Экология: проблемы и решения

Наличие воды в почве зависит  от режима дождей, уровня грунтовых  вод и величины зоны аэрации.

Факторы водной среды. Физико-химические свойства воды важны для живых организмов, населяющих водную среду, но вода обладает рядом особенностей, имеющих значение для живых организмов. К таким особенностям относятся:

высокая теплоемкость воды, что оказывает  глобальное влияние на климат Земли;

образование поверхностного слоя, так  как лед легче воды;

вязкость воды изменяется с понижением температуры и максимальной плотности достигает при температуре +4 ° C. С этим свойством связаны конвекционные движения и частые перемещения масс воды, что благоприятно для жизни;

массы воды испытывают волновое движение, как и воздушный океан, иногда достигая почти равной с ним силы;

в океанах наблюдаются приливы, отливы, течения, вызываемые космическими и климатическими факторами;

вода считается пресной при  содержании солей не более 0,5 г/л. Морская  вода в среднем содержит 35 г/л  растворенных солей.

Водные флора и фауна дышат  растворенным в воде кислородом, но кислород мало растворим в пресной воде и еще меньше в соленой. Для пресной воды содержание кислорода — 10,2 см³/л при температуре 0°С и 5,5 см³/л при температуре +30 ° С, в морской воде соответственно 8,0 и 4,5 см³/л.

Углекислый газ хорошо растворим в воде и образует карбонаты, используемые организмами для построения раковин, панцирей. Особенно много углекислого газа содержится в океанических водах, которые играют огромную роль в круговороте СО₂ в окружающей среде. Углекислый газ необходим планктону и водным растениям для их фотосинтеза.

Остальные газы, кроме азота, содержатся в воде в небольших количествах, а азот же биологической роли не играет. В водах богатых органическими  веществами, в донных отложениях скапливается сероводород, обладающий токсическими свойствами. Значительную биологическую роль играют положительные ионы кальция Сa⁺².

Вода считается жесткой, если содержание кальция составляет  
25 мг/л и более, и мягкой, если кальция содержится 9 мг/л и менее.

Характерные черты живой и неживой природы.  Живая природа характеризуется подвижным, изменчивым, краткоживущим и разнообразным миром.

Характерной чертой строения растений и их развития является спиральность (усики растений, рост тканей в стволах, спиральное движение при росте корней и т. д.).

Схема опорно-двигательного аппарата различных животных характеризуется 3-членным строением конечностей, которое возникло примерно 300 млн  лет тому назад.

В живых организмах для построения скелета используются 4 минерала: апатит, кальций, арагонит, окись кремния. Установлено, что эти минералы образуют крохотные кристаллы, которые между собой не срастаются в монолит, так как покрыты органическими пленками, контролирующими рост этих кристаллов. Если эта пленка нарушается, то происходит срастание минералов и, как следствие, “окостенение” скелета.

Некоторые новые  отрасли биоэкологии. В последнее время бурно развивается химическая или биохимическая экология. Исследования показывают, что в процессе своего роста и развития живой организм выделяет в окружающую среду химические вещества, которые обеспечивают регуляцию популяционных процессов.

Установлено, что животные выделяют специальные вещества-эндо-метаболиты, определяющие скорость роста и развития других особей. Эти вещества специфичны не только для разных видов, но и специфичны для различных популяций одного вида. В этом случае химический сигнал воспринимается генами одного сообщества как приказ, регламентирующий скорость размножения, рост, развитие. Так, при высокой численности животных данного вида, сдерживается скорость их размножения, т. е. сдерживается рост их численности. Химический фон, создаваемый популяциями данного вида, сдерживает развитие животных на ранних стадиях и ускоряет развитие “старших”, тормозит рост своего вида и ускоряет развитие “чужого” вида, способствующего развитию своего вида. Они действуют в ничтожных концентрациях.

Химическая сигнализация определяет не только численность, но и “качество” и генетическую структуру популяций. “Химический код” обладает высшей специфичностью действия внешнего обмена веществ организма — экзометаболизм, ничтожной продолжительностью “жизни”, так как теряет свою активность через несколько дней. Если “химический код” будет расшифрован, а аналоги метаболитов синтезированы, то открывается возможность управления численностью животных с учетом их хозяйственной необходимости.

Быстро развивающейся наукой является эталогия (наука о поведении животных). Каждому виду животных свойствен  стереотип поведения, определяющий возможность жить и продолжать свой род. Он проявляется лишь во вполне определенной среде и не только в физическом, но и в психологическом отношении.

Контрольные вопросы

1. Биоэкология и ее составные части.
2. Классификация органического мира.
3. Трофические цепи и их составные части.
4. Систематические единицы и основные таксономические категории, существующие в живой природе.
5. Синтетическая теория эволюции — основное достижение биологии XX в. и ее постулаты. Понятие о биоценозе, биотопе, биогеоценозе.
6. Физико-химические факторы, действующие на живые организмы и их роль в развитии живой материи.
7. Характерные черты живой и неживой природы.
8. Некоторые новые отрасли биоэкологии (биохимическая экология и эталогия).

Географическая  экология

Географическая экология — это раздел экологии, основанный на приложении экологических закономерностей к географическим процессам при изучении закономерностей развития систем высоких иерархических уровней.

География — это система физико-химических (естественных) и экономико-географических наук, изучающих географическую оболочку Земли, природные и производственные географические комплексы и их компоненты.

Географическая оболочка — это среда взаимоотношения и взаимодействия земной коры, тропосферы, гидросферы и биосферы. В географической оболочке под воздействием космических и земных источников энергии происходят различные физико-химические процессы. В этой оболочке вещества представлены в трех агрегатных состояниях — жидком, газообразном и твердом, и только в этой оболочке формируется жизнь.

Циклы трансформации, переноса энергии и вещества в географической оболочке. Трансформация, перенос энергии и вещества в географической оболочке связаны с самостоятельными системами ее потоков и круговоротов, которые называются циклами. Выделяются радиационный (лучевой) , тепловой, гидросферный, биогеохимический и литосферный циклы.

Основными источниками трансформации  энергии на Земле являются электромагнитные излучения Солнца и космоса, причем от Солнца к поверхности Земли  идет 97% энергии, но из-за шарообразности Земли, только 25% солнечного излучения достигает внешней границы атмосферы.

От Солнца и космоса идут потоки заряженных частиц в виде плазмы (солнечная  плазма представляет собой сгусток  заряженных частиц). Суммарная мощность потоков заряженных частиц Солнца и космоса в несколько тысяч раз выше электромагнитного излучения Солнца и эти потоки захватываются магнитным полем Земли, возмущают магнитное поле Земли и процессы, происходящие в ионосфере (заряженный слой атмосферы), в результате вызывают перестройку поля атмосферного давления, изменяют погодные условия, ионизируют верхние слои атмосферы и оказывают сильнейшее воздействие на биологические процессы.

При рассмотрении радиационного цикла  видно, что 14% радиационных излучений  Солнца поглощается озоновым слоем Земли; 56% рассеивается в атмосфере водяным паром, пылью, облаками, причем 25% направляется к Земле, а 31% направляется в космос; 30% достигает поверхности Земли, и из них 4% отражается в космос от земной поверхности.

Примерно 96% излучений земной поверхности  поглощается паром и углекислым газом атмосферы, что формирует парниковый эффект, приводящий к дополнительному нагреванию земной поверхности. В целом Земля теряет примерно столько же радиационной энергии, сколько и получает, т. е. Земля находится в состоянии постоянного радиационного или лучистого равновесия.

Тепловой баланс Земли может  быть представлен выражением

R=LE+P± B+Ф+С,

где R — радиационный бюджет Земли; LE — теплота, затраченная на испарение; Р — вертикальный турбулентный поток; В — теплообмен с нижележащими слоями, т. е. с почвой, грунтом, водяными толщами; Ф, С — расходы энергии на фотосинтез, почвообразование и выветривание соответственно.

99% лучистой энергии из бюджета  года расходуется на испарение  и только 1% лучистой энергии расходуется  на почвообразование и фотосинтез. В геологическом аспекте времени эта энергия конденсируется в виде угля, торфа, горючих сланцев, нефти, газа, почв и других органических веществ.

