Лекции - Экология

Подождите немного. Документ загружается.

котором разумная деятельность человека становится решающим фактором,

то В. И. Вернадский уже представлял его как качественную новую форму

организованности, возникающую при взаимодействии природы и общества.

Для ноосферы характерна тесная взаимосвязь законов природы с законами

мышления и социально - экономическими законами.

Судя по докладу о состоянии биосферы, представленному в 1992г. на

2-ой конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио комиссией,

возглавляемой Гру Брутланд, «час ноосферы» пробил» и настала пора ее

практического воплощения, что получило наименование концепции

устойчивого развития.

Итак, устойчивое развитие- объективное требование времени, одним из

основных противоречий которого является: несоответствие роста

потребностей человеческого сообщества и возможностей биосферы их

удовлетворить.

Человечество создало технологии, разрушающие биосферу, а замены

средств ее естественного регулирования пока не предложило. Возникла

угроза жизни будущих поколений.

Устранение противоречий можно достичь только в рамках стабильного

социально-экономического развития общества, не разрушая природной

основы, улучшая качество жизни только в рамках естественных

возможностей биосферы. Переход к устойчивому развитию предполагает

постепенное восстановление естественных экосистем до уровня,

гарантирующего стабильность окружающей среды. Достигается это

усилиями всего человечества, но начинать должна каждая страна

самостоятельно.

Россия приняла концепцию устойчивого развития, и Президент РФ

утвердил ее в национальном контексте указом № 440 от 01. 04. 1996г.

Негативный вклад России, отмечается в указе, в разрушение

окружающей среды выше в расчете на единицу производимого продукта, чем

в технологически передовых странах; 16 % ее территории, где проживает

более 50 % населения характеризуется как экологически неблагополучные.

Вместе с тем в РФ сохранился крупнейший на планете массив естественных

экосистем (8 млн. км

), который служит резервом устойчивости биосферы.

Какие же задачи должна решить Россия при переходе к устойчивому

развитию:

Широкое распространение экологически ориентированных методов

управления.

Ведение хозяйственной деятельности в пределах емкости экосистем на

основе массового внедрения энерго и ресурсосберегающих технологий.

Создание правовой основы такого перехода, определяющей

экономический механизм, регулирующий природопользование и охрану

окружающей среды. Создание стимулов для такого рода деятельности, при

котором биосфера не воспринималась только как поставщик ресурсов, а как

фундамент всей жизни.

Осуществление оценки емкости локальных и региональных экосистем

и определение предела антропогенного воздействия.

5. Формирование эффективной системы пропаганды идей устойчивого

развития.

Важное значение имеет создание социальных условий устойчивого

развития и самого общества, для чего необходимо искоренение бедности,

преступности, обеспечение демократизации принципов принятия решений,

участие молодежи - будущего поколения в принятии решений, Все это

должно обеспечивать и гарантировать государство.

Переход к устойчивому развитию РФ возможен, если будет обеспечено

участие регионов и отлажена система взаимодействия Центр - Регион.

Проблемы, решаемые каждым регионом, должны соответствовать

федеральным, но с учетом местных особенностей, и предусматривать, в

частности:

Формирование регионального механизма, регулирующего воздействие

на окружающую среду.

Выполнение конкретных природоохранных мероприятий.

Осуществление мер по оздоровлению населения и достижению его

санитарно - эпидемиологического благополучия.

Внедрение прогрессивных технологий в сельское хозяйство, включая

меры по повышению плодородия почв.

Реконструкция региональной промышленной системы с учетом

хозяйственной емкости локальных экосистем.

При переходе к устойчивому развитию необходимо иметь критерии

принятия решений и показатели устойчивого развития.

Эти критерии таковы:

Никакая хозяйственная деятельность не может быть оправдана, если

выгода от нее не превышает вызываемого ущерба.

