Экология и природопользование

Біосфера — область існування й функціонування теперішніх живих організмів і продуктів їх життєдіяльності, живих організмів минулих епох, яка починається від нижньої частини атмосфери, охоплює всю гідросферу й верхні шари літосфери. Вона G активною оболонкою Землі, в якій сукупна діяльність живих організмів проявляється як геохімічний фактор планетарного масштабу.

Біонти — організми, які в ході еволюції пристосувалися до існування в певному середовищі (біотопі).

Біосинтез — процес утворення необхідних організму речовин, який відбувається в його клітинах з участю біокаталізато-рів — ферментів.

Б і о м — сукупність видів живого й оточуючого їх середовища, яка складає екосистему ландшафтно-географічної :юни або сектора природного поясу.

. S 2. Сучасна наука про довкілля 49

^ I —

э

| Біомаса — кількість живої речовини будь-яких живих іс-

^ & тот, виражена в одиницях маси на одиницю площі.

Біотехнології — сукупність методів і засобів отримання корисних для людини продуктів та явищ за допомогою біоло гічних агентів (виробництво ліків, антибіотиків, дріжджів, виве дення мікроорганізмів, бактерій, які продукують білок, або газ, або тепло, тощо).

Біотоп — відносно одноманітний за абіотичними факторами середовища простір у межах водної, наземної і підземної частини біосфери, зайнятий одним біоценозом.

StX w* • * .

с g Біоценоз — взаємозв язана сукупність мікроорганізмів, грибів, рослин і тварин, що населяють більш-менш однорідну ді лянку суші чи водойми й характеризуються певними відносинами між собою й адаптацією з довкіллям.

§ Основною (елементарною) функціональною одиницею в біосфе-

cS pi є екосистема.

Екосистема — єдиний природний комплекс, утворений живими організмами й середовищем, в якому вони існують і де всі компоненти тісно пов'язані обміном речовин, енергії і інформації.

| І а. Залежно від місцевості, відношення до людської діяльності, ступеня насичення, повноцінності тощо розрізняють біоценози суші, води, природні та антропогенні, насичені й ненасичені, повночленні та неповночленні.

При вивченні екосистем беруть до уваги їх видовий чи популя ційний склад і кількісне співвідношення видових популяцій;

Земля

Біосфера і

Біом »

Екосистеми

Суспільства Популяції Організми

Системи органів

t

Органи

t Тканини

t

Клітини

»

Протоплазма

4

Молекули

t

Атоми

Елементарні частинки

Рис.

51

2. Сучасна наука про довкілля

просторовий розподіл окремих елементів; сукупність усіх зв'язків, у першу чергу — ланцюгів живлення.

Екосистеми — відкриті термодинамічні функціонально цілісні системи, що існують за рахунок надходження з навколишнього середовища енергії та частково речовини й які саморозвиваються та саморегулюються.

Одним з важливих екологічних понять є гомеостаз.

Гомеостаз — стан внутрішньої динамічної рівноваги природної системи (екосистеми), що підтримується регулярним відновленням її основних елементів і речовинно-енергетичного складу, а також постійним функціональним саморегулюванням компонентів. Гомеостаз є характерним і необхідним для всіх природних систем — від атома й організму до космічних утворень.

За М. Реймерсом, елементарною екосистемою є біогеоценоз, а найбільшою екосистемою є біосфера.

Усі популяції характеризуються властивостями, завдяки яким підтримується їх чисельність на оптимальному рівні в умовах середовища, що постійно змінюються. Ці властивості й є гомеостаз.

Вид (біологічний) — сукупність організмів зі спорідненими морфологічними ознаками, які можуть схрещуватися один з одним і мають спільний генофонд. Це основна структурна одиниця в системі живих організмів. Вид підпорядкований роду, але має підвиди й популяції. Види мають морфологічні, фізіолого-біохі-мічні, еколого-географічні (біогеографічні) та генетичні характеристики.

Популяція — сукупність особин одного виду з однаковим генофондом, яка живе на спільній території протягом багатьох поколінь.

Природне середовище — це все живе й неживе, що оточує організми й з чим вони взаємодіють. Розрізняють повітряне, водне та ґрунтове середовище, останнім може бути й тіло іншого організму (для паразитуючих).

Екологічні фактори — всі складові (елементи) природного середовища, які впливають на існування й розвиток організмів і на які живі істоти реагують реакціями пристосування (за межами здатності пристосування настає смерть).

Раніше виділяли три групи екологічних факторів — абіотичні (неорганічні умови: хімічні й фізичні, такі, як склад повітря, води, грунтів, температура, світло, вологість, радіація, тиск тощо), біотичні (форми взаємодії між організмами — хазяїн — паразит) та антропогенні (форми діяльності людини). Сьогодні розрізняють

4*

52

Частина 1.

десять груп екологічних факторів (загальна кількість — близько шістдесяти), об'єднаних у спеціальну класифікацію: за часом — фактори часу (еволюційний, історичний, діючий), періодичності (періодичний і неперіодичний), первинні та вторинні; за походженням (космічні, абіотичні, біотичні, природноантропогенні, техногенні, антропогенні); за середовищем'виникнення (атмосферні, водні, геоморфологічні, фізіологічні, генетичні, екосистемні); за

зона смерті

зниження життєздатності

оптимум біологічної стійкості

зниження життєздатності

зона смерті

мінімум впливу

максимум впливу

Рис. 5. Зона дії екологічного фактора (температура, хімічний склад середовища, світло тощо) на живі організми

характером (інформаційні, фізичні, хімічні, енергетичні, термічні, біогенні, комплексні, кліматичні); за об'єктом впливу (індивідуальні, групові, видові, соціальні); за ступенем впливу (летальні, екстремальні, обмежуючі, турбуючі, мутагенні, тератогенні); за умовами дії (залежні чи незалежні від щільності); за спектром впливу (вибіркової чи загальної дії).

Одні й ті ж екологічні фактори неоднаково впливають на

53

2. Сучасна наука про довкілля

організми різних видів, які живуть разом. Для деяких вони можуть бути сприятливими, для інших — ні. Важливим елементом е реакція організмів на силу впливу екологічного фактора, негативна дія якого може виникати у разі надлишку або нестачі дози. Тому є поняття сприятлива доза, або зона оптимуму фактора, й зона песимуму (доза фактора, за якої організми почуваються пригнічено).

Діапазон зон оптимуму й песимуму є критерієм для визначення екологічної валентності — здатності живого організму пристосовуватися до змін умов середовища. Кількісно вона виражається діапазоном середовища, в межах якого вид нормально існує. Екологічна валентність різних видів відрізняється одна від одної (північний олень витримує коливання температури повітря від —55 до 25—ЗО °С, а тропічні корали гинуть вже при зміні температури на 5—6 °С).

За екологічною валентністю організми поділяють на:

стенобіонти — з малою пристосованістю до змін середовища (орхідеї, форель, далекосхідний рябчик, глибоководні риби) та еврибіонти — з великою пристосованістю до змін довкілля (колорадський жук, миші, пацюки, вовки, таргани, очерет, пирій).

Слід наголосити, що в природі екологічні фактори діють комплексно. Особливо важливо пам'ятати це,, оцінюючи вплив хімічних забруднювачів, коли «сумаційний» ефект (на негативну дію однієї речовини накладається негативна дія інших, до чого додається вплив стресової ситуації, шумів, різних фізичних полів — радіаційного, теплового, гравітаційного чи електромагнітного) дуже змінює умовні значення ГДК, наведені в довідниках. Це питання на сьогодні ще мало вивчене, але через актуальність і велике значення перебуває в стані активного дослідження в усіх розвинених країнах.

Важливим є також поняття лімітуючі фактори, тобто такі, рівень (доза) яких наближається до межі витривалості організму, концентрація якого нижча або вища оптимальної. Це поняття започатковане законами мінімуму Лібіха (1840 p.) і толерантності Шелфорда (1913 p.). Найчастіше лімітуючими факторами є температура, світло, біогенні речовини, течії та тиск у середовищі, пожежі тощо.

56

Частина 1. НАУКА ІІРО ДОВКІЛЛЯ

масштабами і силою, коли як з вершини піраміди, так і з її проміжних сходинок та основи почали щезати цілі види, розриватися ланки зв'язку. Людина силоміць почала у надзвичайно короткі

БІОМАСА ПРОДУЦЕНТІВ

КОНСУМЕНТИ

ПЕРШОГО

РОДУ

ТЕПЛО

БІОМАСА

КОНСУМЕНТІВ ІЯ ПЕРШОГО Ж* роду

КОНСУМЕНТИ

ДРУГОГО

РОДУ

БІОМАСА КОНСУМЕНТІВ ДРУГОГО РОДУ

Рис. 7. Потік енергії їжі в екосистемі

терміни змінювати піраміду для свого комфорту, по-хижацьки витрачаючи біологічний капітал. Це призвело до розростання екологічної кризи.

Слід зазначити, що у процесі кожного чергового перенесення енергії їжі з одного трофічного рівня на інший (вищий) більша частина (80—90 %) потенціальної енергії губиться й переходить

57

2.

у теплоту. Ланцюги живлення поділяють на два типи: ланцюги пасовиськ (від зеленої рослини до травоїдної тварини й далі — до хижаків, що поїдають рослиноїдних тварин) і детритні (ланцюги розкладу від детриту через мікроорганізми до детритофагів і їх споживачів — хижаків). Кількість ланок у трофічному ланцюзі звичайно не перевищує чотирьох-п'яти.

Останнім часом вважають, що краще вживати термін трофічна сітка, а не ланцюг, оскільки до складу їжі кожного типу входить кілька видів, кожен із яких, у свою чергу, може бути їжею для кількох видів. Ефективність трофічних ланцюгів оцінюється величиною біомаси екосистеми та її біологічною продуктивністю.

Біомаса — це загальна маса особин одного виду, груп видів чи спільноти в цілому (рослини, тварини, мікроорганізми), яка припадає на одиницю поверхні (об'єму), місце проживання (в сирому чи сухому вигляді). Виражають біомасу в кілограмах на гектар, грамах на квадратний або кубічний метр чи в джоулях (одиницях енергії).

Найбільшу біомасу на суші серед гетеротрофів мають безхребетні та грунтові мікроорганізми (біомаса дощових червів може сягати 1000—1200 кг/га); близько 90 % біомаси біосфери припадає на біомасу наземних рослин, які за допомогою фотосинтезу — біосферного процесу — засвоюють вільну енергію та забезпечують існування всього живого. Початком біологічного кругообігу речовин є саме фотосинтез. Але механізм його залишається таємницею для вчених ще й нині. Є кілька гіпотез, що пояснюють механізм цього явища. Одна з останніх — фотовольта-їчна, яка належить Г. Комісарову.

Найбільшою є біомаса тропічних лісів (до 1700 т/га), а найменшою — тропічних і субтропічних пустель (близько 2,5 т/га). Біомаса лучних степів становить 250 ц/га (наземна), лісової смуги (Полісся) — до 3500—4000 (наземна) і 960 ц/га (підземна).

Наземні рослини за масою майже в 100 разів перевищують наземних тварин, а маса травоїдних у стільки ж разів більша за масу хижаків.

Швидкість продукування біомаси на даній площі за одиницю часу називають біопродуктивністю. Вона може бути первинною (продуктивність продуцентів) і вторинною (біомаса, яку продукують консументи й організми, що розкладаються).

Первинна продуктивність материків становить близько 53 млрд т органічної речовини. Світового океану — до ЗО млрд т. На суші основним джерелом первинної біомаси є тропічні ліси,

58

Частина 1. НАУКА ПРО ДОВКІЛЛЯ

ліси Полісся та Сибіру, в океані — зона підйому збагачених фосфором і азотом глибинних вод біля материків у тропіках, а також материкові мілини холодних морів.

Підраховано, що нині щорічної біомаси планети, яку збирає людство, вже недостатньо для харчування населення Землі, а вся біосфера здатна прогодувати не більше 7—10 млрд чоловік (за іншими оцінками — 3—5 млрд).

Протягом останніх десятиліть дедалі частіше вживається термін агроценоз.

Агроценози — молоді біоценози, що формуються в наш час, характеризуються видовою бідністю та одноманітністю й підтримуються людиною завдяки розробленій нею системі агротехнічних і агрохімічних заходів. Це вторинні, видозмінені людиною біогеоценози (поля, городи, сади, підводні плантації мідій тощо).

У агроценозах регуляторні зв'язки дуже ослаблені, що призводить до різкого збільшення чисельності шкідників і збудників різних хвороб. Але агроценози дають людству до 90 % продуктів харчування.

Агроценози — результат екстенсивного розорювання земель, суперіригацій і неграмотних меліорацій, активного випасу худоби, вирубування лісів, суперхімізації земель, а також тривалого вирощування тих самих культур на одних і тих самих полях. Вони існують порівняно з природними дуже нетривалий час (зернові агроценози — рік, садові — ЗО—40 років) і є наслідком антропогенного обміну речовин — дуже недосконалим екологічно, незамкненим, оскільки на вході цього обміну є природні ресурси, а на виході — агрохімічні, промислові та побутові відходи, які не повертаються на виробництво, не депонуються й не розкладаються, як це звичайно відбувається в біосфері мільйони років.

Важливим є також поняття біологічний малий і геологічний великий кругообіг речовин, а також кругообіги води, азоту, вуглекислого газу як найголовніших з екологічної точки зору компонентів атмосфери, а також кругообіги сірки, фосфору, вуглецю як найважливіших життєвих речовин біосфери.

Кругообіг речовин — це їхня багаторазова участь у природних процесах, що споконвічне відбуваються в геосферах. Велику роль у кругообігу речовин, а точніше — хімічних елементів, відіграють живі організми, на що вперше звернув увагу французький вчений Ж. Ламарк.

Рис. 8. Кругообіг енергії (а) і біологічний кругообіг речовин (б)

60

Частина 1. НАУКА ПРО ДОВКІЛЛЯ

Дослідив це питання та сформулював основні закони біогеохімічного кругообігу В. Вернадський.

Малий, або біологічний (біотичний), кругообіг має місце в межах малих екосистем, великий (геологічний) — у межах планети, між океанами й континентами. Під час кругообігу відбувається колоподібна циркуляція речовин між повітрям, грунтом, водою, рослинами, тваринами та мікроорганізмами, коли мінеральні речовини, потрібні для життя, поглинаються, трансформуються, надходять із навколишнього середовища до рослинних організмів, а від них, через ланцюги живлення у вигляді органічних речовин,— до тварин, далі через ланку редуцентів — знову в навколишнє середовище (грунти, води, повітря) у вигляді неорганічних речовин.

Кругообіги завдяки наявності в атмосфері та гідросфері великого резервного фонду вуглецю, азоту, кисню, сірки, фосфору можуть відносно швидко саморегулюватися. Під час біологічного кругообігу відбуваються дуже характерні зміни енергії у процесі переходу з одного трофічного рівня на інший. У трофічний кругообіг екосистеми в середньому залучається близько 1 % сонячної енергії, на наступні вищі трофічні рівні з нижчих переходить лише 10 % засвоєної організмами енергії, а у вигляді тепла розсіюється в екосистемі 80—90 %. Рослини використовують сонячну енергію з ефективністю від 0,1 до 1 %. Рослиноїдні тварини споживають близько ЗО % енергії, акумульованої рослинами, хижаки — до 10 % накопиченої травоїдними рослинами (їх біомаси), тобто всього близько 0,001 % сонячної енергії, що надходить на Землю.

Цей факт дозволив побудувати екологічні піраміди біомас, енергій, екосистем.

Кожна точка на нашій планеті є часткою екосистем. Кожне наше зітхнення, будь-яка з'їдена їжа, кожен ковток води пов'язують нас безпосередньо з біогеохімічними циклами екосистем.

Для всіх екосистем світу характерні два основних процеси, які є загальними: поглинання сонячної енергії та її проходження через екосистему у відповідності до другого закону енергії, а також накопичення й кругообіг живлячих речовин у біогеохімічних циклах.

Біогеохімічні цикли — це біогеохімічні кругообіги — обмін речовиною й енергією між різними компонентами біосфери, який зумовлений життєдіяльністю організмів і має циклічний характер. Цей термін введений В. І. Вернадським. У природі всі згадані цикли взаємозв'язані, а деякі з них (вуглецю, кисню, водню, азоту,

62

Частина 1. НАУКА ПРО ДОВКІЛЛЯ

сірки, фосфору, калію, кальцію та ін.) є ключовими до розуміння еволюції й сучасного стану біосфери. Рушійними силами біогеохімічних циклів є потоки енергії Сонця та Космосу й енергії діяльності живої речовини (сукупності всіх організмів), які призводять до переміщення величезних мас хімічних елементів, акумулювання й перерозподілу енергії, накопиченої у процесі фотосинтезу.

Саме фотосинтез і циклічні кругообіги речовин створюють умови для організованості біосфери Землі і її нормального функціонування.

Екологічні піраміди — піраміди біомаси, чисел чи енергії, які відображають зменшення цих величин від продуцентів до реду-центів у вигляді масштабних пірамід. Тобто це — графічне зображення співвідношення між продуцентами, консументами (першого, другого, третього й т. д. порядку), вираженого в одиницях маси, числа істот чи величинах енергії.

Сукцесія — послідовна зміна біоценозів, які спадково виникають на одній і тій же території в результаті впливу природних факторів чи людини.

Результатом сукцесії є уповільнений розвиток нової спільноти — клімаксової.

Сукцесію поділяють на первинну (процес розвивається на ділянці, не займаній до того іншими живими істотами) і вторинну, коли відбувається зміна або знищення клімаксової спільноти. Фактори збурення сукцесії бувають зоогенні, пірогенні, катастрофічні, фітогенні, екзодинамічні та ін.

Зміна біоценозів в екосистемах закінчується встановленням відносно стійкого стану екосистем, що замінюють одна одну під впливом змін екологічних факторів. Цей стан називається клімакс (від грец. — клімакс — драбина).

Прогнозуючи зміни екологічних умов, можна передбачити й особливості клімактеральної фази, що важливо для аграрни-цтва, лісівництва, садівництва.

Екополітика — сукупність методів контролю екологічних обмежень при соціально-економічному розвитку країни, регіону світу чи людства в цілому. Наприклад, введення міжнародних обмежень на випуск фреонів, знищення китів, вирубки лісів, вилов деяких видів риб та ін.