Основы экологии

 
Введение. Предмет и задачи экологии

      Современные достижения научно-технической революции  оказались такими впечатляющими, что  на первый взгляд лозунг, выдвинутый И.В.Мичуриным: «Нам нечего ждать милостей от природы, взять их - наша задача», - осуществляется. Люди покоряют космос, бурят Землю на тысячи метров, осваивают богатства океана и т.д. Но оказалось всё не так просто. На наших глазах вместо пляшущей глади Аральского моря ветры раздувают солончаки. Мировой океан загрязнён отходами, и уже в Космосе антропогенный мусор стал представлять угрозу действующим космическим кораблям и станциям. Голубая планета Земля может превратиться в жёлтую. Сведение лесов приняло угрожающие размеры, ежегодно исчезают все новые виды  растений и животных. Воздух, загрязнённый промышленными выбросами, пестицидами и газообразными продуктами их распада в почве, токсичные вещества в воде и продуктах питания стали причиной резкого ухудшения не только условий обитания человека, но и реальной угрозой деградации его как вида Homo sapiens. В связи с этим академичное слово «экология» стало звучать повсеместно. Причиной высокой детской смертности, снижения продолжительности жизни в России называют «плохую экологию». В  тоже время, термин «экология» означает  «наука о доме и его обитателях» (от греч. oikos - дом, место пребывания, logos - слово, наука), т.е. об отношениях растительных и животных организмов между собой и с окружающей их средой. Впервые этот термин ввёл немецкий учёный Эрнст Геккель в 1866 г. Как любая наука, экология не может быть плохой или хорошей и, как любая наука, изучает объективную реальность.

      Негативные  изменения на планете вызваны  ухудшением качества окружающей человека природной среды. Понятие «окружающая природная среда» включает не всю природу в естественно-научном значении этого слова. Сюда входят те элементы природной среды, с которыми связаны местопребывание и производственная деятельность человека, - часть литосферы (до глубины 3-5 км), в которой содержатся основные запасы доступного человеку минерального сырья. Особую ценность представляет верхний слой литосферы - почва - источник продовольственных ресурсов планеты. В окружающую среду включают нижний слой атмосферы, используемый промышленностью, авиацией и другими видами антропогенной деятельности. От степени загрязнённости нижнего слоя атмосферы зависит функционирование всех живых организмов и здоровье человека.

      Поверхностный слой Мирового океана, а также пресные  воды суши также входят в состав окружающей среды, широко используемые в деятельности человеческого общества. Резкое увеличение масштабов использования разнообразных природных ресурсов привело не только к их истощению, но и к загрязнению окружающей среды, нарушению нормальной жизнедеятельности всех организмов, населяющих планету. В связи с этим вопросы экологии и охраны окружающей среды оказались тесно связанными между собой.

      Экология, как наука о взаимодействии живых  организмов и окружающей их природной среды, делится на ряд научных отраслей и дисциплин.

      По  размерам изучаемых объектов экологию делят на аутэкологию (взаимодействие организма и среды), популяционную экологию (взаимодействие  популяций и среды), синэкологию ( экосистемы и их среды) и глобальную экологию (учение о биосфере Земли).

      В зависимости от предмета изучения экологию подразделяют на экологию микроорганизмов, грибов, растений, животных, человека, сельскохозяйственную, промышленную (инженерную) и т.д.

      По  средам и компонентам различают  экологию суши, пресных водоёмов, морскую, Крайнего Севера, высокогорную и т.д.

      По  подходам к предмету исследования выделяют аналитическую и динамическую экологию. Существуют и другие классификации данной науки.

      Чем же вызвано такое бурное, многогранное развитие этой науки, такой интерес  к ней учёных и практиков? Ещё  на заре развития человечества экология имела практическое значение, т.к. для того чтобы выжить, индивидуум должен был иметь определённые знания об окружающем мире, т.е. о растениях, животных, силах природы. Современные достижения науки и техники не освободили человека от зависимости от природы, она лишь усложнилась. Цивилизация продолжает зависеть от окружающей среды - не только от энергетических и материальных ресурсов, но и от таких процессов, как круговороты воды, антропогенных загрязнений и пр. Поэтому в последние десятилетия все вдруг заинтересовались загрязнениями среды, окружающей природой, ростом народонаселения, вопросами потребления пищи и энергии [15]. Рост общественного интереса оказал глубокое влияние на академическую экологию. Сформированная изначально как биологическая наука, она превратилась в новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.

