Экология – важнейшая фундаментальная наука ХХI века

Условия ОС, оптимальные  для жизни и деятельности человека, находятся в определенных, относительно узких пределах. Как правило, существуют верхняя и нижняя критические  границы параметров окружающей среды  человека, достижение которых угрожает наступлению необратимых сдвигов в биологической системе и в ее отдельных звеньях. Кислород, углерод, водород, азот, фосфор и сера - играют важнейшую роль в формировании живых организмов: они входят в состав белков и нуклеиновых кислот и являются основой жизни на Земле. