4. Понятие и виды экологических факторов. Учение о биосфере.

Как и большинство наук, экология имеет длительную предысторию. Ее обособление в качестве самостоятельной науки в середине ХIХ века представляет собой естественный этап накопления большого объема научных знаний о природе. Еще в трудах античных философов встречаются первые попытки обобщения сведений об образе жизни животных и растений, зависимости их от среды обитания, характере распределения и своеобразии в разных природно-климатических условиях. Так, Аристотель (384–322 гг. до н.э.) описывает свыше 500 видов известных ему животных и рассказывает об их поведении. Ученик Аристотеля – «отец ботаники» Теофраст Эрезийский (371–280 гг. до н.э.) приводит сведения о своеобразии растений в разных условиях, зависимости их формы и особенностей роста от почвы и климата.

В средние века интерес к изучению природы ослабевает под давлением богословия и схоластики, но возрождается с новой силой в эпоху Возрождения, великих географических открытий, когда колонизация новых стран послужила толчком к развитию систематики – науки о разнообразии всех организмов на планете. В это время исследователями составлены подробнейшие описания растений и животных, их внутреннего и внешнего строения. Первые систематики – Дж.Рей (1623 – 1705 гг.), Ж.Гурнефор (1655 – 1708 гг.), К.Линней (1707 – 1778 гг.) и др., стремясь к созданию полной системы (классификации) органического мира, сообщали и о зависимости растений от условий их произрастания или возделывания, местах обитания и т.п.

В ХУII – ХУIII вв. экологические сведения составляли нередко значительную часть в записях известных путешественников. В трудах С.П.Крашенинникова, И.И.Лепехина, П.С.Палласа и других географов и натуралистов указывалось, что распространение растительности и животного мира в разных частях планеты связано с климатическими особенностями. А Жан-Батист Ламарк (1744 – 1829 гг.), автор первого эволюционного учения, считал, что влияние «внешних обстоятельств» – одна из самых важных причин приспособительных изменений организмов, эволюции животных и растений.

Дальнейшему развитию экологического мышления способствовало появление в начале ХIХ столетия биогеографии. Труды А.Гумбольдта (1769–1859 гг.) определили новое, экологическое направление в географии растений. Он ввел в науку представление о том, что «лицо» ландшафта определяется внешним обликом растительности: в сходных зональных и вертикально-поясных географических условиях у растений разных систематических групп вырабатывается сходный внешний облик.

Одним из основоположников классической экологии с полным правом можно назвать профессора Московского университета К.Ф.Рулье (1814–1858 гг.), который широко пропагандировал необходимость развития особого направления в зоологии, посвященного всестороннему исследованию жизни животных, их сложных взаимосвязей с окружающим миром (взаимоотношения родителей и потомства, отношение между животными разных видов, их взаимодействие с растениями, почвой, зависимость от физических условий и т.п.). К.Ф.Рулье разработал широкую систему экологического исследования животного мира.

В 1859 г. появилась книга Ч.Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». В этом труде показано, что борьба за существование в природе, под которой автор понимал все формы противоречивых связей вида со средой, приводит к естественному отбору, то есть является движущим фактором эволюции. Стало ясно, что взаимоотношения живых существ и их связи с неорганическими компонентами природы («борьба за существование») – большая самостоятельная область исследований.

В 1866 г., благодаря Э.Геккелю, эта новая область знаний получила название «экология», развернутое определение которой приведено в начале данной темы. Интересно, что Э.Геккель позднее отрекся от введенного им названия, заменив его на «экономию природы», однако термин «экология» постепенно получил всеобщее признание.

В конце 70–х годов ХIХ в. в экологии возникло новое направление – биоценология. Немецкий гидробиолог К.Мёбиус (1877 г.) обосновал представление о биоценозе как глубоко закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды, обусловленном длительной историей приспособления видов друг к другу и к сходной экологической обстановке. Учение о растительных сообществах обособилось в отдельную отрасль ботанической экологии – геоботанику, основные положения которой были разработаны в трудах Г.Ф.Морозова и В.И.Сукачева на основе учения о лесе.

В начале ХХ столетия оформились экологические школы гидробиологов, ботаников, экологов, в каждой из которых развивались определенные стороны экологической науки. В 1910 г на III Ботаническом конгрессе в Брюсселе экология растений официально разделилась на экологию особей, отдельных видов (аутоэкологию) и экологию сообществ (синэкологию). Это деление распространилось и на экологию животных. В 1913–1920 гг. были организованы экологические научные общества, основаны журналы, экологию начали преподавать в университетах.

В 30 -е годы оформилась новая область экологической науки – популяционная экология (демэкология), основоположником которой следует считать английского ученого Ч.Элтона. Центральными проблемами экологии популяций стали внутривидовая организация и динамика численности организмов. Исследования популяций (совокупностей особей одного вида) в экологии в значительной мере были обусловлены запросами практики: острой необходимостью разработки основ борьбы с вредителями и конкурентами в сельском и лесном хозяйстве, истощением запасов ряда ценных промысловых животных, открытием роли некоторых диких животных в распространении паразитов и вредителей, возбудителей болезней человека и домашнего скота.

К 40-м годам в экологии возник принципиально новый подход к исследованию природных экосистем: в 1935 г. английский ученый А.Тенсли выдвинул понятие экосистемы, а в 1942 г. В.Н.Сукачев обосновал представление о биогеоценозе. В этих понятиях нашла отражение идея о единстве совокупности организмов с абиотическим окружением, о закономерностях, которые лежат в основе связи всего живого и окружающей неорганической среды – о круговороте веществ и превращениях энергии.

В послевоенное время, с конца 50-х гг. экология продолжала стремительно развиваться. Появились исследования миграции живого вещества и энергии, стали бурно внедряться методы математического моделирования, позволившие описать многие экологические закономерности. Была получена развернутая картина возможных вариантов динамики популяций, сформулированы важные принципы совместного существования видов в сообществе, описаны сложные процессы их метаболизма. Фактически именно эти результаты стали основой для решения задач программирования урожая, расчета эффективных схем управления сельскохозяйственными посевами и т.п.

За последние 20 лет экология в нашей стране сделала большой скачок и стала одной из наиболее значимых наук, в центре изучения которой находятся экосистемы. Живые организмы вместе с окружающей их средой образуют сложную кибернетическую систему. Ее сложность обусловлена не только большим разнообразием входящих в систему элементов, но и их разнородностью, многообразием возникающих между ними связей. Задачи оптимального управления природной средой, стоящие перед человечеством, требуют рассмотрения в качестве составляющих сложной системы не только элементы живой и неживой природы, но и воздействующие на них сооружения, механизмы, машины, созданные человеком. В нашем столетии стало общепризнанным то, что экологические принципы и теории относятся не только к редким растениям и животным в их естественных условиях обитания, но применимы и к человеку. Эту отрасль экологии, изучающую экологические принципы, необходимые для устойчивого развития человеческого сообщества, часто называют наукой об окружающей среде.

К сожалению, использование природных богатств на протяжении всей истории осуществлялось человеком при полном незнании законов экологии, что привело к тяжелым и часто непоправимым последствиям, в частности, к истощению природных ресурсов и колоссальному загрязнению среды обитания. Прежде, чем человеку удастся найти решение ряда жизненно важных проблем предстоящего тысячелетия (таких, как удовлетворение потребностей в воде и пище возрастающего населения планеты), необходимо срочно предпринять хотя бы паллиативные меры, позволяющие обеспечить жизнь человеку завтрашнего дня. Но чтобы действовать, надо знать, как. Экология и оказывается тем биологическим и мировоззренческим фундаментом, на который может опереться человек в принятии превентивных мер, направленных на сохранение окружающей природы.

Основы представлений современной экологии о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы сформированы В. И. Вернадским. В соответствие с учением В. И. Вернадского, биосфера состоит из связанных между собой живых веществ, биогенного, косного, биокосного, радиоактивного веществ, а также веществ космического происхождения и рассеяных атомов.

В. И. Вернадский представил биосферу как единое целое с взаимоувязанными, взаимообусловленными и сбалансированными процессами. Суть его учения состоит в признании особо важной роли живого вещества, которое изменяет облик планеты. Роль живых организмов в следующем: прокариоты – фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы вовлекают в биохимические циклы новые неорганические вещества, связывая азот, что не могут выполнять другие организмы, имеющие ядро; грибы – специализируются на разрушении органических веществ; растения – являются продуцентами, фиксируют солнечную энергию организмов; животные – представляют собой «транспорт» биосферы.

По представлениям В. И. Вернадского основным движущим фактором развития биосферы является биохимическая энергия живого вещества. По утверждению В. И. Вернадского главным фактором миграции химических элементов в земной коре являются живые организмы. Их огромное количество и действие в течение бесконечно большого промежутка времени является главным геологическим эффектом. Вся геологическая история Земли сопровождалось жизнью, а значит, совремнное живое вещество генетически связано с живым веществом прежних геологических эпох.

