Этапы развития экологии

     1 История развития экологии как науки

     Экология  своими корнями уходит в далекое  прошлое. Потребность в знаниях, определяющих «отношение живого к окружающей его органической и неорганической среде», возникла очень давно. Достаточно вспомнить труды Аристотеля (384 – 322 до н. э.), Плиния Старшего (23 – 79 н. э.), Р. Бойля (1627-- 1691) и других, в которых обсуждалось значение среды обитания в жизни организмов и приуроченность их к определённым местообитаниям, чтобы убедиться в этом [4, c. 9].

     В истории развития экологии можно выделить три основных этапа.

     Первый  этап – зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. XIX в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения.

     В XVII – XVIII вв. экологические сведения составляли значительную долю во многих биологических описаниях (А. Реомюр, 1734; А. Трамбле, 1744, и др.). Элементы экологического подхода содержались в исследованиях русских ученых И. И. Лепехина, А.Ф. Миддендорфа, С. П. Крашенинникова, французского учёного Ж. Бюффона, шведского естествоиспытателя К. Линнея, немецкого ученого Г. Йегера и др.

     Второй  этап – оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60-х гг. XIX в.). Начало этапа ознаменовалось выходом работ русских ученых К. Ф. Рулье (1814 – 1858), Н. А. Северцова (1827 – 1885), В. В. Докучаева (1846 – 1903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (1809 – 1882), вскрывший основные факторы эволюции органического мира. То, что Ч. Дарвин называл «борьбой за существование», с эволюционных позиций можно трактовать как взаимоотношения живых существ с внешней абиотической средой и между собой, т. е. с биотической средой.

     Немецкий  биолог – эволюционист Э. Геккель (1834 – 1919) первый понял, что это самостоятельная и очень важная область биологии, и назвал её экологией в 1866 году. В своем капитальном труде «Всеобщая морфология организмов» он писал: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология – это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал «условиями, порождающими борьбу за существование».

     Как самостоятельная наука экология окончательно оформилась в начале XX столетия. В этот период американский ученый Ч. Адаме (1913) создает первую сводку по экологии, публикуются другие важные обобщения и сводки. Крупнейший русский ученый XX в. В. И. Вернадский создаёт фундаментальное учение о биосфере.

     Во  второй половине XX в. в связи с  прогрессирующим загрязнением окружающей среды и резким усилением воздействия  человека на природу экология приобретает  особое значение.

     Начинается третий этап (50-е гг. XX в. – до настоящего времени) – превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Из строгой биологической науки экология превращается в «значительный цикл знания, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики...» (Реймерс, 1994) [4, c. 10].

     Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Цж. М. Андерсен, Э. Пианка, Р. Риклефс, М. Бигон, А. Швейдер, Дж. Харпер, Р. Уиттекер, Н. Борлауг, Т. Миллер, Б. Не-5ел и др. Среди отечественных ученых следует навать И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В.Г. Горшкова, Ю.А. Израэля, и другие.

     Изучив  данный вопрос, можно сделать вывод, что в истории развития экологии можно выделить три основных этапа. Первый этап был до 60 – х годов 19 века. Собирались данные о связи живых организмов со средой их обитания. Второй этап начался после 60 – х годов 19 века. На данном этапе неоценимый вклад в развитие основ экологии внёс Ч. Дарвин, вскрывший основные факторы эволюции органического мира. А немецкий биолог-эволюционист Э. Геккель первый понял, что это самостоятельная и очень важная область биологии, и назвал ее экологией в 1866 году. Третий этап начался с 50 – х годов 20 века и продолжается до настоящего времени. В этот период завершилось отделение экологии от других наук.  

     2 Биоценоз. Важнейшие особенности биоценозов. Структура биоценоза.

     Биоценоз  – совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, что заселяют определённый участок суши или акватории, они связаны между собой и со средой [6, http://ru.wikipedia.org].

     Биоценоз  характеризуется определенными отношениями организмов между собой и приспособленностью к окружающей их среде (биотопу). Он может быть составлен немногими (олигоценоз) и многими (полиценоз) видами. Один вид биоценоз составлять не может: даже в сельскохозяйственной монокультуре (пшеничное поле, яблоневый сад и пр.) всегда участвуют многие виды наземных и почвенных организмов.