      Влияние антропогенной деятельности в ухудшении  качества окружающей среды связано с ростом индустриализации и урбанизации, истощением энергетических и сырьевых ресурсов (в том числе деградирование почвы), с возрастанием демографической нагрузки на природу, «хозяйственным» уничтожением отдельных видов животных и растений, следствием которого явилось нарушение естественных экологических балансов, загрязнением природы отходами производственной деятельности человека и другими  негативными явлениями.

      В связи с этим задачи экологии применительно к деятельности инженера промышленного производства могут быть сформулированы следующим образом:

      1.Оптимизация  технологических, инженерных и  проектно-конструкторских решений,  исходя из минимального ущерба  окружающей среде и здоровью  человека.

      2. Прогнозирование и оценка возможных  отрицательных последствий  деятельности действующих, реконструируемых и проектируемых предприятий для окружающей среды, в том числе человека, животных, растений, сельского, лесного и рыбного хозяйства.

      3. Своевременное выявление и корректировка  конкретных технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде, угрожающих здоровью человека, отрицательно влияющих на природные и антропогенные системы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1 

  Основные факторы  экологического кризиса 

1. Экологический кризис и виды антропогенного стресса

      В настоящее время об экологическом кризисе говорят политики, экономисты, философы. Это понятие многогранно. Оно определяет критическое состояние окружающей среды, угрожающее существованию человека и всей биосферы в целом. Поэтому экологический кризис - это состояние дисбаланса между основными составляющими биосферы, следствием которого могут быть необратимые негативные изменения в природе, в т. ч. в природе самого человека.

      Первопричиной экологического кризиса является господство в человеческом обществе экономики и техники и отрицание достоинства природы, которое особенно ярко выразилось в XX веке [18]. Даже наши выдающиеся учёные, как например, П.Л. Капица, рассматривали природу как военный объект, который необходимо подчинить своим интересам. В 1981 г. в работе «Эксперимент. Теория. Практика» П.Л. Капица отмечал: «Для успешной борьбы за овладение природой нужна своя стратегия и тактика. Здесь, как и при сражении, самое важное - это правильное распределение сил по фронту и ясные задания бойцам» [9].

      Слово - великая вещь. Оно формирует сознание. Поэтому прав В. Хёсле, который утверждает, что «заблуждается тот, кто полагает, будто бы с экологическим кризисом можно справиться с помощью одних лишь экономических мер», необходимо менять сознание, т.е. чтобы не только отрасли, но и каждый человек в отдельности научился относиться к природе уважительно, как младший к старшему.

      Состояние экологического кризиса характерно для всего человечества, но, может быть, в наиболее острой форме оно проявляется в России. В настоящее время сложилась ситуация, не имеющая аналогов в мире: с одной стороны, в России имеется множество крупных предприятий, потенциально опасных для населения и природной среды, с другой - уровень технологий, контроль и дисциплина на них снизились до критической черты. По подсчётам специалистов на территории России размещено свыше 4,5 тыс. потенциально опасных и около 1,5 тыс. химически и биологически опасных сооружений и производств, которые относятся к объектам повышенного риска. В среднем по России ежедневно отмечается две серьёзные аварии на трубопроводах, один раз в неделю - на транспорте, ежемесячно - в промышленности. К тому же в стране имеется 20 % сейсмоопасных территорий. В течение последних лет в России во всех видах аварий и катастроф ежегодно гибло более 50 тыс. человек и более 250 тысяч получали ранения.

      По  оценкам Российской Академии наук с  каждым годом число жертв и  катастроф в стране будет возрастать на 10-30% [16].

        Антропогенный стресс. Природные системы обладают значительной устойчивостью, которая помогает переносить периодические тяжёлые нарушающие воздействия, в том числе антропогенные. Антропогенные воздействия, или стресс, условно можно разделить на две группы:

      - острый стресс, для которого характерно  внезапное начало, быстрый подъём  интенсивности и небольшая продолжительность нарушений;

      - хронический стресс, при котором  нарушения невысокой интенсивности долго продолжаются или часто повторяются - это постоянно беспокоящие воздействия.

        Примером острого стресса могут  быть различные аварии на промышленных предприятиях. Классическим примером является авария на Чернобыльской атомной электростанции, в результате которой погибли люди, животные, растения, находившиеся поблизости от взрыва. Залповый выброс радиации быстро закрыли. Данный случай является примером перехода острого стресса в хронический. Радиоактивные частицы переносятся в результате круговорота на «чистые» территории, создавая повышенный радиационный фон. Последний увеличивается и в результате очередных производственных выбросов. Содержание других вредных веществ в биосфере возрастает в результате выбросов ТЭЦ, промышленных предприятий, смывов с обработанных ядохимикатами полей и т.д. Природные системы обладают значительной способностью справляться с острым стрессом и восстанавливаться после него. Например, стратегия покоящихся семян облегчает восстановление леса после вырубки или пожара. Хронический стресс опасен тем, что его последствия трудно оценить. Могут пройти годы, прежде чем полностью выявятся его последствия. Например, потребовались годы, чтобы выявить связь между заболеваемостью раком и курением или хроническим слабым ионизирующим облучением. Наиболее явные последствия повышенной радиации в результате взрыва ЧАЭС ожидаются через два периода - 10 и 40-50 лет. Эта особенность хронического стресса объясняется тем, что кумуляция (накопление) негативных изменений в организме (сообществе и т.д.) происходит постепенно и до определённого уровня незаметно. При этом могут происходить изменения на генетическом уровне. Эффект кумуляции проявляется скачкообразно, в виде вспышек заболеваний, в т. ч. с летальным исходом, вымиранием видов растений и животных. Таким образом, к основным факторам, оказывающим вредные воздействия на природу, относятся  загрязнения. 
 

2. Виды  загрязнений природной среды

      Загрязнение - это привнесение в среду или  возникновение в ней новых, обычно нехарактерных для неё физических, химических, информационных или биологических агентов;  превышение естественного среднемноголетнего уровня концентрации перечисленных агентов в среде, приводящее к негативным последствиям. В наиболее общем виде загрязнение - это всё то, что не в то время, не в том количестве и не в том месте, что естественно для природы, и что выводит системы из состояния равновесия. Загрязнение может быть вызвано любым агентом, в т.ч. самым «чистым». Например, лишняя по отношению к природной норме вода на суше или более высокая температура воды и т.д.

      Все виды загрязнений можно разделить  на две большие группы: природные (естественные) и антропогенные (искусственные). Естественные загрязнения возникают в результате природных процессов: наводнения, извержения вулканов, землетрясений и т.д. Антропогенные - в результате использования экологически несовершенных технологий в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и т.д. Виды промышленных загрязнений, в основном, обусловлены отходами производства, которые  условно  можно подразделить на две группы:

      1. отходы, содержащие новые химические вещества, к которым живые организмы ещё не смогли приспособиться, т.к. не встречались с ними ранее на протяжении своей эволюции. В настоящее время создание новых химических соединений нарастает быстрыми темпами. По данным [15] в США ежегодно создают около 1000 новых препаратов. Химическое воздействие таких антропогенных факторов может вызвать в ходе адаптации (приспособления) существенные изменения в живых организмах, например, заболевания, имеющие катастрофические последствия.

      2. Большую опасность представляют  токсичные отходы предприятий, в т.ч. радиоактивные, а также не нашедшие потребителя устаревшие ядохимикаты. До 1980 г. обработка ядовитых отходов считалась второстепенным вопросом, недостойным серьёзного внимания. Их просто сбрасывали куда-нибудь. И только после несчастных случаев приступили к решению вопроса по удалению и обезвреживанию токсичных отходов.

      К промышленным загрязнениям относят  и тепловое загрязнение, которое становится самым распространённым случаем хронического стресса. Электростатические установки по превращению энергии высвобождают в воздух и воду огромное количество тепла. Особенно большие объёмы охлаждающей воды требуются атомной электростанции. Так, при производстве 1 кВт-ч. электроэнергии на тепловой электростанции отходы тепла в атмосферу и воду составляют соответственно 400 и 155 ккал, а на современной АЭС - 130 и 1900 ккал. При существующих темпах роста энергии, вырабатываемой на Земле, следует ожидать, что её количество станет соизмеримо с количеством энергии, получаемой от Солнца. Считается, что в настоящее время искусственное привнесение энергии в биосферу уже достигло значений, близких к предельно допустимым. Недопустимо высокие отходы тепла в атмосферу в первую очередь приводят к изменению климата, являются одним из факторов парникового эффекта, грозящего планете. Повышение температуры воды в водоёмах, как действие любого хронического стресса, вначале может привести к положительным последствиям - повысить продуктивность водного сообщества и скорость роста рыбы. С увеличением времени воздействия проявляются негативные эффекты: усиливается восприимчивость организмов к токсичным веществам, которые практически всегда присутствуют в сточных водах, а также к грибковым заболеваниям, особенно пагубно повышение температуры отражается на молоди, т.к. у нее устойчивость ниже, чем у взрослых особей; повышение температуры способствует замене популяции обычной флоры водорослей сине-зелеными; при повышении температуры водным животным требуется больше кислорода, а его растворимость в этих условиях снижается; при длительном воздействии тепла (более 10 лет) появляются признаки генетических изменений.