Ущерб окружающей среде должен быть на столь низком уровне, какой

только может быть достигнут с учетом экономических и социальных

факторов

Целевые факторы могут быть выражены в следующих показателях:

1. Показатели качества жизни : продолжительность жизни человека

(ожидаемая при рождении и фактическая), состояние его здоровья,

отклонение состояния окружающей среды от нормативов, уровень знаний

или образовательных навыков, доход (измеряемый ВВП/ душу населения),

уровень занятости, степень реализации прав человека. Одним из важнейших

показателей социально – экономического развития общества является

величина валового внутреннего продукта на душу населения (ВВП). Это - как

бы общий знаменатель, позволяющий сопоставлять страны, находящиеся на

разном уровне развития.

Уровень ВВП отражает многие стороны жизни общества :

 1200-1400 $ – страны с низким уровнем образования (50 %

населения неграмотно)

 более 6000 $– демократические страны с доминирующим

промышленным уровнем развития.

 Более 10.000 $- в стране идет структурная трансформация в

направлении постиндустриализации.

Он характеризуется следующими величинами, долл. США

РФ – 3500 ; США около 27000; Норвегия 25960; Швеция 24330;

Исландия 22900; Англия 20870; Франция 19870; Испания 13600; Нидерланды

20380; Португалия 7430; Турция 2000; Болгария 1100;

По индексу «развития человеческого потенциала», который включает в

себя такие показатели, как уровень доходов на душу населения,

продолжительность жизни, уровень грамотности, доступность

здравоохранения, Россия занимает 62-е место в списке ООН из 174 стран. В

нем она идет вслед за Болгарией и Малайзией, но перед Латвией и Румынией.

Возглавляют список Канада, Норвегия, США и Австралия.

2. Показатели, определяющие степень природоемкости хозяйства:

уровень потребления природных ресурсов и нарушения экосистем в

результате хозяйственной деятельности.

Информативными являются те же показатели на душу населения, а

также макрохарактеристики, выражающие соотношение между

потребностью в природных ресурсах и их наличием в запасах.

Контролю подлежат производство и использование всех опасных веществ,

применяемых в экономике.

В состав целевых параметров устойчивого развития необходимо

включать характеристики состояния окружающей среды, экосистем и

охраняемых территорий. В этой группе контролируемых параметров -

показатели качества атмосферы, воды, территорий, находящихся в

естественном и измененном состоянии, лесов с учетом их продуктивности и

степени их сохранности, количество биологических видов, находящихся под

угрозой исчезновения.

Такая система критериев и оценок может применяться как для РФ в

целом, так и для субъектов федерации.

Роль России, обладающей большими территориями, не затронутыми

хозяйственной деятельностью и являющимися резервами устойчивости

биосферы, при переходе к мировому сообществу устойчивого развития

состоит в следующем:

*0 организация международного партнерства по решению проблем

перехода к устойчивому развитию;

*1 активное участие в международных мероприятиях,

способствующих нормализации антропогенного воздействия на биосферу,

создание эффективных механизмов обеспечения межгосударственного

экологического паритета при решении вопросов о транспограничном

переносе вредных веществ;

*2 стимулирования поступления в Россию экологически

ориентированных зарубежных инвестиций;

*3 обеспечение экологических интересов страны во внешней

экономической деятельности

Необходимо продолжить усилия для участия в международных

программах:

 сохранения биоразнообразия.;

 защите О

- слоя от истощения;

 прекращение антропогенного загрязнения климата;

 охраны лесов и лесовосстановления;

 борьба с опустыниванием;

 развитие системы заповедников;

 обеспечения безопасного уничтожения химического и ядерного

оружия

 сокращение транспограничных загрязнений бассейнов

Балтийского, Черного, Азовского, Каспийского морей и Арктического

региона.

Важным также является участие в создании научно обоснованных

характеристик экологической устойчивости планеты в целом и основных

подсистем биосферы.

Переход к устойчивому развитию - процесс длительный и будет

безусловно осуществляться поэтапно не только в России, но и в других

странах, а в России тем более.

Начальный этап перехода России к устойчивому развитию

предопределен необходимостью решения острых социальных проблем. Но

здесь уже также будут установлены и станут действовать определенные

экологические ограничения. Одновременно следует разработать программы

оздоровления окружающей среды в зонах экологического кризиса и начать

их воплощение.