     Биоценоз  принято делить по систематическим  признакам на фитоценоз, зооценоз и  микробоценоз. Функционально-экологически биоценоз делится по ступеням экологической  пирамиды на группы организмов - продуцентов, консументов и редуцентов, объединенных трофическими связями. Вместе с биотопом биоценоз составляет биогеоценоз. 

     Под структурой биоценоза понимают достаточно чётко выраженные закономерности в  соотношениях и связях его частей. Она многопланова, поэтому при  её изучении обычно выделяют различные  аспекты [5, c. 82].

     Видовая структура биоценоза характеризует  разнообразие в нём видов и  соотношение их численности или  массы. При этом различают бедные и богатые виды биоценоза. Так, везде, где условия абиотической среды  приближаются к оптимальным для  жизни, возникают чрезвычайно богатые видами сообщества: тропические леса, долины рек в аридных районах и т.д. Напротив, в полярных арктических пустынях и северных тундрах при дефиците тепла сообщества сильно обеднены, поскольку лишь немногие виды могут приспособиться к таким неблагоприятным условиям. 

     Пространственная  структура биоценоза определяется сложением его растительной части  – фитоценоза, распределением наземной и подземной массы растений. В  ходе длительного эволюционного  преобразования, приспосабливаясь к  определённым абиотическим и биотическим условиям, живые организмы в итоге приобрели чёткое ярусное строение. Фитоценоз приобретают ярусный характер при наличии в нём растений, различающихся по высоте.

     Экологическая структура биоценоза. Каждый биоценоз складывается из определённых экологических групп организмов, которые могут иметь неодинаковый видовой состав, хотя и занимают сходные экологические ниши. Так, в лесах преобладают сапрофаги, в степных зонах – фитофаги, в глубинах Мирового океана  - хищники и детритоеды. Следовательно, экологическая структура биоценоза представляет его состав из экологических групп организмов, которые выполняют в сообществе определённые функции. Данная структура в сочетании с видовой и пространственной служит его макроскопической характеристикой, позволяющей ориентироваться в свойствах биоценоза при планировании хозяйственных мероприятий, прогнозировать последствия тех или иных антропогенных воздействий, оценивать устойчивость системы.

     Итак, рассмотрев данный вопрос, мы выяснили, что биоценоз представляет собой – совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, совместно населяющих участок земной поверхности и характеризующихся определенными отношениями как друг с другом, так и с совокупностью абиотических факторов. Составными частями биоценоза являются фитоценоз (совокупность растений), зооценоз (совокупность животных), микоценоз (совокупность грибов) и микробоценоз (совокупность микpoopганизмов). Так же рассмотрели структуру биоценоза.  

     3 Загрязнение окружающей среды. Виды природного и антропогенного загрязнения.

      Под загрязнением окружающей среды следует  понимать «изменение свойств среды (химических, механических, физических, биологических и связанных с  ними информационных), происходящие в результате естественных или искусственных процессов и приводящие к ухудшению функций среды по отношению к любому биологическому или технологическому объекту» [2, c. 175]. Используя различные элементы окружающей среды в своей деятельности, человек изменяет её качество. Часто эти изменения выражаются в неблагоприятной форме загрязнения.

     Загрязнение окружающей среды — это поступление  в неё вредных веществ, могущих  нанести ущерб здоровью человека, неорганической природе, растительному и животному миру или стать помехой в той или иной человеческой деятельности.

     Существует  два главных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный [3, c. 175].

     Естественный  источник - это вулканы, землетрясения, пыльные бури, выветривание, катастрофические наводнения, лесные пожары, процессы разложения растений и животных.

     Антропогенные, в основном делят на три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем, загрязнении воздуха  сильно различается в зависимости  от места.

      Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнения - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

     Итак, изучив данный вопрос, мы выяснили, что  загрязнение окружающей среды –  это ущерб, наносимый природе, среде обитания вредными веществами, выбросами, отходами. Так же существует два главных источника загрязнения – это природное и антропогенное. Природное загрязнение возникает в результате естественных причин - извержения вулканов, землетрясений, лесных пожаров и т.д. А антропогенное загрязнение – это результат деятельности человека. 

