды материков.
Мировой океан, являющийся основной частью гидросферы, служит средой обитания огромного количества самых разнообразных представителей растительного и животного мира и мира микроорганизмов. Все морские организмы делят на три большие группы: планктон, нектон и бентос. Планктон (от греч. «путешествующий») – самая большая по числу видов группа организмов, включающая в себя растения и животных, не способных самостоятельно передвигаться, «парящих» в толще воды и перемещаемых течениями. Планктон подразделяют на фито- и зоопланктон. Основная масса фитопланктона сосредоточена в поверхностном (50-80–метровом) слое воды океанов, где достаточно для фотосинтеза солнечного света. К нектону (от греч. «плавающий») относятся животные, способные самостоятельно передвигаться в воде (рыбы, водные млекопитающиеся, кальмары и др.). Организмы, прикрепленные ко дну водоемов, ползающие по нему и зарывающиеся в него, относят к бентосу ( от греч. «глубинный»), который подразделяется на фитобентос (разнообразные многоклеточные водоросли) и зообентос (губки, черви, моллюски и другие беспозвоночные).
Масса живого вещества в гидросфере распределена крайне неравномерно. Наибольшую биомассу имеет фитопланктон, «поля» которого занимают около 10 % площади Мирового океана и в основном расположены на шельфах морей и океана. Так как для большинства представителей нектона и зообентоса фитопланктон является основным или единственным источником пищи, распределение областей их наибольшей концентрации приурочено к полям фитопланктона.
Литосфера.В современном понимании литосфера(от греч. «литос» – камень) – верхняя твердая оболочка Земли, толщина которой колеблется в пределах 50-200 км. Верхняя часть литосферы образует земную кору, а нижняя – верхнюю часть мантии Земли. Земная кора, представляющая собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку планеты, состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Осадочный слой в основном сложен осадочными породами (глинами, песчаниками, известняками, доломитами, гипсами и др.), образовавшимися на поверхности Земли в основном в результате отложения продуктов выветривания и разрушения более древних пород, химического и механического выпадения осадка из воды, а также продуктов жизнедеятельности организмов. Мощность осадочного слоя крайне изменчива: в одних местах он отсутствует, в других – достигает толщины 20-25 км. Общий объем этого слоя составляет около 10 % от объема всей земной коры, причем основная часть слагающих его пород приходится на материки и шельфы океанов.
Нижняя граница биосферы проходит в самой верхней части земной коры. Отчетливое распространение жизни отмечается здесь лишь до глубины в несколько десятков метров, однако с подземными водами микроорганизмы распространяются до глубин 2-3 км, хотя известны случаи обнаружения микроорганизмов в нефтяных водах и нефти, добытых при бурении скважин с глубин около 1.8 км. С точки зрения наибольшей концентрации живого вещества в литосфере особый интерес представляет почвенный слой, толщина которого в различных ландшафтных зонах изменяется в широких пределах (от нескольких сантиметров до 1–1,5 м). Практически вся растительность суши, а следовательно, и весь ее животный мир связаны с почвой как необходимым источником пищи. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т. е. способность обеспечить необходимые условия для жизни растений. Большое значение в плодородии почв играет гумус, состоящий преимущественно из продуктов биохимического разложения отмерших остатков организмов. Почва является местом обитания огромного количества микроорганизмов, водорослей, простейших, насекомых, червей и других беспозвоночных животных и большого количества позвоночных животных.
Атмосфера. Третья геосфера Земли, с которой связана биосфера – это атмосфера, представляющая собой газовую оболочку Земли, состоящую из азота (78,08 % объема), кислорода (20,95 %), аргона (0,93 %) и углекислого газа (0,03 %). На долю остальных газов приходится около 0,01 % общего объема атмосферы. С удалением от поверхности Земли плотность атмосферы постепенно уменьшается до высоты около 3 тыс. км, где ее плотность становится равной плотности межпланетного пространства. Обычно атмосферу представляют в виде совокупности слоев – тропосферы, стратосферы и ионосферы. Тропосфера, заключающая в себе около 80 % массы всей атмосферы и практически весь водяной пар, простирается до высоты приблизительно от 9 км (на полюсах) до 17 км (на экваторе). В нижней части стратосферы, простирающейся от верхней границы тропосферы до высоты около 50 км, располагается озоновый слой, для которого характерно повышенное содержание озона. Концентрация озона на высотах расположения озонового слоя 15-26 км более чем в 100 раз превышает его концентрацию у поверхности Земли.
