Основы экологии и энергосбережения

1.1. Историческое развитие экологии

Еще античными мыслителями и философами рассматривались взаимоотношения между живыми организмами и окружающей природной средой. Например, Аристотель классифицировал животных по образу жизни и способу питания. В сочинениях Гиппократа содержатся сведения о влиянии факторов среды на здоровье людей.

Еще на заре развития цивилизации экология приобрела практическое значение; по-видимому, она одна из древнейших наук. Целенаправленное преобразование природной среды уходит в глубокую древность, например:

• подсечное земледелие, т. е. вырубка лесов и использование освободившихся земель для выращивания культурных растений;

• создание систем искусственного орошения посевов.

Интерес к среде своего обитания был свойствен человеку всегда, так как от качества этой среды зависело не только благополучие семьи, рода, племени, но и само их существование.

В средние века господство схоластики ослабило интерес к изучению природы. Однако в эпоху Возрождения великие географические открытия снова возродили исследования ученых. В XVII–XVIII вв. экологические сведения встречались в работах зоологов, путешествующих натуралистов. В эпоху Возрождения человек начал открывать новые природные территории. Благодаря экспедициям знаменитых путешественников того времени – Христофора Колумба, Васко да Гама и других мореплавателей в рационе питания современных людей появились такие продукты, как картофель, томаты, кофе, чай, рис, кукуруза, пряности, рыба, морепродукты, экзотические овощи и плоды.

В 1749 г. шведский естествоиспытатель Карл Линней (1707–1778) опубликовал диссертацию «Система природы», где изложил свои взгляды на взаимоотношения живых организмов и влияние на их жизнь условий внешней среды. Заслуга К. Линнея в том, что он впервые последовательно для каждого вида растений, животных и микроорганизмов применил двойную (бинарную) номенклатуру – первое латинское название означало название рода, второе – видовую принадлежность.

Существенное влияние на формирование экологических взглядов имели работы автора первого эволюционного учения французского естествоиспытателя Жана Батиста Ламарка (1744–1829). Он выделял влияние «внешних обстоятельств» в качестве одной из наиболее важных причин эволюции животных и растений.

Экологическое направление в изучении географии растений заложили труды немецкого путешественника и географа Александра Гумбольдта (1769–1859). Растительность в биосфере распределена в соответствии с географической зональностью. В сходных географических условиях у растений разных таксономических групп вырабатываются сходные «физиономические» формы, т. е. создается одинаковый внешний облик. По распределению и соотношению этих форм можно судить о специфике физико-географической среды.

Значительный вклад в экологическое мышление внесли труды русского зоолога К. Ф. Рулье (1814–1858), которого по праву считают основоположником экологии животных. Его ученик Н. А. Северцов (1827–1885) издал монографию «Периодические явления в жизни зверей и птиц» (1855), не утратившую своего значения до наших дней.

Благодаря работам английского естествоиспытателя Чарльза Дарвина (1809–1882) развитие биологических наук обрело научную основу. В 1859 г. появился труд Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора», который положил начало целой эпохе в развитии биологии и послужил мощной основой для становления экологического направления. В науке появились и закрепились идеи постепенного преобразования одних видов в другие путем естественного отбора на основе борьбы за существование.

В 1866 г. немецкий биолог Эрнст Геккель (1834–1919) написал свою книгу «Общая морфология организмов», в которой было дано первое определение экологии: «Под экологией мы подразумеваем общую науку об отношениях организмов к окружающей среде, куда мы относим все условия существования в широком смысле этого слова. Они имеют частично органическую, частично неорганическую природу». Исходя из идей Ч. Дарвина, Э. Геккель дал развернутую характеристику этой отрасли знаний.

В программной речи «О пути развития и задаче зоологии», произнесенной в 1869 г., Э. Геккель сказал: «Под экологией мы подразумеваем науку об экономии, домашнем быте животных организмов. Она исследует общие отношения животных как к их неорганической, так и к органической среде, их дружественные и враждебные отношения к другим животным и растениям, с которыми они вступают в прямые и непрямые контакты, или, одним словом, все те запутанные взаимоотношения, которые Ч. Дарвин условно обозначил как борьбу за существование».

Однако термин «экология» получил признание у научной общественности только в конце XIX в. В начале XX в. оформились и начали развиваться экологические школы ботаников, зоологов, гидробиологов и т. д. На III Ботаническом конгрессе в Брюсселе в 1910 г. экология растений официально разделилась на экологию особей (аутэкологию) и экологию сообществ (синэкологию). Это деление распространилось на общую экологию и экологию животных.