Средняя температура земной поверхности  составляет примерно +15° С. Термический  экватор смещается к географическому, так как южное полушарие теплее северного примерно на 2° С. Это можно объяснить влиянием Антарктиды, поверхность которой отражает примерно 60% лучистой энергии Солнца. Температура над океаном выше, чем над сушей.

На распределение температуры  оказывают влияние океанические течения и атмосферные циркуляции. Океан имеет двухслойное тепловое расположение при средней температуре  океанических вод +4° C: верхние слои, на глубине до 100 м нагреваются — это теплые слои и ниже 100 м — холодные. Цикл вертикальной циркуляции океанических вод составляет примерно 1800 лет. При ослаблении циркуляции происходит прогрев и температура в географической оболочке повышается. При усилении циркуляции температура в географической оболочке Земли снижается. Поток энергии в почву и океанические воды в среднем для всей Земной поверхности примерно равен нулю, так как полученное тепло летом компенсируется его расходом зимой.

Основными типами атмосферной циркуляции являются широтный и меридиональный и, несмотря на постоянные переносы воздуха, атмосфера сохраняет состояние, близкое к равновесному. Все переносы в атмосфере связаны между  собой и образуют гигантский атмосферный  круговорот, энергетическим источником которого являются солнечная радиация и вращение Земли.

Механическая энергия вращения Земли превращается в теплоту, которая  преобразуется в длинноволновое излучение и направляется в Космос или к земной поверхности. Часть  механической энергии передается океану при трении воздушных масс о водную поверхность.

Океанические и воздушные течения  образуют единую систему, возникающую  при их взаимодействии.

Гидросфера возникла при выделении  воды из пород мантии Земли при  гравитационной дифференции вещества на поверхность Земли. Скорость водообмена неодинакова и зависит от агрегатного состояния и характера водовмещающей среды.

Круговорот воды в природе является одним из важнейших процессов  на Земле. Гидрологический цикл включает: испарение океана (456× 10¹² т/г); атмосферные осадки над океаном (410× 10¹² т/г); перенос влаги с моря на сушу (46× 10¹² т/г); атмосферные осадки над сушей (102× 10¹² т/г); суммарный сток (46× 10¹² т/г); испарение влаги растениями — транспирация (62× 10¹² т/г). Круговорот воды на суше в основном определяется транспирацией растений, так как они испаряют большую часть воды, выпавшей в виде осадков на сушу.

В результате обледенения и тектонических  процессов (углубление дна океана) происходит изменение уровня Мирового Океана. В настоящее время увеличивается масса океанических вод.

Всю совокупность организмов на планете  В.И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. Живое вещество является ведущим фактором в преобразовании Земли. На поверхности холодной планеты Земля возникла пленка жизни, которая ускоряет все процессы эволюции за счет способности поглощать и утилизировать энергию космоса, Солнца и трансформировать эту энергию в земное вещество.

По мнению В.И, Вернадского живое  вещество обладает следующими специфическими свойствами:

живое вещество биосферы обладает огромной свободной энергией;

резкое различие между живым  и неживым веществом наблюдается  в скорости протекания химических процессов (в живом веществе реакции идут быстрее);

отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его  индивидуальные химические соединения — белки, ферменты и пр. устойчивы только в живых организмах;

“произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всякого живого естественного тела в биосфере”;

живое вещество обнаруживает значительно  большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно свыше 2 млн органических соединений, входящих в состав живого вещества, а количество природных соединений — минералов неживого вещества составляет всего около 2 тыс., т. е. на 3 порядка меньше;

живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в пределах от 20 нм у наиболее мелких вирусов до сотен метров (киты, секвойя).

Далее В.И. Вернадский выделяет 9 функций живого вещества:

1. газовая — все газы биосферы (азот, кислород, углекислый газ, водород, сернистый газ, аммиак и др.) создаются и уничтожаются биологическим путем;
2. кислородная — образование кислорода из углекислого газа и воды;
3. окислительная — окисление более бедных кислородом соединений;
4. кальциевая — выделение кальция в виде простых и сложных кислот;
5. восстановительная — создание из сульфатов соединений типа сернистый газ, сернистое железо и др.;
6. концентрационная — концентрация рассеянных элементов;
7. окислительная — окисление остаточного органического вещества;
8. восстановительная — восстановление органического вещества;
9. метаболизм — обмен веществ и дыхание живых организмов.