Хохлова О.Н. (сост.) Введение в химическую экологию. Химия окружающей среды. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Например, различают климатические (относящиеся к климату), эдафиче-

ские (почвенные) факторы среды и др.

Необходимо отметить, что все факторы действуют вместе. Экологиче-

ские факторы определяют условия существования организмов. На рисунке

3 представлена общая схема экосистемы с биотической структурой, дейст-

вующими экологическими факторами и потоками вещества, энергии и ин-

формации.

Рис. 3. Структура экосистемы

Часто термины «экосистема» и «биогеоценоз» употребляют как сино-

нимы.

Биогеоценоз – однородный участок земной поверхности с определен-

ным составом живых (биоценоз) и косных (приземной слой атмосферы,

солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамическим взаимодей-

ствием между ними (обмен веществом и энергией). Термин предложил

В.Н. Сукачев в 1940 г.

Биоценоз – совокупность растений, животных и микроорганизмов, на-

селяющих данный участок суши или водоема, и характеризующийся опре-

деленными отношениями между собой и приспособленностью к условиям

окружающей среды (например, биоценоз озера, леса).

Биологический вид – совокупность популяций особей, способных к

скрещиванию с образованием плодовитого потомства, обладающего рядом

общих морфофизиологических признаков, населяющих определенный аре-

ал, обособленных от других нескрещиваемостью в природных условиях

(например серый воробей).

Популяция (от лат. populus – народ, население) – совокупность особей

одного вида, длительно занимающих определенное пространство и вос-

производящая себя в течение большого числа поколений. Население одно-

го вида на определенной территории. В современной биологии популяция

рассматривается как элементарная единица процесса эволюции, способная

реагировать на изменения среды перестройкой своего генофонда.

Особь – наименьшая неделимая единица биологического вида.

2 УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ

Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть

атмосферы, гидросферу, и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые

организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и

взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему.

В 1803 г. Жан Батист Ламарк употребил этот термин, но его забыли.

В 1875 г Эдуард Зюсс употребил и закрепил его в науке. В 1914 г. этот тер-

мин впервые использовал В.И. Вернадский. Учение о биосфере как об ак-

тивной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых

организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический

фактор планетарного масштаба и значения, создано В.И. Вернандским

и изложено в книге «Биосфера» в 1926 г. Книга переведена на французский

и английский языки.

Существует множество определений Биосферы, отражающих по сути

одно и тоже.

Биосфера – сфера жизни всего живого и человека в том числе. Это

лицо планеты, область существования живого вещества.

Биосфера – область «жизни», пространство на поверхности земного

шара, в котором обитают живые существа.

Биосфера – это живая оболочка Земли, совокупность экосистем.

Биосфера – тонкая оболочка Земли, состав, структура и энергетика

которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной

деятельностью живых организмов.

Биосфера – глобальная единая система Земли, где весь основной ход

геохимических и энергетических превращений определяется жизнью.

Верхняя граница биосферы обусловливается лучистой энергией, уби-

вающей все живое, то есть естественной верхней границей является озоно-

вый экран, расположенный на расстоянии около 16 км от поверхности

Земли на полюсах и 25 км над экватором. Но лишь тонкий слой тропосфе-

ры (менее 100 м над Землей) можно считать наполненным жизнью (Нет

ни одного организма, который всегда бы жил в воздушной среде).

Нижняя граница жизни в литосфере теоретически определяется вы-

сокой температуре. Температура 100 °С представляет непреодолимую

преграду. Живые организмы в трещинах и нефтеносных скважинах мо-

гут встречаться на глубине до 3 км от земной поверхности. В морях пре-

дельная для жизни температура встречается на глубине около 10 км.

До Вернадского большинство процессов, меняющих в течение гео-

логического времени лик планеты, рассматривались как чисто физиче-

ские, химические или физико-химические явления (размыв, растворение,

осаждение, гидролиз и др.). Вернадский впервые создал учение о геоло-

гической роли живых организмов, показал, что деятельность живых су-

ществ является главным фактором преобразования земной коры. Уча-

стие каждого отдельного организма в геологической жизни Земли ни-

чтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много

(~10

видов и ~10

индивидуумов (1979). Они, обладая высоким потен-

циалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и, в

конечном счете, представляют в совокупности особый глобальный фак-

тор развития, преобразующий верхние оболочки Земли. Воздух, во-

да, нефть, уголь, известняки, глины, сланцы, мрамор и

гранит созданы живыми веществами планеты!

С другой стороны, занимаясь созданной им биогеохимией, изучаю-

щей распределение химических элементов по поверхности планеты,

Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента

из таблицы Менделеева, который бы не включался бы в живое вещество.

2.1 Строение биосфеы

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой) как и любая

экосистема, состоит из биотической и абиотической частей.

Биотическая часть состоит из живых организмов таксонов, осуще-

ствляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может суще-

ствовать сама жизнь: биогенный ток атомов.

Абиотическая часть представлена:

1. Почвой и подстилающими ее породами до глубины, где еще есть

живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород, и физи-

ческой средой порового пространства.

2. Атмосферным воздухом до высоты, на которой возможны еще про-

явления жизни.

3. Водной средой океанов, рек, озер и т. д.

Биосферу слагают три категории субстанций:

1. Живое вещество – совокупность всех живых организмов: микроор-

ганизмы, растения и животные, их активная биомасса.

Под живым веществом В.И. Вернадский понимает все количество

живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав под-

тверждает единство природы – он состоит из тех же элементов, что и не-

живая природа, только соотношение этих элементов различное и строение

молекул другое.

Общим свойством жизни является присутствие в живом веществе ак-

тивных белковых молекул. С химической точки зрения, живое и биогенное

вещество биосферы представлено спиртами, например, С

ОН, жирными

кислотами СН

(CH

)nСООН, аминокислотами

N CH C OH

, состав-

ляющими основу белка, пуринами

, пиримидина-

ми

, сахарами

OHH

. Последние являются составными

частями нуклеиновых кислот, содержащихся в каждой клетке (дезоксири-

бонуклеиновые кислоты – ДНК – в ядре клетки и рибонуклеиновые –

РНК – в цитоплазме). Из названных органических соединений образуются

сложные молекулы углеводов, белков, жиров, и нуклеиновых кислот.

2. Биогенное вещество – мертвая органика, все формы детрита, а

также биогенные горные породы, включая часть ископаемого топлива

Биогенными элементами называют растворимые элементы, жизнен-

но необходимые организмам.

Макробиогенными элементами называют элементы, требующиеся

организмам в сравнительно больших количествах.

Микробиогенными элементами называют элементы и их соединения,

которые хотя и необходимы для жизнедеятельности биосистем, но требу-

ются в крайне малых количествах. Для растений, например, наиболее важ-

ны 10 микроэлементов: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, Co, V.

Для фотосинтеза необходимы: Fe, Mn, Cl, V.

Для азотного обмена необходимы: Fe, Mо, В.

Для других метаболических функций необходимы: Mn, В, Co, Cu, Si.

Все эти элементы кроме бора необходимы и животным, кроме того им

может требоваться Se, Cr, Ni, F, I, Sn.

Между макро- и микроэлементами нельзя провести четкую границу,

так же как и между различными группами организмов.

3. Биокосное вещество – смеси живого вещества и биогенных ве-

ществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва,

илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битумные пески, часть

осадочных пород; сюда же можно отнести и земную атмосферу).

Биогеохимические принципы Вернадского

1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стре-

мится к максимальному своему проявлению.

Этот принцип в наши дни нарушен человеком.

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к соз-

данию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усили-

вающем биогенную миграцию атомов.

Этот принцип при антропогенном измельчении средних размеров осо-

бей биоты земли (лес сменяется лугом, крупные животные мелкими) начи-

нает действовать аномально интенсивно.

3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене

с окружающей средой, создающейся и поддерживающейся не Земле кос-

мической энергией Солнца.

Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздей-

ствия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие

ее факторы.

2.2 Функции живого вещества в биосфере

Газовая функция. Живые вещества постоянно обмениваются кисло-

родом и углекислым газом с окружающей средой в процессе фотосинтеза и

дыхания. Они строго контролируют концентрации О

и СО

оптимальные

для всей современной биоты. Растения сыграли решающую роль в смене

восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции

планеты и формировании газового состава современной атмосферы.

Концентрационная функция. Пропуская через свое тело большие

объемы воздуха минеральных и органических веществ, живые организмы

осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических эле-

ментов и их соединений. Это относится не только к биосинтезу органики,

но и к таким явлениям, как строительство раковин и скелетов, образование

коралловых островов, толщ осадочных известняков, месторождений серы,

некоторых металлических руд и др. Ранние этапы биологической эволю-

ции проходили в водной среде и организмы научились извлекать из раз-

бавленного раствора необходимые для них вещества, многократно увели-

чивая их концентрацию в своем теле.