В качестве верхней границы биосферы принимается нижняя граница озонового слоя, почти полностью поглощающего губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Вот почему часто озоновый слой называют «озоновым щитом», защищающим жизнь на Земле. Здесь будет нелишним заметить, что включение в биосферу нижней атмосферы является несколько условным, так как нахождение организмов в ней на значительных высотах над земной поверхностью в большинстве случаев может быть временным, а истинной средой обитания их служит гидросфера, верхняя часть земной коры и тонкий-тонкий слой приземной атмосферы.
Биогеоценоз
Структура биогеоценоза.
Биогеоценоз – наименьшая структурная единица биосферы. Этот термин был введен в 1942г. известным русским биологом-лесоведом В.Н. Сукачевым и происходит от трех корневых основ (греч.) «био» – жизнь, «гео» – земля, «ценоз» – сообщество.
Биогеоценозомназывается внутренне однородная и пространственно ограниченная (обо-собленная) природная система вза имосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической (неживой, косной) среды. Биогеоценоз состоит из двух сложных компонентов разной природы (рис.2): биоценоза и биотопа, что схематично можно представить в виде:
БИОГЕОЦЕНОЗ = БИОЦЕНОЗ + БИОТОП
Рис. 2 Обобщенная структурная схема
Биогеоценоза
Биоценоз и биотоп.
Термин биоценоз был введен немецким биологом К. Мебиусом (1877) и означает сообщество живых организмов. В свою очередь биоценоз представляет собой сложную совокупность, состоящую из ряда компонентов живой природы, взаимообусловливающих существование друг друга:
1) фитоценоза – сообщества растительных организмов,
2) зооценоза – биокомплекса животных организмов (беспозвоночных и позвоночных), обитающих в почве и надпочечной среде,
3) микробиоценоза (или микробоценоза) – сообщества микроорганизмов (бактерий, грибковых и др), живущих в почве, в воздушной и водной средах.
Биотопом (или экотопом) называется относительно однородное по своим геоморфологичеким, климатическим, геохимическим и другим абиотическим свойствам пространство, занятое биоценозом. Биотоп представляет собой совокупность двух взаимодействующих между собой компонентов неживой природы:
1) атмосферы, содержащей атмосферную влагу и биогенные газы – кислород и углекислый газ – и характеризуемой такими свойствами, как температура, влажность, давление, солнечная радиация, осадки и др.,
2) почвенного покрова с подпочвенными слоями материковой породы и почвенно-грунтовыми водами.
Фотосинтез и круговорот веществ – основные факторы существования биосферы. Фотосинтез является единственным на Земле процессом, в котором зелеными растениями из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды, минеральных солей) с помощью энергии Солнца в огромных масштабах создаются сложные, богатые энергией органические соединения. Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям – основа жизни всех других организмов биосферы. Все виды живых существ, обитающие на Земле, используют, в конечном счете, одну и ту же форму энергии химических связей, называемой биохимической энергией, с образованием и потреблением которой связано любое проявление жизни на нашей планете.
Источник энергии для фотосинтеза – солнечное излучение. Главные инструменты фотосинтеза – живые организмы, которые под действием солнечной радиации преобразует минеральные вещества, углекислый газ и воду в органические вещества, чрезвычайно богатые биохимической энергией. Они называются автотрофами (самопитающиеся) и их совокупности в биогеоценозе образуют фитоценоз как составную часть биоценоза. Другие организмы, образующие зооценоз и микробоценоз в составе биоценоза (см. рис. 2) и нуждающиеся для нормального функционирования в биогеоценозе в готовых органических соединениях – это гетеротрофы, т. е. питающиеся другими организмами (большинство бактерий, грибы, животные).
Наряду с фотосинтезом другим важнейшим для существования жизни процессом является круговорот веществ, а круговорот веществ осуществляется благодаря наличию в биогеоценозе организмов – автотрофов, создающих органические вещества из неорганических, и организмов – гетеротрофов, которые используют эти органические вещества и превращают их в неорганические соединения, пополняя запас последних в биотопе. На рис.3 показана схема циклического движения вещества в биогеоценозе: от автотрофов к гетеротрофам (ОВ) и от гетеротрофов к автотрофам (МВ).
