Понятие экологии как науки

     К сожалению, изучение процессов, а именно изучение трансформации сложных многокомпонентных систем, какими являются экосистемы и растительные сообщества – это следующий этап развития экологии. Пока что наибольшее развитие получил мониторинг растительного покрова (ботанический), но и он еще находится в начальной стадии.

      Напишу немного о нашем городе.

      Как известно, Сызрань входит в число крупных промышленных центров нашей области. На сравнительно небольшой территории в 119 квадратных километров расположено более 120 предприятий, выбросы которых существенно влияют на состояние экологии. Мощные предприятия машиностроения, нефтепереработки, нефтехимии, энергетики, пищевой и легкой промышленности, автомобильный и железнодорожный транспорт являются основными источниками загрязнения воздуха в городе. Между тем атмосфера является основной средой обитания человека. Поэтому внесение вредных примесей, даже в самых незначительных количествах, ухудшает условия жизни людей. Выявлена прямая зависимость заболеваемости органов дыхания от содержания в воздухе загрязняющих веществ. В результате комплексного воздействия неблагоприятных факторов на человеческий организм постепенно формируются изменения, приводящие к различным заболеваниям. Объективная оценка уровня загрязнения окружающей среды возможна лишь на основании достоверных результатов. С этой целью 25 октября 1978 года при Метеорологической станции Сызрань была создана лаборатория по мониторингу загрязнения атмосферы. Вот уже 30 лет в городе на трех стационарных постах Росгидромета, а также на ведомственном посту, который принадлежит ОАО «СНПЗ», проводятся регулярные наблюдения за состоянием атмосферы.

    Ежедневно, четыре раза в сутки (в 01, 07, 13, 19 часов), наблюдатели отбирают пробы воздуха. За год в лаборатории проводят анализ более восемнадцати тысяч проб.

    В начале 90-ых годов ХХ века индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) Сызрани составлял 16.1. По этой причине в 1992-ом она была включена в список наиболее загрязненных городов России. В результате проведения природоохранных мероприятий и спада в работе промышленных предприятий ИЗА снизился до 5.2. В последние же пять лет загрязнение воздуха вновь увеличивается. 

      Всё сказанное выше, красноречиво обобщается высказыванием академика С.С. Шварца:  «Экология – наука о жизни природы – переживает свою  вторую молодость. Возникшая более 100 лет  тому  назад  как  учение  о  взаимосвязи организма и среды, экология на наших глазах трансформировалась  в науку структуре природы, науку о том,  как  работает  живой  покров  Земли  в  его целостности. А так как работа живого  все  в  большей  степени  определяется деятельностью человека, то  наиболее  прогрессивно  мыслящие  экологи видят будущее экологии в теории  создания  изменённого  мира.  Экология  на  наших глазах становится теоретической основой поведения  человека  индустриального общества в природе». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава № 2.Круговороты веществ. 

    Круговорот веществ на Земле, повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Эти процессы имеют определённое поступательное движение, т. к. при так называемых циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Понятие круговорот веществ нередко трактовалось метафизически, как движение по замкнутому кругу, что в корне ошибочно.

    Около 5 млрд. лет назад произошла дифференциация вещества Земли, разделение его на ряд концентрических оболочек, или геосфер: атмосферу, гидросферу, земную кору, гранитную, базальтовую и др. оболочки, отличающиеся друг от друга характерным химическим составом, физическими и термодинамическими свойствами. Эти оболочки в последующее геологическое время развивались в направлении дальнейшего наиболее устойчивого состояния. Между всеми геосферами и внутри каждой отдельной геосферы продолжался обмен веществом. Вначале наиболее существенную роль играл вынос вещества из недр Земли на поверхность в результате процессов выплавления легкоплавкого вещества Земли и дегазации.

     В современный период обмен веществом между геосферами по вертикальному направлению достаточно определенно может наблюдаться в пределах 10—20 км от поверхности Земли и местами — в 50—60 км. Не исключено движение вещества и из более глубоких зон Земли, однако этот процесс в настоящее время уже не играет существенной роли в общем, круговороте веществ на Земле. Непосредственно непрерывный круговорот веществ наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосферы и в биосфере. Со времени появления биосферы (около 3,5 млрд. лет назад) круговорот веществ на Земле изменился. К физико-химическим превращениям прибавились биогенные процессы. Наконец, огромной геологической силой стала ныне деятельность человека.

     Круговорот веществ в биосфере.

      Процессы  фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес).

Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения  транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана – приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы  обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т  азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость.

      Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

      Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

        Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

    Круговорот  химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.

Круговорот  углерода.

      Самый интенсивный биогеохимический цикл – круговорот углерода. В природе  углерод существует в двух основных формах – в карбонатах (известняках) и углекислом газе. Содержание последнего в 50 раз больше, чем в атмосфере. Углерод участвует в образовании  углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.

      Основная  масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (10¹⁶ т), в кристаллических породах (10¹⁶ т), каменном угле и нефти (10¹⁶ т) и участвует в большом цикле круговорота.

Основное  звено большого круговорота углерода – взаимосвязь процессов фотосинтеза и аэробного дыхания.

      Другое  звено большого цикла круговорота  углерода представляет собой анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в метан и другие вещества (например, в болотных экосистемах, на свалках отходов).

      В малом цикле круговорота участвует  углерод, содержащийся в растительных тканях (около 10¹¹ т) и тканях животных (около 10⁹ т).

Круговорот  кислорода.

      В количественном отношении главной составляющей живой материи является кислород, круговорот которого осложнён, его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой.

      Кислород, содержащийся в атмосфере и в  поверхностных минералах (осадочные  кальциты, железные руды), имеет биогенное  происхождение и должно рассматриваться  как продукт фотосинтеза. Этот процесс  противоположен процессу потребления  кислорода при дыхании, который сопровождается разрушением органических молекул, взаимодействием кислорода с водородом (отщеплённым от субстрата) и образованием воды. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа. В основном он происходит между атмосферой и живыми организмами.

      Потребление атмосферного кислорода и его  возмещение растениями в процессе фотосинтеза  осуществляется довольно быстро. Расчёты  показывают, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа, и её масса составляет 5,9*10¹⁶ т. Масса кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворённых в океанических и континентальных водах, в несколько раз меньше (0,4*10¹⁶ т).

      Отметим, что, начиная с определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой анаэробный организм не может  выдержать (это было доказано ещё  в прошлом веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%. 
 
 
 
 

Круговорот  азота.

      Газообразный  азот возникает в результате реакции  окисления аммиака, образующегося  при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

      4NH₃ + 3O₂ ® 2N₂ + 6H₂O.

      Круговорот  азота – один из самых сложных, но одновременно самых идеальных  круговоротов. Несмотря на то что азот составляет около 80% атмосферного воздуха, в большинстве случаев он не может  быть непосредственно использован  растениями, т.к. они не усваивают газообразный азот. Вмешательство живых существ в круговорот азота подчинено строгой иерархии: только определённые категории организмов могут оказывать влияние на отдельные фазы этого цикла. Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы некоторых бактерий, тогда как другие бактерии – фиксаторы (вместе с сине-зелёными водорослями) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты. Неорганическим путём нитраты образуются и в атмосфере в результате электрических разрядов во время гроз.

      Самые активные потребители азота –  бактерии на корневой системе растений семейства бобовых. Каждому виду этих растений присущи свои особые бактерии, которые превращают азот в нитраты. В процессе биологического цикла нитрат-ионы (NO₃^-) и ионы аммония (NH₄⁺), поглощаемы растениями из почвенной влаги, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты и т.д. Далее образуются отходы в виде погибших организмов, являющихся объектами жизнедеятельности других бактерий и грибов, преобразующих их в аммиак. Так возникает новый цикл круговорота. Существуют организмы, способные превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот.

      Биологическая активность организмов дополняется  промышленными способами получения  азотосодержащих органических и  неорганических веществ, многие из которых применяются в качестве удобрений для повышения продуктивности и роста растений.

      Антропогенное влияние на круговорот азота определяется следующими процессами: