«Бюрократический социализм рухнул, потому что не позволял ценам говорить экономическую правду. Рыночная экономика погубит себя и окружающую среду, если мы не позволим ценам говорить экологическую правду».

ТЕМА 1

Введение

Предмет, задачи и становление экологии. Глобальный экологический кризис. Концепции современной экологии. Экологические проблемы России.
Предмет, задачи и становление экологии. Экология — это наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. В середине XX в. экологию стали понимать как науку об экосистемах и биосфере ( работы В. И. Вернадского, В. В. Докучаева, Ю. П. Одума, А. Дж. Тенсли, Н. В. Тимофеева-Ресовского и др.). Экосистема - есть совокупность совместно обитающих организмов и условий их существования, объединенных сложной системой связей в относительно единую систему превращений вещества и энергии. Биосфера – оболочка Земли, включающая атмосферу гидросферу и верхний слой литосферы, химический состав и строение которой определяется существованием в ней жизни, совокупности всех живых организмов.

Современная биосфера есть среда обитания всех живых организмов и является продуктом их жизнедеятельности: неустанного воспроизведения, метаболизма (обмена веществ) и посмертного разложения мириадов живых существ. Почвенная, водная, наземная, воздушная среда жизни есть результат постоянного взаимодействия и взаимопроникновения живого и неживого веществ. Ни один вид живых организмов не может существовать исключительно среди себе подобных. Жизнь возможна только в сообществах (биоценозах) и в строго определенной совокупности условий, характеризующей место их обитания (биотоп). Биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих участок территории или акватории.

Единство биотопа и биоценоза — основная концепция современной экологии, концепция экосистемы.

Экосистемы и биосфера в целом являются высшим уровнем организации живого на планете Земля. Они, как и любая живая система, способны к саморегуляции, поддержанию своего видового состава и воспроизведению связей между отдельными видами. Такое представление об устойчивости экосистем, их гомеостазе или, иначе, об экологическом равновесии - одно из основополагающих понятий современной экологии. Биосфера и отдельные экосистемы могут переносить значительные антропогенные нагрузки благодаря возможности саморегуляции, самоочищения и самовосстановления. Однако эти свойства имеют естественные пределы, которые называют емкостью экосистем.

Существование цивилизации на нашей планете неразрывно связано с природными условиями. Она возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства и орудия, позволявшие ему изменять среду обитания. Таким образом, экология приобрела практический интерес уже на заре человечества. Первобытный человек, борясь за выживание, должен был иметь определенные знания о видах животных, их повадках, местах обитания.

На протяжении тысячелетий человек пытался покорить природу, но только недавно осознал, что Земля - не более чем «космический корабль» с ограниченными ресурсами. Этому способствовало развитие астрофизики, химии, биофизики. Оказалось, что нерачительное использование и загрязнение окружающей среды могут сделать невозможной жизнь последующих поколений. Причиной этого - эрозия почв, их засоление, опустынивание, что в конечном итоге приводит к региональным экологическим кризисам и исчезновению цивилизаций, их создавших. Техническая революция, начавшаяся в конце XVIII в., привела к тому, что последствия деятельности человека стали сопоставимы с природными явлениями.

Таким образом, основной задачей экологии как науки, является изучение законов взаимодействия природы и общества и оптимизация этого взаимодействия.

Методы исследования: экспериментальные методы мониторинга окружающей среды; математические методы мониторинга окружающей среды.

Глобальный экологический кризис. В связи с экспоненциальным ростом численности человечества, развитием техники и все большим стремлением к повышению уровня потребления у среднего жителя Земли к концу XX в. возникли предпосылки экологического кризиса, т. е. перехода биосферы к неустойчивому состоянию. Экспоненциальный рост населения и явление демографического взрыва стали заметны к 60-м годам прошлого столетия. В связи с тем, что 30% населения Земли практически голодает, был поставлен вопрос о возможности и путях решения продовольственной проблемы, о емкости природной среды, оценена продуктивность биосферы и ее способность прокормить растущее население Земли. В итоге стало ясно, что человечество находится почти у предела допустимой численности и уровня потребления (Медоуз, Курдюмов С.П., Капица С.П.). Современная кризисная ситуация усугубляется тем, что очень быстро вымирают биологические виды. Если нормальные изменения условий в природе сопровождаются вымиранием одного вида за 100 лет, то в настоящее время всего за 1 ч. на Земле исчезает 50 видов. К концу XX в. 63% естественных экосистем суши разрушены, гибнут многие водные экосистемы, и прежде всего морские. Происходит это по разным причинам, связанным как с техногенным загрязнением окружающей среды, так и с распахиванием земель, нерациональным использованием природных ресурсов. Однако основная причина - из-за роста народонаселения (особенно в развивающихся странах) и роста уровня потребления в развитых странах.

Экологами убедительно доказано, что качеством природной среды «автоматически» может управлять только биота, т. е. совокупность всех живых организмов Земли. Анализ моделей и натурные исследования показали, что биологическое разнообразие (разнообразие и количество видов, составляющих экосистему) является главным критерием и признаком устойчивости экосистемы. Восстановить нормальную природную среду обитания, качество воды, воздуха, почвы, пищи, утерянные ныне в результате экологического кризиса, биота способна, но только в случае, если для восстановления самой биоты будут предоставлены время и место. Поэтому для продолжения жизни биосферы прежде всего необходимо охранять биологическое разнообразие, т. е. все виды животных, растений, грибов, микроорганизмов, которые и составляют биосферу. При этом виды существуют только в сообществах и в определенных условиях, поэтому для их сохранения необходимо выделить специально охраняемые территории (заповедники), площадь которых на суше должна составлять не менее 1/6 ее части. Термин «биосфера» впервые ввел в научный обиход в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс, в работах которого биосферу понимали как тонкую пленку жизни на зем-ной поверхности, в значительной мере определяющую лик Земли.

Термин «экология» впервые введен в 1866 г. немецким биологом, профессором Йенского университета Э. Геккелем. В своем труде «Всеобщая морфология» он писал; «Экология —это познание экономики природы, одновременное исследование взаимоотношений всего живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая антагонистические и неантагонистические отношения животных и растений, контактирующих друг с другом». Преимущественно экология изучает живые системы с уровнем организации от организма и выше (рис.1.1).


Рис.1.1 Уровни организации материи

Существенной вехой в развитии науки об образе жизни различных живых организмов является труд Т. Мальтуса (1798), в котором приведены уравнения экспоненциального роста популяций как основы демографических концепций. Понятие экосистемы связывают с работами А. Тенсли (1935). Под экосистемой понимали совокупность организмов и неживых компонентов среды их обитания, при взаимодействии которых происходит более или менее полный биотический круговорот. В начале 40-х годов В. Н. Сукачев (1880—1967) обосновал концепцию биогеоценоза, имевшую большое значение для развития теоретической базы экологии. Изучение общепланетарных процессов развернулось после выхода в свет в 1926 г. книги В. И. Вернадского «Биосфера», где рассмотрены свойства <живого вещества» и его функции в формировании как современного лика Земли, так и всех сред жизни на планете (водной, почвенной и воздушной). Необходимо отметить вклад ряда других ученых, Ю.Одума, Б.Коммонера (США), Н.Ф. Реймерса (Россия), внесших огромный вклад в широкие количественные исследования функциональных особенностей различных экосистем - их структуры, продуктивности, условий их устойчивости, трофических (пищевых) связей в экосистемах.

Основные итоги работ В. И. Вернадского можно сформулировать следующим образом: жизнь в геологически обозримый период всегда существовала в форме биоценозов - сложно организованных комплексов разных организмов. При этом живые организмы всегда были тесно связаны со средой обитания, образуя целостные динамические системы. В ходе развития жизни неоднократно происходила смена одних групп организмов другими, но всегда поддерживалось более или менее постоянное соотношение форм, выполняющих те или иные геохимические функции.

Концепции современной экологии.