Связывание и превращение солнечной энергии в энергию химических

связей органических соединений. При сжигании, например, каменного уг-

ля высвобождается энергия, запасенная растительностью сотни миллионов

лет назад.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно

связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ.

Многие вещества в природе устойчивы и не подвергаются окислению при

обычных условиях, например, молекулярный азот – один из важнейших

биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько эффектив-

ными катализаторами-ферментами, что способны осуществлять многие

окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее тех,

что протекают в абиогенной среде.

Таким образом, основные функции биосферы – средообразующая и

средорегулирующая.

Информационная функция живого вещества. Именно с появлением

первых примитивных существ на планете появилась и активная («живая»)

информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая явля-

ется простым отражением структуры. Организмы оказались способными к

получению информации путем соединения потока энергии с активной мо-

лекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспри-

нимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила

опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим

системообразующим фактором (табл. 1).

Таблица 1

Сравнительный анализ информационной функции живого

вещества и научно-технического прогресса

Носители

информации

Общий

объем

информа-

ции

Период

полной

смены

инфор-

мации

Информационная

скорость эволю-

ции

Скорость пе-

реработки ин-

формации

Биота

биосферы

бит

(пар

ДНК)

лет

или

0,1 бит/с 2,6

бит/с

Научно-

технический

прогресс

бит

10 лет

или

бит/с 10

бит/с

3 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ

3.1 Основные законы экологии Б. Коммонера (1971)

1. Все связано со всем.

Вещество, энергия, информация и качество отдельных природных

систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих

факторов вызывает функциональные, структурные, качественные и коли-

чественные перемены всех систем и их иерархии.

2. Все должно куда-то деваться (следствие закона сохранения мас-

сы и энергии).

Любая природная система может развиваться только за счет использо-

вания материально-энергетических и информационных возможностей ок-

ружающей среды. Абсолютно изолированное развитие не возможно.

Теоретические и практические следствия:

а) абсолютно безотходное производство невозможно (подобно созда-

нию «вечного» двигателя). Реализуя это следствие, важно создавать мало-

отходные производства с малой ресурсоемкостью как на входе, так и на

выходе. Идеальны циклические производства, когда отходы одних процес-

сов служат сырьем для других, и организация захоронения неминуемых

остатков, нейтрализация не устраняемых энергетических отходов;

б) любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя сре-

ду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным сис-

темам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни –

она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воз-

действуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздейст-

вия, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и са-

мого человека.

3. Природа «знает» лучше.

Живая природа планеты несравненно совершеннее и умнее человече-

ской цивилизации, она более гармонична, эффективна и экономична, она

гораздо лучше сбалансирована; потоки ее вещества и энергии регулируют-

ся с чрезвычайно высокой точностью.

Пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах

и функциях природы, мы легко можем навредить природе, пытаясь ее

улучшить.

4. Ничто не дается даром, или За все надо платить.

Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках ко-

торого ничто не может быть объектом всеобщего улучшения; все, извле-

ченное в процессе человеческого труда, должно быть возмещено.

3.2 Правила существования видов

– Правило взаимоприспособленности Мебиуса–Морозова.

Виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их со-

общество составляет внутреннее устойчивое, но не единое и взаимно увя-

занное системное целое.

– Закон соответствия условий среды генетической предопределенно-

сти организма.

Вид организма может существовать до тех пор, пока окружающая его

природная среда соответствует его генетическим возможностям приспо-

собления этого вида к ее колебаниям и изменениям.

Резкое изменение среды жизни может привести к тому, что генетиче-

ские возможности вида окажутся недостаточным и для приспособления к

новым условиям жизни.

– Принцип плотной упаковки Мак-Артура

Виды в экосистеме используют возможности среды с минимальной

конкуренцией между собой и с максимальной биологической продуктив-

ностью, при этом пространство заполняется с максимальной полнотой.

– Правило обязательности заполнения экологических ниш.

Экологическая ниша – место в биогеоценозе, которое занимает вид, не

конкурируя с другими видами за источник энергии. Экологическая ниша

есть совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно су-

ществование вида в природе. Обычно экологические ниши заняты одним

видом.

Пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена.

Экологическая ниша как функциональное место вида в экосистеме позволяет

форме, способной выработать новые приспособления, заполнить эту нишу.

Некоторые ученые считают, что подтверждением этого правила слу-

жит появление СПИДа. За 10 лет до его появления было предсказано, что

появится гриппоподобный вирус с высоким процентом летального исхода.