Рис. 3 Схема круговорота веществ в биогеоценозе
МВ – минеральные вещества; ОВ – органические вещества
Каждый природный биогеоценоз представляет собой сложную саморегулирующуюся систему, сформировавшуюся в результате многих тысяч и миллионов лет эволюции и обладающей способностью трансформировать вещество и энергию в соответствии со своей структурой и динамикой. Путем самоорганизации такая система способна противостоять как изменениям окружающей среды, так и резким изменениям в численности тех или иных организмов, входящих в состав биоценоза. Основу биогеоценоза составляют зеленые растения, которые, как известно, являются производителями органического вещества. А так как в биогеоценозе обязательно присутствуют растительноядные организмы (животные, микроорганизмы), потребляющие органическое вещество, то нетрудно догадаться, почему растения являются главным звеном в биогеоценозе: ясно, что если растения – главный источник органического вещества исчезнут, то и жизнь в биогеоценозе прекратится. Все перечисленные компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством и однородностью участка территории (биотопа), круговоротом биогенных химических элементов, популяций автотрофных и гетеротрофных организмов. Поэтому можно говорить о биогеоценозе березовой рощи, луга и т.п., но нельзя называть биогеоценозом сообщество бактерий в капле росы на травинке.
Популяция
Основные понятия и определения. Все виды живых организмов в биосфере могут существовать только в форме популяций. Популяция– это совокупность особей одного вида, занимающих определенное место в пространстве. Иногда популяцию представляют и как совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство и обладающих сходной наследственностью, т.е. внутри которой осуществляется обмен генетической информацией. Известно, что наследственная информация хранится в хромосомах в виде нуклеиновых кислот, молекулы которых или их отдельные части, называемые генами, определяют наследственные признаки. Совокупность всех генов образует генотип, а совокупность всех особей, хранящих и передающих по наследству генетическую информацию, формирует генетический фонд, или генофонд популяции.
Подобно различиям, существующим между отдельными особями, имеются различия и между популяциями, так как каждая популяция приспособлена к условиям той местности, в которой она обитает. Благодаря свойству приспособления (адаптации) к условиям окружающей среды популяция может обосноваться в определенной области при наличии подходящего климата, питательных веществ и источника энергии. Поэтому каждая популяция обладает рядом признаков, отсутствующих у отдельных ее членов. Такими отличительными признаками являются численность и плотность популяции, подходящее местообитание, которое по своим температуре, влажности, характеру почвы и растительности, пищевым ресурсам и прочим параметрам соответствовало бы ее потребностям.
Популяция и биогеоценоз. Подобно тому, как отдельные особи не могут существовать в природе вне популяции, так и популяции не могут существовать в определенном месте обособленно от популяций других видов, т.е. вне биогеоценоза. Поэтому можно утверждать, что биогеоценоз – это комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих популяций разных видов, обитающих на определенной территории с относительно однородными условиями существования. С точки зрения понятия биогеоценоза эта территория с относительно однородными условиями существования ранее была определена как биотоп. Однако в пределах одного биотопа каждый вид занимает разные участки территории, обеспечивающие этому виду биотические и абиотические условия, необходимые для существования популяции.
Таким образом, каждый вид в пределах биотопа имеет присущее только ему место обитания. Такие места обитания вида (или местообитания) называются стациями (от лат. стацио – местообитание). Например, биотопом популяций лесных видов растений и животных является участок территории леса, который будет естественным образом разделяться на участки – стации, занятые деревьями различных пород (сосна, береза, лиственница), для каждой из которых характерны излюбленные условия произрастания, отличающиеся разными почвами, влажностью и др. Более того, различные виды насекомых, питающиеся древесными растениями (листьями, корой, древесиной), наилучшим образом развиваются на какой-либо одной древесной породе. Поэтому биотоп леса будет разделяться на стации, связанные с существованием популяций отдельных видов насекомых, входящих в состав лесного биоценоза. Следовательно, биотоп является совокупностью большого числа стаций.
Численность и плотность популяций. Численностью популяции одного вида называют количество особей этого вида. Численность популяций в биосфере сильно меняется как во времени, так и в пространстве, зависит от условий местообитания и подвержено воздействию человека. Численность популяций разных видов колеблется от нескольких десятков особей до десятков тысяч (а у микроорганизмов – до миллиардов особей). Численность популяции – одна из ее важнейших характеристик. Исследования численности позволяют экологам судить о степени благоприятности условий обитания как для самой популяции, так и для биогеоценоза в целом. Плотность популяции – это ее численность, отнесенная к единице занимаемого ею пространства или среднее число особей на единицу площади (объема).
Численность популяции может возрастать по двум причинам: в результате иммиграции из соседних популяций или за счет размножения особей. Одним из показателей размножения является плодовитость, измеряемая числом потомков одной женской особи. Говоря о популяциях млекопитающих, используют термин рождаемость, которую определяют как число потомков, производимых одной самкой за год. Уменьшение численности популяции может происходить также по двум причинам: в результате смертности или эмиграции особей в другие соседние популяции. Смертность определяется как доля (в процентах) умерших особей к общему их числу в популяции.
Для человеческой популяции смертность выражается средним числом смертей в год на 1000 человек, а рождаемость обычно определяют числом рождений (живых детей) на 1000 человек за год. Изучением статистики рождаемости и смертности людей, анализа их временных и географических закономерностей для целей прогноза занимается демография.
Структура популяции. Каждая популяция имеет определенную структуру: возрастную (соотношение особей разного возраста), половую (соотношение полов) и пространственную. Возрастная структура отражает особенности распределения численности популяции по возрастам и может быть выражена в виде зависимостей относительного числа особей (по отношению к численности популяции), возраст которых находится в определенных временных интервалах. В демографических исследованиях возрастная структура населения отдельных стран, регионов или мира в целом определяется соотношением долей (в процентах) групп людей, чей возраст находится в равных (годовых, пятилетних и др.) интервалах времени. Графическое представление этих соотношений называют пирамидами возрастов, которые также являются показателями возрастной структуры популяции.
По виду возрастной структуры можно судить о том, является ли популяция развивающейся с растущей численностью либо сокращающейся популяцией. Для развивающейся популяции характерно значительное превышение численности возрастной группы особей с дорепродукционным возрастом по сравнению с группой, имеющей пострепродукционный возраст. Репродукционным называют возраст особей, которые могут давать потомство. Сокращающаяся популяция имеет обратное соотношение возрастных групп дорепродукционного и пострепродукционного возрастов.
Рассмотрим пространственную структуру популяции. Занимаемая популяцией территория разделяется на крайне неоднородные по численности и плотности популяции изолированные области, связанные с размещением этой популяции. Характер размещения популяции по земной поверхности определяет ее пространственную структуру, которая для большинства популяций имеет сложную структуру. На рис. 4 в графическом виде приведено одно из наиболее общих представлений сложной иерархической пространственной структуры популяции. Но прежде введем ряд дополнительных понятий: географическая, экологическая и элементарная популяции.
1– ареал вида
Популяции:
2 – географическая,
3 – экологическая,
4 – элементарная
Рис. 4 Пространственная структура популяции
Элементарной популяцией, или микропопуляцией, называется группа совместно обитающих видов, которая удовлетворяет сформулированным выше определениям популяции. Согласно этим определениям характерным для элементарной популяции является пространственная компактность расселения особей, т.е. нерасчлененность их местообитания в пространстве. Географической популяцией называют группу особей одного вида, населяющую территорию с однородными (по степени благоприятствования для этого вида) условиями существования. А экологическая популяция – это группа разнополых, половозрелых и обладающих равноценными условиями для полового отбора особей (в том смысле, что любые две разнополые особи данной группы могут с равной вероятностью скреститься друг с другом). Заметим, что в отличие от микропопуляций территории размещения географических и экологических популяций являются пространственно расчлененными и на географических картах будут представляться совокупностью отдельных зон.
Известно, что популяция каждого вида имеет свой ареал, под которым понимается область географического распространения (территория или акватория) особей рассматриваемого вида независимо от степени постоянства их обитания в рассматриваемых местностях (кроме мест их случайного попадания). Ареал вида занимает верхний уровень иерархической структуры популяции. На территории, связанной с ареалом вида, выделяются относительно крупные территориальные образования второго иерархического уровня, занятые географическими популяциями. Внутри этих крупных территориальных образований выделяются более мелкие территории (третий уровень иерархии), занятые экологическими популяциями. Последний, четвертый, уровень иерархии пространственной структуры популяции занимают элементарные популяции, местообитания которых размещаются внутри территорий, занимаемых экологическими популяциями.
III. ЭКОСИСТЕМЫ