На следующем этапе будут осуществлены основные структурные

преобразования в экономике, технологическое обновление, существенная

экологизация социально - экономического развития. На этом этапе

экологически благополучные территории обеспечиваются прежде всего за

счет рационального использования богатств природного потенциала России

и снижения его относительных затрат на душу населения.

Вопросы для самоконтроля к главе 1

1. Экология. Почему это слово, еще совсем недавно знакомое

только специалистам, в настоящее время приобрело всеобщую известность?

2. Какова роль экологии в настоящее время?

3. Почему необходимо изучать экологию?

4. Приведите примеры положительного и отрицательного

воздействий человека на природную среду в вашем регионе?

5. Как изменялись отношения человека и природы по мере развития

человеческой цивилизации?

6. Кто ввел термин «ноосфера»? Что он означает?

7. Какая взаимосвязь существует между экологией и охраной

природы?

8. Взаимоотношения человека с биосферой имеют свою историю

( от каменного топора до космических ракет) Выделите узловые моменты

развития цивилизации, оказавшие существенное влияние на биосферу в

целом.

9. Приведите примеры веществ, встречающихся в окружающей

среде, и назовите, в каких химических формах они там присутствуют (ионы,

атомы, молекулы, простые вещества, соединения, свободные радикалы).

Укажите, в каких процессах и реакциях участвуют эти вещества. Как они

влияют на человека и другие живые существа?

10. Что составляет суть термина «устойчивое развитие»?

11. Назовите основные компоненты политики устойчивого развития?

12. Какова роль химии и химической технологии в возникновении и

решении экологических проблем, реализации политики устойчивого

развития

Тема 2. Экологические основы охраны окружающей среды

Закономерности взаимодействия в экосистеме

Природная экосистема - единый комплекс, образованный живыми

организмами и средой их обитания (атмосфера, водоем, почва и т.д.), в

котором живые (биотические) и неживые (абиотические) компоненты

обмениваются между собой веществами и энергией. Объекты различной

сложности и размеров (например, океан и маленький пруд, тайга и березовая

роща) могут рассматриваться экологом как экосистемы. Термин "экосистема"

часто синонимичен "биогеоценозу".

В качестве основных компонентов экосистемы выделим, во-первых,

такие химические соединения, как вода, диоксид углерода, а также кислород

и некоторые другие неорганические вещества; во-вторых - живые организмы.

В-третьих, для поддержания своего функционального состояния любой

экосистеме необходим приток энергии.

В живой природе химические вещества выполняют многообразные

функции и, в частности, осуществляют определенные связи между

организмами и средой в экосистемах. Такие вещества называют

посредниками, химическими экорегуляторами, или хемомедиаторами. В

установлении отношений между особями одного вида участвуют

хемомедиаторы, которых называют феромонами (от греч. феро - несу и

гормон - возбудимость). Вещества, способствующие межвидовым

взаимодействиям, называются алломонами (от греч. аллос - другой). На

воздействия абиотических факторов среды (свет, радиация, температура,

влажность, соленость, рН и т.д.) организмы могут отвечать продуцированием

специфических веществ:

эндометаболитов (от греч. эндо - внутри и метаболе - перемена),

которые, оставаясь в организме, смягчают воздействие фактора (например,

вещества-криопротекторы и антифризы у зимующих животных);

экзометаболитов (от греч. экзо - наружу), которые выделяются во

внешнюю среду и формируют ее специфические свойства (например,

пероксид водорода Н

, продуцируемый некоторыми гидробионтами -

обитателями водоемов, в какой-то мере определяет окислительно-

восстановительные свойства природной воды.

Образно говоря, каждый живой или растительный организм

представляет собой многоотраслевой химический комбинат. Разнообразие и

скорость процессов, происходящих в нем, просто завораживает.

Это происходит, благодаря высокой каталитической активности

ферменто-белковых катализаторов. Так, например, фермент гексокиназа

ускоряет реакцию глюкозы с аденозинтрифосфатом (АТФ), который, по

образному выражению акад. А.И.Опарина, является основной

"энергетической валютой" высших организмов, в 10

раз по сравнению с

самыми активными образцами промышленных катализаторов.