В последние десятилетия естественные науки интенсивно развивают представления глобального эволюционизма. Вселенная в современном естествознании рисуется динамичной, эволюционирующей не монотонно, а через кризисные состояния, катастрофы, бифуркации, сменяющиеся периодами запрограммированного (в соответствии с причинно - следственными связями) развития. Современная картина жизни определяет кризисные состояния как необходимую составляющую вечного развития материи. Естествознание в XVIII—XIX вв. развивалось в соответствии с двумя основными принципами. Первый из них - это широко подтвержденное практикой представление об однозначности причинно-следственных связей (принцип детерминизма). Фактически этот принцип лежит в основе современной технической цивилизации.

Второй важнейший принцип современной науки — ее основанность на эксперименте. При этом общепризнано, что предметом научного исследования могут быть только явления и процессы, полностью воспроизводимые в лабораторных условиях.

Однако развитие наук о жизни и в первую очередь экологии показало ограниченность подобных однозначных (линейных) представлений о мире. Выяснилось, что для всех сложных природных систем характерны свойства, описываемые лишь с помощью нелинейных моделей, для которых естественны ограниченность решений, колебательные и мультистационарные режимы, псевдослучайное пространственное и временное поведение. Т. о., необходима замена концепции, подхода (парадигмы) при анализе сложных природных систем. В сущности биология и экология никогда не соответствовали парадигме линейного мышления. Поэтому современные нелинейные модели были разработаны для описания и объяснения в первую очередь процессов в живой природе. Индивидуальность и разнообразие живых систем и нередко невоспроизводимость результатов сложных биологических экспериментов сегодня очевидны. Это новое направление биофизики и математики называют современной парадигмой нелинейного мышления. Суть этого подхода в том, что все процессы в живой природе и большинство процессов в неживой описываются нелинейными уравнениями. Действительно, живые системы являются открытыми по веществу и энергии и удалены от состояния термодинамического равновесия. Нелинейность их поведения объясняется, например, тем, что процессы роста популяции в зависимости от условий могут приводить к сле-дующим последствиям:

• стабилизации численности популяции в растительных сообществах;

• регулярным колебаниям численности;

• стохастическим вспышкам численности (у насекомых);

• пространственно-временным распределениям (например, к появлениям пятен планктона в океане).

Анализ демографических данных показывает, что развитие человечества идет столь нелинейно, что численность растет даже быстрее, чем экспоненциально.

С. П. Курдюмов и С. П. Капица, предложившие математическую модель этого процесса, охарактеризовали его как режим с «обострением» или как взрывоподобную ситуацию, ведущую к коллапсу с непредсказуемыми последствиями.

Одна из главных современных проблем нелинейной динамики состоит в том, чтобы разработать методы изучения подобных систем, критерии и условия их упорядочения. Таким образом, невоспроизводимые явления также могут быть объектом научного исследования.

Признание современной наукой парадигмы нелинейного мышления знаменует конец представления о всесилии знания и возможности предскаания даже в случае полного понимания структуры системы. Необходимо осознать, что решения, найденные природой за миллионы лет, оптимальны и имеют громадную ценность. Попытки перекроить природу в угоду потребностям человека в конечном счете приводят к созданию искусственных экосистем с энергетической эффективностью, гораздо меньшей, чем у природных.

Обоснованием нелинейных моделей при описании разнообразных живых существ и их адаптации к изменениям среды обитания являются: наличие порогов чувствительности к внешним воздействиям; парадоксальные реакции на сверхмалые дозы различных средовых воздействий; явления кумулятивного и синергического интегрального действия многочисленных факторов среды на организмы.

Необходимость изучения и описания систем с нелинейным поведением или с нелинейной динамикой в начале 70-х годов XX в. привела к возникновению особого междисциплинарного направления научных исследований, сформировавшегося в комплексную науку - синергетику. Синергетика исследует процессы самоорганизации в системах различной природы и прежде всего в живых. Под самоорганизацией понимают процессы возникновения пространственно-временных структур в сложных нелинейных системах, находящихся в состояниях, далеких от равновесия, при достижении ими особых критических точек - точек бифуркации.