Основанием для этого послужило то, что победа над многими инфекцион-

ными заболеваниями человека высвободила экологические ниши, которые

обязательно должны быть заполнены.

– Правило внутренней непротиворечивости.

В естественных экосистемах деятельность входящих в них видов на-

правлена на поддержание этих экосистем как среды собственного обитания.

3.3 Реакции экосистем на внешнее воздействие

– При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устой-

чивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при ко-

тором эффект внешнего воздействия ослабляется (Ле Шателье-Браун).

– Слабые воздействия могут и не вызывать ответных реакций природ-

ной системы, но накопившись, они приведут к развитию бурного, непред-

сказуемого динамического процесса – кумулятивный эффект (Х. Боумен).

– Явление, удаленное в пространстве и во времени, кажется (!) менее

существенным (в природопользовании этот принцип особенно часто ста-

новится основой неверных практических действий).

– Глобальный предел устойчивости биосферы по отношению к воз-

действиям, нарушающим ее равновесие, составляет 1 %.

Закон лимитирующих факторов Ю. Либиха

Жизненные возможности лимитируются экологическими факторами,

количество и качество которых близко к необходимому экосистеме мини-

муму, снижение их ведет к гибели организма или деструкции экосистемы.

Даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума при-

водит к стрессовому состоянию организма, а в пределе – к его гибели. Та-

кой фактор называют лимитирующим. Лимитирующий фактор – фактор

среды, выходящий за пределы выносливости организма. Лимитирующий

фактор ограничивает любое проявление жизнедеятельности организма. С

помощью лимитирующих факторов регулируется состояние организмов и

экосистем.

Согласно закону минимума жизненные возможности организмов ли-

митируют те экологические факторы, количество и качество которых

близки к необходимому организму или экосистеме минимуму.

Ни один из факторов не действует в одиночку. Конечные состояния

экосистемы – это всегда результат многочисленных взаимодействий раз-

личных биотических и абиотических условий.

Графически закон лимитирующих факторов Либиха представлен на

рисунке 4.

Рис. 4. Графическое изображение Закона лимитирующих факторов Либиха

Для каждого вида растений и животных существуют оптимум, стрес-

совые зоны и пределы устойчивости в отношении каждого фактора окру-

жающей среды.

Оптимум – диапазон, например температур, благоприятный для жиз-

ни вида – зона оптимума. Любой экологический фактор имеет определен-

ные пределы положительного влияния на живые организмы.

Зоны угнетения – стрессовые зоны – значение действующего фактора

за пределами зоны оптимума до предела устойчивости, приводящее к

стрессовому состоянию организма.

Предел толерантности (от лат. tolerantio – терпение) – предел устой-

чивости – диапазон экологического фактора между минимальным и мак-

симальным значениями, в пределах которого возможна выживаемость ор-

ганизма.

Закон толерантности Шелфорда.

Существование вида определяется лимитирующими факторами, нахо-

дящимися не только в минимуме, но и в максимуме.

Закон толерантности расширяет закон минимума Либиха.

Закон действия факторов Тинемана.

Состав и структура экосистемы определяются тем фактором среды,

который приближается к минимуму.

Закон действия факторов расширяет закон минимума Либиха на всю

экосистему.

4 БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ХИМИЧЕСКИХ

ЭЛЕМЕНТОВ

Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы

должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организ-

мы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую

для других организмов форму. Таким образом, перемещения и превра-

щения веществ и элементов в природе под действием биологических и

геологических факторов, сопровождающиеся перераспределением энер-

гии, поступающей от Солнца, образуют биогеохимические циклы. Су-

ществование биогеохимических циклов создает возможность для само-

регуляции системы, что придает экосистеме устойчивость – постоянство

процентного состава различных элементов в ней (гомеостаз). Механиз-

мы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, возвра-

щение элементов в круговорот, во многих случаях основаны на биологи-

ческих процессах. Вещества в круговоротах постоянно трансформиру-

ются, перестраиваются, обмениваясь атомами, а сами атомы остаются

неизменными.

Выделяют большой или геологический (абиотический) круговорот

веществ, в основе которого лежит процесс переноса минеральных со-

единений из одного места в другое в масштабах планеты. Около полови-

ны (!) падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемеще-

ние воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение

минералов и т. д. Движение воды и ветра приводит к эрозии, транспорту,

перераспределению, осаждению и накоплению механических и химиче-

ских осадков на суше и в океане. В течение длительного времени обра-

зующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу – и про-

цессы возобновляются.