     4 Антропогенное воздействие на животный мир.

     Животный  мир — часть биосферы, необходимая  для нормального функционирования географической оболочки и круговорота  вещества. На земле обитает около 1,0 — 1,5 млн видов животных, что  в 3 раза превышает количество видов растении. Многие животные используются человеком для питания, как источники сырья для промышленности и кустарного производства.

     Воздействие человека на животный мир делится  на прямое и косвенное. Прямое может  выражаться в непосредственном уничтожении (сознательном или бессознательном) животных, косвенное — в изменении природной среды, создании новых экологических условий обитания.

     Прямое  воздействие на животный мир началось с древних времен, когда человек  в процессе охоты добывал себе пищу, одежду. Именно поэтому до сих пор существует мнение, что основной причиной умирания таких крупных млекопитающих, как мамонты, была деятельность древних охотников. С усовершенствованием орудий охоты и появлением огнестрельного оружия истребление животных приняло катастрофические масштабы. За 27 лет на Командорских островах полностью была уничтожена стеллерова корова — эндемик тех мест [4, c. 474].

     В значительной степени подорваны  человеком животные ресурсы Мирового океана, казавшиеся долгое время неисчерпаемыми. В 1604 г. А. Беннет положил начало мирового промысла на моржей из-за их клыков. Истребление моржей активно, началось на архипелаге Шпицберген и впоследствии продвигалось на восток. Только на о-ве Медвежьем в 1667 г. за несколько часов было убито 900 моржей, причем туши бросали, хотя мясо, жир и кожу можно было использовать. В 1923 г. к берегам Аляски прибило более тысячи моржовых туш без клыков.

     Огромные  масштабы рыболовного промысла в  последние десятилетия сильно уменьшили  запасы рыбы в морях и океанах. Естественное воспроизводство не успевает за уровнем вылова.

     После второй мировой войны рыболовство  в мире расширялось, причем с 1950 по 1969 г. мировой улов рыбы увеличился с 20 до 65 млн т, т.е. ежегодно возрастал  на 6 — 7 %. Однако после 1970 г. в связи с истощением запасов рыбы средний рост ее ежегодного улова снизился примерно до 1 %. По данным ФАО, в настоящее время возможен лишь постепенный рост улова рыбы примерно до уровня 80 — 100 млн т, даже если предположить, что продуктивность истощенных запасов восстановится и увеличатся уловы ранее мало использовавшихся видов рыб. В результате чрезмерного вылова пострадали запасы отдельных видов рыб: перуанского анчоуса, нескольких видов североатлантической сельди, калифорнийских сардин и др.

     В настоящее время широкое применение получил химический способ борьбы с  так называемыми вредными представителями  фауны. При этом происходит как прямое, когда целенаправленно истребляется какой-то вид, так и косвенное  воздействие, когда погибают виды, для которых это воздействие не предполагалось. В свое время для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур применялся препарат ДДТ, который кроме вредителей уничтожал и полезных насекомых, например пчел. Детальные исследования препарата показали, что при его применении в растениях накапливаются высокотоксичные вещества, которые попадают через пищу в организм человека. Сейчас он нигде в сельском хозяйстве не применяется.

     Но  появились новые ядохимикаты, используемые повсеместно. Это пестициды —  сильно действующие отравляющие вещества. Они включают в себя: инсектициды (средства для уничтожения вредных насекомых), родентициды (для борьбы с грызунами), бактерициды (для уничтожения бактерий, вызывающих болезни у культурных растений), гербициды (для истребления сорняков), фунгициды (для борьбы с возбудителями грибковых болезней).

     Пример  прямого воздействия на животный мир — переселение отдельных  видов в новые места обитания.

     Косвенное влияние на фауну происходит в  основном из-за изменения, а иногда и уничтожения мест обитания: уменьшается численность отдельных видов, а некоторые полностью исчезают. Широкое распространение антропогенных ландшафтов способствует и переходу многих животных к синантропному образу жизни, т.е. они тем или иным образом приспосабливаются к новым местам и условиям обитания (черная и серая крысы, комнатная муха, черный и рыжий тараканы, галка, домашний воробей, городская и деревенская ласточки, грач и пр.).

     Рассмотрев  данный вопрос, мы выяснили, что с развитием человеческой цивилизации, научно – технического прогресса, без сомнения, идёт и сокращение численности многих видов животных сегодня. Воздействие человека на животных осуществляется двояким путем: прямым – непосредственным преследованием и истреблением, или расселением, и косвенным – изменением условий жизни. 

     5 Круговорот азота. Роль микроорганизмов в поддержании круговорота азота: аммонифицирующие бактерии, нитрифицирующие бактерии.

     Круговорот азота – биогеохимический процесс в биосфере, в котором участвуют организмы – редуценты, а также нитрифицирующие и клубеньковые бактерии [6, http://ru.wikipedia.org]. 

     Круговорот  важнейшего элемента живого вещества — азота — охватывает все составные  части геосферы и является одним  из основных биогеохимических циклов, обеспечивающих поддержание жизни на нашей планете.

     Азот  — один из наиболее распространенных элементов на Земле. Его запасы в  атмосфере нашей планеты составляют 4*10¹⁵ т. (78,09% — по объему; 65,6% — по массе).

     Азот  поступает на земную поверхность вместе с другими газами при извержениях (около 30 т., из них 8 т. на суше, 22 т. за счет подводного вулканизма), при процессах ионизации атмосферы. Соединения азота, синтезированные при ионизации атмосферы, попадают на Землю с осадками в количестве 22 млн. т. азота (над сушей) и 82 т. (над океаном) в год.

     Некоторые количества связанного азота в почвах могут дать микроскопические сине-зеленые  водоросли, которые являются фотосинтезирующими микроорганизмами.

     Азот, накопившийся в почве, принимает  участие в биологическом круговороте. Ежегодно в биологическом круговороте на суше участвуют 2,3*10⁹ т. азота (в пересчете на реальный растительный покров). Он входит в состав живого вещества и является основой растительной и в конечном итоге животной массы[5, c. 241]. Большая часть азота растений представлена белковыми веществами.

     Азот  является составной частью таких  жизненно важных веществ, как нуклеиновые  кислоты, хлорофилл, некоторых ростовых веществ (гетероауксин) и витаминов  группы В.

     Круговорот  азота в природе складывается из трёх основных процессов:      

     1) фиксация азота атмосферы;

     2)нитрификация-окисление  азота; 

     3) денитрификация (гниение) - восстановление  азота. Азот атмосферы фиксируют  только свободноживущие азотофиксаторы (азотобактер) и микробы – симбионты – клубеньковые бактерии. Они имеют ферменты, обладающие способностью связывать свободный азот с другими химическими элементами. Эти микроорганизмы синтезируют сложные органические соединения. Значение: обогащают почву связанным азотом и способствуют ее плодородию.

     Аммонифицирующие  микроорганизмы (иначе гнилостные микроорганизмы, гнилостная микрофлора) широко распространены в почве, воздухе, воде, животных и  растительных организмах. Поэтому любой  подходящий субстрат быстро подвергается гниению. Наиболее глубокий распад белка с образованием безазотистых и азотистых соединений (индол, скатол, NH₃, H₂S) идет при участии спорообразующих бактерий рода Bacillus, и семейства Enterobacteriaceae.

     Умеренное, контролируемое иммунитетом организма бактериальное гниение белков также является необходимой частью пищеварения и происходит в толстом кишечнике человека и животных. Их активаторами являются Proteus, Escherichia, Morganella, Klebsiella, Pseudomonas. По мнению И. И. Мечникова, постоянно образующиеся в кишечнике продукты гниения (скатол, индол и др.), вызывают хроническую интоксикацию и являются одной из причин преждевременного старения. Чрезмерно интенсивное гниение в толстом кишечнике является причиной гнилостной диспепсии, диареи и дисбактериоза толстого кишечника.

     Нитрифицирующие бактерии,  превращающие аммиак и аммонийные соли в нитраты; аэробны, грамотрицательны, подвижны (имеют жгутики); обитают в почве и водоёмах. Выделены и описаны в 1890 русским микробиологом С. Н. Виноградским (их открытие позволило ему создать учение о хемосинтезе). Превращение NH₃ в нитраты — нитрификация — осуществляется в две стадии. Сначала нитритные бактерии (Nitrosomonas) окисляют NH₃ до нитрита:   .