В этих случаях поведение живых систем становится неустойчивым. В точках бифуркации система под воздействием незначительных флуктуации может резко изменить свое состояние. В эти переломные моменты принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли система хаотичной или она перейдет на новый, более высокий уровень организации. О судьбе биосферы в будущем беспокоиться не следует, вероятнее всего она продолжит свое развитие. Однако место и роль человека при этом непредсказуемы. В интересах современного человечества - не доводить дело до крайности (до точки бифуркации), а постараться сохранить биосферу в современном привычном человеку состоянии.

История Земли знает ряд экологических кризисов и катастроф. Одна, вероятно, была связана с накоплением кислорода в океане и атмосфере. При этом произошло массовое вымирание анаэробных организмов. Другие доантропогенные катастрофы преимущественно происходили при изменениях климата, и, как следствие, менялись растительность и животный мир. При катастрофах в периоды горообразования и изменения климата вымирало до 50% живого на Земле. Однако эти процессы длились тысячи и миллионы лет, и к ним биосфера успевала приспособиться путем естественного отбора.

Экологические проблемы России.

В первые годы советской власти возобладал экологический подход к охране природы. Были организованы заповедники, представлявшие собой уникальные учреждения с функциями центров экологических исследований, а также эталонов определенных природных зон. Впоследствии появились новые приоритеты в соответствии с задачами пятилетних планов. Появились идеи преобразования и покорения природы. Был сформирован образ человека как «венца эволюции». Прогресс в развитии человечества стали отождествлять с его полным господством над всем ходом жизни на планете. Преобразовательский пафос стал проявлением крайнего антропоцентризма. Природу превратили чуть ли не в противника, которого следует победить. Результаты:

- тотальное уничтожение лесных экосистем при лесозаготовительных работах (в 1970—80-х гг.);

- разработка проектов по повороту рек;

-проведение работ по акклиматизации различных промысловых животных и по мелиорации (осушению) ценных болотных экосистем;

- освоение целины и т.д.

Здесь следует упомянуть проблемы Байкала, Аральского моря, систематических пожаров, освоение крайнего Севера.

В настоящее время Россия активно участвует в работе международных конференций и организаций по охране окружающей среды, присоединилась к многочисленным международным соглашениям в этой области. Усилиями средств массовой информации и экологов в сознание людей и в государственную практику России внедряют понятие экологической безопасности как элемента государственной и личной безопасности. Важное место в программе действий в области экоразвития занимает всеобщее экологическое образование, первостепенное значение которого, а также бытовой и производственной экологической культуры определяет следующая формула:

Россия на экологической карте мира является одной из восьми стран, состояние природной среды в которой определяет состояние биосферы Земли в целом. Помимо России, к числу таких стран относят США, Японию, Германию, Китай, Индию, Индонезию и Бразилию. В России сохранились достаточно большие нетронутые деятельностью человека экосистемы (в основном на севере и в Сибири).

Она имеет 99 заповедников и 33 национальных парка (к сожалению, занимающих всего 2% территории страны). Это - наследство будущих поколений россиян, шанс на сохранение жизнеспособности страны.

Экономические и социальные кризисы последних лет, низкая культура производства привели к тому, что по показателю здоровья населения Россия занимает 35—40-е место, по средней продолжительности жизни женщин - 100-е, а мужчин — 135-е место в мире.

Здоровье природной среды и здоровье населения России внесено в число приоритетов государственной политики нашей страны. Столь же необходимо грамотное отношение к проблемам здоровья каждого отдельного человека. Именно эти обстоятельства послужили причиной введения в программы общего обязательного образования вузов России самостоятельной дисциплины «Экология»

Тема 2

Организм и факторы среды обитания.
Систематика организмов. Состав клетки. Обмен веществ. Энергетический обмен. Экологические категории организмов. Гомеостаз. Биологический вид.

Основные среды жизни. Экологические факторы и их действие на организмы. Основные закономерности действия экологических факторов.

Адаптация организмов к изменениям экологических факторов.

^*Экологическая ниша организма.
Систематика организмов. Жизнь - активное поддержание и самовоспроизведение специфической структуры, идущее с затратой полученной извне энергии.