В 1913–1920 гг. вышли экологические труды В. Шелфорда, Ч. Адамса, С. А. Зернова. Создавались экологические научные общества, журналы; экологию стали преподавать в высших учебных заведениях. Исследования многих выдающихся ученых, таких, как Г. Ф. Морозов, А. Д. Тенсли, Р. Линдеман, Ю. Одум и др., позволили создать совокупность знаний, идей, концепций, законов, которые являются фундаментом экологии.

Во второй половине XX в. экология как наука развивается особенно бурно, поскольку антропогенные изменения окружающей среды приобрели такие размеры, что человек (прямо или косвенно) сам стал их жертвой, а именно:

• бурный рост населения и увеличение урбанизированных площадей;

• загрязнение Мирового океана;

• вырубка лесов и рост поголовья скота;

• нехватка пресной воды;

• широкое применение пестицидов, химических удобрений, мелиорация, радиоактивное загрязнение;

• загрязнение биосферы отходами промышленности, сельского хозяйства, автотранспорта;

• накопление в биосфере фотооксидантов, ксенобиотиков тяжелых металлов;

• образование кислотных осадков, парниковый эффект, истощение озонового слоя и другие негативные факторы.

В 1972 г. ООН создала и провела в Стокгольме Первое Международное совещание по окружающей человека антропогенно измененной природной среде. Было принято решение о создании постоянно действующей комиссии Международной организации по охране окружающей среды (ЮНЕП). Программа ООН по окружающей среде действует и в настоящее время.

Основой современной экологии является биология, или общая экология (фундаментальная экология), изучающая всю природу в целом, уровни организации жизни на Земле, устойчивость живой природы.

1.2. Основные цели и задачи экологии

Термин «экология» предложен в 1866 г. Э. Геккелем (от греч. óikos – дом, жилище, местообитание, logos – наука, изучение). Образно говоря, экология – это наука о том, как жить и хозяйствовать в собственном доме. Каждый вид имеет свой дом; для современного человека – это вся планета Земля и околоземное космическое пространство.

Первоначально под «экологией человека» понимали раздел медицины, изучающий влияние внешней среды на человека. Но это влияние изучали и другие дисциплины. В данном случае необходимо учитывать не только влияние среды на человека, но и влияние человека на природу, т. е. антропогенное воздействие на окружающий мир. Предметом исследования общей экологии являются био- и геосистемы различных уровней организации и их динамика во времени и пространстве под влиянием внутренних и внешних факторов.

Экология человека – это интегральная наука, изучающая взаимоотношения человека с окружающей средой. Она, как и общая экология, развивается на организменном, популяционном, видовом, биоценотическом и биогеоценотическом уровнях. Экология человека рассматривает:

• отношение человека к определенным биотическим и абиотическим факторам;

• отрицательные явления, возникающие в процессе взаимоотношений общества и природы;

• негативное воздействие окружающей среды, измененной человеком, на природу самого человека, на состояние его здоровья.

Следовательно, выживаемость человека в полной мере зависит от него самого, от коренного изменения его воздействия на природу. Человек оказывает воздействие не только на животных, растения и микроорганизмы, но и на микро-, мезо- и макроэкосистемы, ландшафты, биосферу в целом и дальнейшее ее развитие.

В связи с этим экологию человека можно представить как новое комплексное междисциплинарное научное направление, изучающее взаимодействие общества с природой и техногенной средой, возможность управлять здоровьем человеческой популяции, ее усовершенствованием и развитием.

Постоянно возрастает влияние человека на биосферу. Преобразуется облик планеты:

• исчезают леса, а вместе с ними и некоторые виды растений и животных;

• истощаются запасы полезных ископаемых;

• ухудшается качество пищевых продуктов;

• осушаются болота и сооружаются новые водохранилища;

• некоторые из твердых и жидких отходов промышленности и сельского хозяйства не распадаются и не окисляются;

• естественные первичные биоценозы заменяются вторичными агроценозами: фотооксидантами и ксенобиотиками;

• выпадают кислотные и радиоактивные осадки;

• широко применяются пестициды и минеральные удобрения;

• канцерогенные углеводороды изменяют химический состав воды, воздуха и почвы;

• происходит постоянный прирост населения Земли;

• из-за парникового эффекта, истончения озонового экрана, электромагнитных излучений и многих других явлений возникают большие проблемы.