Современное распространение живых организмов определяется в первую очередь условиями среды, в которой они обитают. Все живые и неживые объекты, окружающие растения, животных и другие организмы и непосредственно взаимодействующие с ними, называются средой обитания.

Под термином окружающая среда (или окружающая природная среда) обычно понимается та часть природы, на которую простирается влияние человека.

Элементы среды, воздействующие на живые организмы, называются экологическими факторами. По своему происхождению и специфике влияния экологические факторы делят на три основные группы:

- Абиотические факторы – это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы, определяя условия их существования (температура, свет и другая лучистая энергия, влажность и газовый состав воздуха, атмосферное давление, осадки, снежный покров, ветер, солевой состав воды, почвы, рельеф местности и т.п.).

- Биотические факторы – это все формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм испытывает прямое или косвенное влияние других особей, вступает во взаимоотношения с представителями своего или иных видов (растений, животных, микроорганизмов), зависит от них или сам оказывает воздействие.

- Антропогенные факторы – все формы деятельности человека, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно сказываются на их жизни.обитания. К таким факторам относится воздействие промышленности, сельскохозяйственного производства, транспорта и всех других форм ведения хозяйства. Антропогенные воздействия на живой мир планеты продолжают возрастать.

Любой из экологических факторов может то проявляться как непосредственная причина изменения обмена веществ, то действовать косвенно, влияя на жизнедеятельность организмов, изменяя среду обитания.

Учение В.И.Вернадского о биосфере.

Экосистемой высшего ранга на Земле является биосфера – оболочка планеты, населенная живым веществом.

Понятие биосферы появилось в биологии в ХУIII веке, однако первоначально оно имело совсем иной смысл, чем теперь. Биосферой именовали небольшие гипотетические глобулы (ядра органического вещества), которые якобы составляют основу всех организмов. К середине ХIХ ст. в биологии уточняются позиции научных представлений о реальных органических клетках, и термин «биосфера» утрачивает свой прежний смысл. К идее биосферы в ее современной трактовке пришел Ж.–Б.Ламарк (1744–1829 гг.), основатель первой целостной концепции эволюции живой природы, однако данный термин он не использовал. Впервые в близком к современному смыслу понятие «биосфера» ввел австрийский геолог Э.Зюсс, который в книге «Происхождение Альп» (1873 г.) определил ее как особую, образуемую организмами оболочку Земли. В настоящее время для обозначения этой оболочки используются понятия «биота», «биос», «живое вещество», а понятие «биосфера» трактуется так, как его толковал академик В.И.Вернадский (1863–1945 гг.).

Целостное учение о биосфере представлено в его ставшей классической работе «Биосфера» (1926 г.). В.И.Вернадский определил биосферу как особую охваченную жизнью оболочку Земли. В физико-химическом составе биосферы Вернадский выделяет следующие компоненты:

живое вещество – совокупность всех живых организмов;

косное вещество – неживые тела или явления (газы атмосферы, горные породы магматического, неорганического происхождения и т.п.);

биокосное вещество – разнородные природные тела (почвы, поверхностные воды и т.п.);

биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живых организмов (гумус почвы, каменный уголь, торф, нефть, сланцы и т.п.);

радиоактивное вещество;

рассеянные атомы;

вещество космического происхождения (космическая пыль, метеориты).

Согласно воззрениям Вернадского весь облик Земли, все ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому веществу. Жизнь – это связующее звено между Космосом и Землей, которое используя энергию, приходящую из космоса, трансформирует косное вещество, создает новые формы материального мира. Так, живые организмы создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни, он понимал ее как естественный этап самоорганизации материи в любой части космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования.

Учение Вернадского нацеливало на изучение живых, косных и биокосных тел в их неразрывном единстве, что сыграло значительную роль в подготовке естествоиспытателей к целостному восприятию природных систем.

С учетом современных представлений, биосфера включает оболочку Земли, которая содержит всю совокупность живых организмов и часть вещества планеты, находящуюся в непрерывном обмене с этими организмами. Иными словами, биосфера – это область активной жизни, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты литосферы.

Структура биосферы представляет собой совокупность газообразной, водной и твердой оболочек планеты и живого вещества, их населяющего. Масса биосферы составляет приблизительно 0,05% массы Земли, а ее объем – 0,4% объема планеты. Границы биосферы определяет распространение в ней живых организмов. Несмотря на различную концентрацию и разнообразие живого вещества в разных районах земного шара, считается, что горизонтальных границ биосфера не имеет. Верхняя же вертикальная граница существования жизни обусловлена не столько низкими температурами, сколько губительным действием ультрафиолетовой радиации и космического излучения солнечного и галактического происхождения, от которого живое вещество планеты защищено озоновым экраном. Максимальная концентрация молекул озона (трехатомарного кислорода) приходится на высоту 20–25 км, где толщина озонового слоя составляет 2,5–3 мм. Озон интенсивно поглощает радиацию на участке солнечного спектра с длиной волны менее 0,29 микрон.

Поскольку граница биосферы обусловлена полем существования жизни, где возможно размножение, то она совпадает с границей тропосферы (нижнего слоя атмосферы), высота которой от 8 км над полюсами до 18 км над экватором Земли. Однако в тропосфере происходит лишь перемещение живых организмов, а весь цикл своего развития, включая размножение, они осуществляют в литосфере, гидросфере и на границе этих сред с атмосферой.

В состав биосферы полностью входит вся гидросфера (океаны, моря, озера, реки, подземные воды), мощность которой составляет 11 км. Наибольшая концентрация жизни сосредоточена до глубины 200 м, в так называемой эвфотической зоне, куда проникает солнечный свет и возможен фотосинтез. Именно здесь сконцентрированы все фотосинтезирующие растения и продуцируется первичная биологическая продукция. Глубже начинается дисфотическая зона, где царит темнота и отсутствуют фотосинтезирующие растения, но активно перемещаются представители животного мира, непрерывным потоком опускаются на дно отмершие растения и останки животных.

Суммарная биомасса живого вещества биосферы составляет 2–3 трлн т, причем 98% ее – это биомасса наземных растений. Биосферу населяют около 1,5 млн видов животных и 500 тыс. видов растений. Однако, если мысленно равномерно распределить все живое вещество по поверхности планеты, то получится слой толщиной всего около 2 см. Вместе с тем в процессах самоорганизации биосферы живое вещество играет сегодня ведущую роль и выполняет следующие функции:

энергетическую – перераспределение солнечной энергии между компонентами биосферы;

средообразующую (газовую) – в процессе жизнедеятельности живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, метан и др.,

концентрационную – извлечение и накопление живыми организмами биогенных элементов (кислорода, углерода, водорода, азота, натрия, магния, калия, алюминия серы и др.) в концентрациях, в сотни тысяч раз превышающих их содержание в окружающей среде;

деструктивную (проявляется в минерализации органического вещества);

окислительно-восстановительную (заключается в химическом превращении веществ биосферы).

Основателями концепции ноосферы можно считать трех уче- ных – видного французского математика, антрополога и паленонтолога Э. Леруа (1870–1954), французского геолога и антрополога П.Тейяра де Шардена (1881–1955) и выдающегося российского ученого-естествоиспытателя В.И.Вернадского. Все они одинаково подходили к оценке человеческой истории, органично продолжающей естественную историю. В концепции ноосферы разум человека предстает природным, космическим явлением.

Но наибольший вклад в развитие идей ноосферы как закономерного этапа не только в истории общества, но и биосферы в целом внес В.И.Вернадский, поэтому учение о ноосфере ассоциируется именно с его именем. Под понятием «ноосфера» ученый подразумевал высшую форму развития биосферы, определяемую гармонично сосуществующими процессами развития общества и природы. Учение В.И. Вернадского о ноосфере утверждает принцип совместной эволюции человечества и природной среды (сейчас этот процесс называют коэволюцией), нацеливает на поиск практических путей обеспечения общественно-природного равновесия.Понятие «ноосфера» отражает будущее состояние рационально организованной природы, новый этап развития биосферы, эпоху ноосферы, когда дальнейшая эволюция планеты будет направляться разумом в целях обеспечения необходимой гармонии в сосуществовании природы и общества.

Следующий этап в развитии концепции ноосферы должен состоять в том, чтобы понять, как достичь этой гармонии. По–видимому, процесс совместного (коэволюционного) гармоничного развития человеческого общества и биосферы может быть обеспечен только благодаря науке, позволяющей оценить экологические последствия воздействия крупномасштабных природопреобразующих проектов и найти пути экологобезопасного существования.