Жизнь на Земле существует в виде отдельных организмов и независимо от строения и размеров организмы всегда обособлены от окружающей их среды, но при этом постоянно находятся во взаимодействии с ней. Основными свойствами живого организма являются: самовоспроизведение, целостность и дискретность, рост и развитие, обмен веществ и энергии, наследственность и изменчивость, раз-дражимость, движение, внутренняя регуляция, специфичность взаимоотношений со средой.

Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот (акад. М. В. Волькенштейн).

Белки – высокомоекулярные природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенные амидной (пептидной) связью (-CO-NH- ); нуклеиновые кислоты: ДНК, РНК.

В настоящее время в систематике организмов приняты семь основных таксономических категорий (таксонов): царство, тип  (у растений отдел), класс, отряд (у растений порядок), семейство, род, вид. Любое растение или животное должно последовательно принадлежать ко всем семи категориям.

Таксоны - группы организмов, различающихся по структуре тела и органов и по способам осуществления жизненных функций, любая единица классификации в биологической системе.

Наиболее крупные таксоны - бактерии, простейшие, грибы, растения и животные; в пределах каждой группы выделяют типы, классы и более мелкие таксоны .

Выделяют таксоны более высокого ранга, это:

прокариоты - только одноклеточные организмы, не имеющие истинного ядра, ограниченного мембраной (к ним относятся бактерии);

эукариоты — одно- и многоклеточные организмы, имеющие в клетках истинное ядро. К ним относятся все остальные организмы. Деление на прокариотов и эукариотов характерно и для самых древних организмов.

Эволюция систем классификации

Геккель (1894) Три царства	Уиттекер (1969) Пять царств	Вёзе (1977) Шесть царств	Вёзе (1990) Три домена		Кавалье-Смит (1998) Два домена и семь царств
Животные	Животные	Животные	Эукариоты		Эукариоты	Животные
Растения	Грибы	Грибы				Грибы
	Растения	Растения				Растения
	Простейшие	Простейшие				Хромисты
Протисты						Протисты
	Монеры	Археи	-	Археи	Прокариоты	Археи
		Бактерии		Бактерии		Бактерии

Состав клетки. Клетка - основная структурно-функциональная единица всех живых организмов, элементарная живая система. Она может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы), так и в составе тканей многоклеточных организмов. Лишь вирусы представляют собой неклеточные формы жизни.

Молекулярный состав клетки

Соединения
Неорганические		Органические
Вода Минеральные соли	70—80 % 1,0—1,5 %	Белки, Углеводы Жиры Нуклеиновые кислоты, ДНК АТФ, соли и др. вещества	10—20 % 0,2—2,0 % 1—5 % 1,0—2,0 % 0,1—0,5 %

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота; РНК - рибонуклеиновая кислота;

АТФ –аденозинтрифосфорная кислота; АДФ –аденозиндифосфат;

АMФ –аденозинмонофосфат.

Из числа существующих на Земле химических элементов всеми необходимыми свойствами для того, чтобы быть структурными компонентами живого вещества, обладают лишь соединения углерода. Уникальная способность углерода создавать углерод-углеродные связи, составлять полимерные цепи и кольца, содержащие как одинарные, так и кратные углерод-углеродные химические связи, позволяет образовывать огромное количество разнообразных органических соединений. Среди неорганических веществ, входящих в состав клетки, первое место занимает вода. Ее роль чрезвычайно велика: большинство химических процессов протекает только в водных растворах; вода обеспечивает терморегуляцию; многие ве-

щества поступают в клетку и выводятся из нее в виде водных растворов. Кроме этого, в состав организмов входят биогенные элементы - химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и необходимые им для жизнедеятельности. В составе живого вещества более 70 элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Больше всего (около 98% по массе) в клетках кислорода, водорода и углерода. К числу «универсальных» элементов (присутствующих в клетках всех организмов) относятся азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий. Остальные элементы присутствуют в микроколичествах.

Значительная недостаточность или избыточность содержания химического элемента в среде вызывает в пределах данной биогеохимической провинции специфические заболевания растений, животных и человека.

Например, организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se.
Так, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5, цинка - 3.

Распространенность химических элементов в живом веществе (а),

атмосфере (б), гидросфере (в), литосфере (г).