Экологическая безопасность должна входить в структуру национальной безопасности и обеспечивать:

• охрану среды и здоровья людей;

• распространение достоверной информации о состоянии природной среды и здоровья населения;

• проведение общественной экологической экспертизы и оценку экологического риска;

• защиту прав и интересов граждан;

• общественный контроль за соблюдением законодательства в области природопользования.

Основной целью экологии является:

• изучение взаимоотношений организмов между собой и окружающей средой;

• изучение структуры и организации экологических систем различного уровня;

• рациональное использование природных (естественных) ресурсов для потребления;

• сохранение биологического разнообразия и ресурсов растительного и животного мира;

• охрана флоры и фауны (заповедники, национальные парки, заказники, ландшафтные парки, памятники природы);

• упорядочение диалектического единства в системе «человек – общество – природа»;

• профилактика современного экологического кризиса и его последствий;

• формирование у населения экологического сознания и экологической культуры.

Стратегическими задачами современной экологии являются:

• развитие системы взаимодействия «человек – общество – природа». Эти задачи носят межведомственный характер и заключаются в изучении природоведческих и общественно-исторических, социально-экономических, санитарно-гигиенических, технико-технологических, медицинских и морально-этических систем взаимодействия общества и природы;

• изучение влияния различных факторов, в том числе и антропогенных, на структуру и динамику биоценозов и биогеоценозов;

• анализ хозяйственной деятельности человека относительно ее влияния на прогнозирование изменения факторов природы;

• умелое управление природно-хозяйственными комплексами с целью сохранения среды обитания человека;

• разработка и применение различных систем с целью ограничения использования химических веществ в борьбе с вредителями сельского и лесного хозяйства, т. е. с учетом общебиосферного закона – закона физико-химического единства живого вещества;

• приумножение и сохранение биологического разнообразия природы и особо охраняемых территорий.

К неотложным прикладным задачам экологии относятся:

• обеспечение экологической безопасности за счет неистощающего природопользования;

• разработка экологических основ промышленного и сельскохозяйственного производства;

• выработка социальных и экономических механизмов решения экономических проблем;

• решение организационно-правовых проблем управления природопользованием;

• развитие методов социально-экологического прогнозирования (мониторинга).

Задачами экологического мониторинга являются:

• наблюдение за состоянием биосферы и оценка прочности ее состояния;

• определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду и выявление его факторов и источников.

1.3. Структура современной экологии

Современная экология не только использует свои методы исследования, но и широко применяет методы других наук – химии, физики, математики и т. д. Наряду с биоэкологией возникли экология человека и социальная экология. В зависимости от типа изучаемой биологической системы в экологии выделяют такие разделы, как аутэкологию, синэкологию, демэкологию.

Аутэкология (от греч. autos – сам) – раздел экологии, изучающий взаимоотношения отдельного организма и среды его обитания. Задачей аутэкологии является установление пределов существования особи (организма) и тех пределов физико-химических факторов, которые организм выбирает из всего диапазона их значений. Изучение реакции организмов на воздействие факторов среды позволяет также выявить физиологические и морфологические изменения, характерные для данных особей. Следовательно, аутэкология изучает взаимоотношения особей и внешней среды. В основе этих отношений лежат морфологические реакции организма на воздействие среды.

Термин «аутэкология» был введен в 1896 г. швейцарским ботаником, флористом, профессором Карлом Шретером (1855–1939) именно для обозначения экологии особей.

При изучении экологии особей основное внимание уделяется:

• биохимическим реакциям;

• интенсивности газо- и водообмена, а также физиологическим процессам, определяющим состояние организма;

• использованию сравнительно-экологического и экологогеографического методов;

• сопоставлению состояния и реакции организма на внешние воздействия в различные периоды жизни (суточная, сезонная активность).

Синэкология (от греч. sýn – вместе), или экология сообществ, изучает ассоциации разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы, их формирование и развитие, структуру, динамику, взаимодействие с физико-химическими факторами среды, энергетику, продуктивность и др.

Демэкология (от греч. demos – народ) изучает естественные группировки особей одного вида, т. е. популяции; выясняет условия формирования популяций и внутрипопуляционных группировок и их взаимоотношения, структуру, динамику, численность популяции (В. В. Маврищев и др., 2010).

Аутэкология, синэкология и демэкология представляют собой экологию природных систем. Основным содержанием современной биоэкологии является исследование взаимоотношений организмов друг с другом и с внешней средой на популяционно-биоценотическом уровне.