     Во  второй стадии нитратные бактерии (Nitrobacter) окисляют нитрит до нитрата:   .

     Таким образом, между этими двумя группами существуют метабиотические отношения: бактерии, окисляющие NH₃, обеспечивают субстратом бактерий, окисляющих нитрит.

     Итак, изучив данный вопрос, мы выяснили, что  движение азота представляет собой отличительный от круговорота других биогенов процесс, так как включает в себя газообразную и минеральную фазу. Круговорот азота охватывает все области биосферы. Хотя его запасы практически неисчерпаемы, однако высшие растения могут усваивать азот лишь после того, как он образует легкорастворимые соли с водородом и кислородом. Так же, что круговорот азота в природе складывается из трёх основных процессов (фиксация азота атмосферы, нитрификация и денитрификация / гниение). Так же мы рассмотрели понятия аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий. 

     6 Очистка промышленных выбросов от паров и газов.

     В настоящее время с ростом и  бурным развитием промышленности большое  внимание уделяется ее экологической  обоснованности, а именно проблеме очистке и утилизации отходов. газообразные и парообразные вещества, содержащиеся в промышленных газовых выхлопах, очень многочисленна Газы в промышленности обычно загрязнены вредными примесями, поэтому очистка широко применяется на заводах и предприятиях для технологических и санитарных (экологических) целей. Промышленные способы очистки газовых выбросов от газо- и парообразных токсичных примесей можно разделить на три основные группы:

1. Абсорбция жидкостями;
2. Адсорбция твердыми поглотителями;
3. Каталитическая очистка.

     В меньших масштабах применяются термические методы сжигания (или дожигания) горючих загрязнений, способ химического взаимодействия примесей с сухими поглотителями и окисление примесей озоном[2, c. 163].

     Абсорбция жидкостями применяется в промышленности для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (НСl, HF, H₂SO₄), диоксида и оксида углерода, разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители и др.).

     Абсорбционные методы служат для технологической  и санитарной очистки газов. Они основаны на избирательной растворимости газо- и парообразных примесей в жидкости (физическая абсорбция) или на избирательном извлечении примесей химическими реакциями с активным компонентом поглотителя (хемосорбция). Абсорбционная очистка –непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки. При физической абсорбции (и в некоторых хемосорбционных процессах) регенерацию абсорбента проводят нагреванием и снижением давления, в результате чего происходит десорбция поглощенной газовой примеси и ее концентрированно. Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальностью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов. Недостаток этого метода в том, что насадочные скрубберы, барботажные и даже пенные аппараты обеспечивают достаточно высокую степень извлечения вредных примесей (до ПДК) и полную регенерацию поглотителей только при большом числе ступеней очистки. Поэтому технологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и очистные реакторы (особенно скрубберы) имеют большие объемы.

     Адсорбционные методы применяют для различных  технологических целей — разделение парогазовых смесей на компоненты с выделением фракций, осушка газов и для санитарной очистки газовых выхлопов. В последнее время адсорбционные методы выходят на первый план как надежное средство защиты атмосферы от токсичных газообразных веществ, обеспечивающее возможность концентрирования и утилизации этих веществ.

     Адсорбционные методы основаны на избирательном извлечении из парогазовой смеси определенных компонентов при помощи адсорбентов — твердых высокопористых материалов, обладающих развитой удельной поверхностью S_уд (S_уд — отношение поверхности к массе, м²/г). Промышленные адсорбенты, чаще всего применяемые в газоочистке, — это активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита). Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов:

1. Глубокая очистка газов от токсичных примесей;
2. Сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство; таким образом осуществляется принцип безотходной технологии.

     Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсических примесей (органических соединений, паров ртути и др.), содержащихся в малых концентрациях, т. е. как завершающий этап санитарной очистки отходящих газов.

     Недостатки  большинства адсорбционных установок — периодичность процесса и связанная с этим малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации адсорбентов.

     Каталитические  методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых  катализаторов, т. е. на закономерностях гетерогенного катализа. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствий: которых допустимо в выхлопном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами).

     Недостаток многих процессов каталитической очистки — образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами (абсорбция, адсорбция), что усложняет установку и снижает общий экономический эффект.