При осуществлении химических превращений образование новых

связей в продуктах требует разрыва связей в исходных соединениях, для чего

необходимы определенные затраты энергии. Величина энергии активации

обычно велика, и реакции не могут протекать с заметной скоростью при

нормальных условиях. Следует подчеркнуть, что именно благодаря этому

энергетическому барьеру в природе существуют разнообразные

органические соединения. В противном случае они мгновенно окислялись бы

в двуокись углерода и воду.

Катализаторы способны снижать энергетический барьер реакции,

причем сами они при этом остаются неизменными. Снижение энергии

активации достигается за счет образования промежуточных соединений

катализатора с реагентами.

Академик А. И Опарин отмечал, что особое значение в эволюции

сыграло формирование каталитических систем. Первыми катализаторами

были простейшие соединения, соли железа, других тяжелых металлов, но их

действие было очень слабым. Постепенно эволюционно формировались

биологические катализаторы. Из огромного количества химических

соединений, присутствующих в «первичном бульоне» отбирались наиболее

эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул. На

определенном этапе эволюции простые катализаторы были заменены

ферментами. Ферменты (энзимы) контролировали строго определенные

реакции, и это имело огромное значение для совершенствования процесса

обмена веществ.

Поток энергии в природных экосистемах и законы

термодинамики

Истинной ценностью в мире всегда была и есть энергия - способность

производить работу или теплообмен между несколькими объектами.

С ее помощью получают продукты питания, поддерживают

температуру тела, обогревают жилища, переводят вещества из одного

состояния в другое и т.д. Почти 99% энергии, идущей на нагрев Земли и

всего на ней находящегося - это энергия Солнца. Без нее средняя

температура Земли была бы равна -270HС. С участием энергии Солнца

происходят круговороты углерода, кислорода, воды, других элементов и

веществ.

Фотосинтез и дыхание

Из общего количества солнечного излучения, которое перехватывает

наша планета, часть поглощается, отражается и рассеивается в атмосфере и

до поверхности Земли доходит лишь около половины.

Энергия кванта света может быть определена из уравнения Планка:

Е=hn=hс/l,

где Е – энергия кванта, Дж; h -постоянная Планка, 6,626х 10

-34

Джс, λ –

длина волны, м; ν – частота излучения, с

-1

; с – скорость света, 3х10

м/с.

Следовательно, чем меньше длина волны, тем большей энергией обладает

квант света.

От Солнца до поверхности Земли доходят кванты света с энергией,

соответствующей нижней границе длины волны, равной примерно 280-290

нм.

Кванты с меньшей длиной волны, наиболее опасные для человека,

отражаются или поглощаются озоновым слоем.

Химические реакции, развивающиеся в результате воздействия света,

называются фотохимическими. Особенно легко они протекают под

действием ультрафиолетового излучения. При этом энергия кванта в

соответствии с законом фотохимии Штарка- Эйнштейна сосредотачивается

на одной связи, т.е. если образец поглощает излучение, то каждый квант

поглощенного излучения возбуждает одну частицу, Молекула, поглотившая

квант становится энергетически богатой или возбужденной.

Весь спектр света, попадающий на Землю, обычно подразделяют на три

области : ультрафиолетовую, не видимую глазом человека с длиной волны до

400 нм, на которую приходится 5 % энергии; инфракрасную - видимую

глазом человека с длинами волн 400-760 нм, энергетическая доля ее

составляет 45 % ; невидимую инфракрасную - с длиной волны более 760 нм ,

на которую приходится более половины солнечной энергии Поэтому она

называется тепловой.

Видимый спектр представлен цветовой гаммой, включающую

следующие волновые диапазоны, нм: фиолетовый 400-450; синий 450-480;

голубой 480-500; зеленый 500-570; желтый 570-580; оранжевый 580-600;

красный 600-640; темно-красный 640-760 нм.