Однако понятие «экология» не ограничивается только биологической направленностью и связано с небиологическими науками – географией, геологией, физикой, химией, медициной, техникой и другими разделами научных знаний. Экологические науки, согласно Н. Ф. Реймерсу, состоят из фундаментальных и прикладных наук, которые тесно взаимодействуют друг с другом.

Современная экология делится на ряд научных отраслей и дисциплин (рис. 1.1). Различают следующие разделы экологии: геохимический, глобальный, животных, инженерный, космический, ландшафтный, микроорганизмов, насекомых, популяционный, пресных вод, радиационный, растений, сельскохозяйственный, факторальный, человека, социальный. (Н. Ф. Реймерс, 1994).

В современной экологии изучаются проблемы прямого и побочного влияния производственной деятельности:

• на тепловой режим планеты;

• фон радиоактивности;

• загрязнение Мирового океана;

• уменьшение запасов невозобновляемых энергетических ресурсов;

• поступление в биосферу непереработанных биохимических и токсичных отходов;

• экологическое состояние урбанизированных ландшафтов;

• физическое, психическое здоровье, генофонд нации.

Данные вопросы решаются совместно и тесно связаны с другими естественными и гуманитарными науками: экономикой, социологией, географией, технологией, демографией. Экология имеет следующее научные направления: экофизиологию, экогенетику, экоморфологию, экобиохимию и т. д. Это значит, что происходит экологизация мышления.

К основным экологическим проблемам современности относятся:

• изменение климата;

• истончение озонового слоя;

• нехватка пресной воды;

• загрязнение подземных вод;

• пагубное влияние пестицидов на здоровье;

• кислотные осадки;

• сокращение биологического разнообразия;

• уничтожение токсических отходов;

• накопление в биосфере ксенобиотиков.

Кроме основных экологических проблем, следует еще указать на глобальные задачи современности в целом:

• предотвращение ядерной войны и аварий на АЭС;

• демографическую стабилизацию;

• энергетическую проблему;

• продовольственную;

• урбанизацию и ее последствия.

Экология на современном этапе занимает центральное место при изучении биосферы. Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать обобщенное определение экологии как науки. Экология – это наука, которая изучает взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой, а также структуру и организацию биологических систем различного уровня (популяции, биоценозы, экосистемы) (В. В. Маврищев и др., 2010). Знание экологии должно способствовать формированию экологического мышления человечества как необходимого условия его выживания и развития.

Рис. 1.1. Структура современной экологии

2.1. Понятие об экологических факторах среды

Организмы не могут существовать изолировано от окружающей среды. Экологическими элементами называются все компоненты природной среды, а именно:

• вода, атмосферный воздух, почва, пища, растительный и животный мир, горные породы и т. д.;

• природные условия, а также результаты антропогенной деятельности: загрязняющие вещества, измененные природные условия, ранее не существовавшие в природе, но созданные человеком.

К экологическим факторам относятся только те элементы, изменение которых вызывает ответную реакцию определенного организма или определенной группы организмов вплоть до исчезновения их по каким-либо причинам из среды обитания. Экологические факторы не равнозначны в своем влиянии на организмы и вещества. Важнейшими из них являются солнечная энергия и климатические факторы.

Среда любого организма слагается из многочисленных элементов органической природы, а также из объектов, связанных с хозяйственной деятельностью человека. Условия среды складываются из разнообразных элементов. Те факторы среды, которые оказывают прямое или косвенное воздействие на организмы, называются экологическими.

Для разных организмов количественные пределы фактора, при которых они могут существовать, неодинаковы (температура, влажность, химический состав компонентов среды обитания и др.).

Окружающая среда влияет на жизнедеятельность организмов, так как для любого из них она слагается из многочисленных элементов органической и неорганической природы, а также факторов хозяйственной деятельности человека. Есть экологические факторы, без которых жизнь растений и животных невозможна (например, для зеленых растений это солнечная энергия, вода, углекислый газ, минеральные соли). В процессе жизнедеятельности растения и животные приспособились к определенным условиям среды. Одни виды приспособились к жизни в условиях жаркого сухого климата (саксаул, баобаб, тушканчик), другие живут в холодном (карликовая береза, песец, северный олень), третьи – в жарком и влажном (бамбук, кокосовая пальма, орхидея) климате.

Все экологические факторы делятся на следующие группы:

• абиотические (влияние элементов неживой природы);

• биотические (влияние живых организмов);

• антропогенные (влияние человека).

Экологические факторы имеют разную природу и специфику воздействия на организм, т. е. каждый фактор неодинаково влияет на разные его функции.

2.2. Абиотические факторы