В. И. Вернадский писал : «На земной поверхности нет химической

силы более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые

организмы, взятые в целом. Захватывая энергию Солнца, живое вещество

создает химические соединения, при распадении которых эта энергия

освобождается в форме, могущей производить химическую работу».

Важнейшим способом превращения солнечной энергии в формы для

использования живыми организмами является фотосинтез. В ходе

фотосинтеза в листьях растений диоксид углерода и вода превращаются в

углеводы, при этом также происходит выделение кислорода».

Все живое на Земле зависит от фотосинтеза– либо непосредственно,

либо, как в случае животных, косвенно. Фотосинтез делает энергию и

углерод доступными для живых организмов и обеспечивает выделение

кислорода в атмосферу, что необходимо для всех анаэробных организмов.

Человечество зависит от фотосинтеза еще и потому, что оно использует

ископаемое органическое топливо, которое образовалось за миллиарды лет.

Изучением реакции фотосинтеза занимались многие ученые. Первое

место по праву принадлежит англичанину Джозефу Пристли- филологу,

философу, математику, физику, химику, автору трудов по ораторскому

искусству. В 1767 г. он начал изучать состав и свойства «связанного воздуха»

- углекислого газа и впервые приготовил газированную воду для утоления

жажды. В 1771 г. он обнаружил, что в присутствии зеленых веток мяты этот

газ после пребывания на свету становится пригодным для горения и дыхания.

Классический опыт Пристли, во время которого умирающие мыши оживали

после внесения под стеклянный колпак зеленых веток, ученые смогли

объяснить после создания учения о фотосинтезе

В 1792 г голландский ученый Ян Генгенхауз показал, что кислород

выделяется из зеленых частей растений при освещении.

В 1861 г. А. М. Бутлеров получил из формальдегида при действии

известковой Н

О сиропообразное вещество, и в 1870 г. А.HБайер высказал

предположение, что первичным продуктом восстановления СО

. является

формальдегид, но механизм выделения О

не получил объяснения.

Процесс фотосинтеза обычно описывают уравнением :

26126

h48

O6OHCOH6CO6  

Для образования одного моля сахара С

должно быть поглощено и

использовано 48 молей фотонов. Необходимая для этого энергия излучения

поступает из видимой части солнечного спектра. Фотоны поглощаются

фотосинтетическими пигментами в листьях растений, что приводит к

переходу некоторых электронов в возбужденное состояние. Оно обычно не

является устойчивым, и вскоре молекула возвращается в свое основное

состояние, теряя при этом энергию возбуждения.

Эта энергия может использоваться разными способами, в том числе и

на процесс обратный поглощению, и называемый флуоресценцией

Дыханием можно назвать любой процесс, при котором окисление

органических веществ ведет к выделению химической энергии. Когда он

протекает в клетках, его называют внутренним тканевым или клеточным

дыханием. Если для него требуется кислород, то дыхание называют

аэробным. Если же реакции идут в отсутствие кислорода, то говорят о

анаэробном дыхании. Органические молекулы (по большей части углеводы

или жиры) расщепляются последовательно, связь за связью, в ряде

ферментативных реакций. В каждой из этих реакций высвобождается

небольшое количество энергии, и значительная часть этой энергии запасается

в молекулах нуклеотида, который носит название аденозинтрифосфата

(АТФ). Молекула АТФ состоит из аденина, рибозы и трех фосфатных групп

При гидролитическом отщеплении двух ее концевых фосфатных групп

выход свободной энергии на каждую из них составляет 30,6 кДж, тогда как

отщепление третьей дает только 13,8 кДж. Именно по этой причине принято

говорить, что АТФ содержат богатые энергией связи, которые часто

обозначают значком ~.

АТФ - постоянный источник энергии для клетки. Он мобилен и может

доставлять химическую энергию в любую часть клетки. Когда клетка

нуждается в энергии, единственное, что требуется – это гидролиз АТФ. АТФ

играет важную метаболическую роль благодаря своему центральному

положению в клеточной активности. Он действует как связующее звено

между дыханием и процессами, требующими затраты энергии. При этом его

высокоэнергетические фосфатные группы непрерывно отщепляются и

замещаются новыми.

: Тканевое дыхание не стоит путать с процессами поглощения

кислорода из окружающей среды и выделения СО

в окружающую среду. В

совокупности эти два процесса называются внешним дыханием или

газообменом. Во внешнем дыхании могут участвовать органы или

структуры, снабженные специализированными поверхностями для

эффективного газообмена. Процесс внешнего дыхания можно записать

следующим образом

(СН

О)n + О

 nСО

+ nН

О + Е

Если состав воздуха, вдыхаемого человеком, содержит: О

- 20,95 %;

СО

- 0,03 %; N

- 0,02 %, то выдыхаемый газ имеет состав: О

- 15,8 %; СО

H-

4,0 %; N

- 81,2%. Произведенное животными организмами при дыхании СО

является одним из компонентов реакции фотосинтеза.

В процессе дыхания при окислении моля глюкозы (180 г) требуется 192

г кислорода, образуется 264 г углекислого газа и 108 г воды. Постоянный

газообмен с окружающей средой имеет первостепенное значение, поскольку

создание запасов кислорода в организме невозможно. Если в воздухе не

хватает кислорода, то наступает одышка, затем удушье и смерть.

Удовлетворение потребности в кислороде у водных животных

осуществляется либо с током насыщенной кислородом воды через жабры,

либо периодическим возвращением на поверхность воды. Потребность

корней растений в кислороде отчасти удовлетворяется из почвы, отчасти

непосредственно из атмосферы с помощью наземных дыхательных корней.

В настоящее время масса кислорода образуемая всеми

фотосинтезирующими растениями на Земле составляет 150-190 млрд. т. (80%

этого количества создается фитопланктоном Мирового океана). 1 га

соснового леса производит в год около 30т. кислорода, 1га листопадного

леса-16т., 1 га сельскохозяйственных угодий - от 3 до 10 т. Количество

углерода, ежегодно связываемое растениями оценивается в 46 млрд. т.

Если сопоставить количество энергии, преобразованной в органическое

вещество, с общим количеством энергии, поступающим на Землю, то к. п. д.

фотосинтеза - менее 1 %, поскольку поглощается только голубая и красная

части спектра. В реальных условиях только 10H% энергии из видимой части

спектра, поглощаемой растениями, действительно трансформируется в

биомассу. Лишь в редких случаях, касающихся культурных растений с

высокой продуктивностью, можно повысить к.п.д до 3%. Пшеничное поле в

летний сезон превращает несколько процентов падающего на него

солнечного излучения в растительное вещество. Именно эта ничтожная доля

всей доступной энергии практически и поддерживает жизнь на Земле.

В 1900 году на Земле было 1,5 миллиарда человек, к 2100 году

ожидается численность населения 20-30 миллиардов.

При достаточно хорошей организации хозяйства Земля может

прокормить и снабдить различным сырьем 10-12 млрд. людей. Значит, через

100 лет не будет хватать пищи и сырья для химии, воды для питья и

промышленности, которая потребляет воды больше, чем все человечество.

Однако, по мнению великого микробиолога Тимофеева – Ресовского

достижения генетической науки позволят резко улучшить селекционную

работу, увеличить к.п.д. фотосинтеза в 6-8 раз. Но для использования этих

возможностей нужно прежде всего обеспечить устойчивость

функционирования биосферы, механизм которого формировался миллиарды

лет.

В США подсчитано ,что если бы на 6 % возделываемых земель были

созданы оптимальные условия для роста растений, то страна смогла бы

получить столько энергии, чтобы полностью удовлетворить энергетические

потребности всего общества.

Продуктивность мировых экосистем

Экосистемы Поверхность,

млн. км

Выход продуктов

фотосинтеза,

Общая

продуктивность,

млрд. т

Леса 40.7 0.33 20,4

Степи 25,7 0,1 3,8

Пашни 17,0 0,25 5,6

Пустыни 54,9 0,01 1,1

Антарктида 12,7 0 0

Океан 363 0,05 30,0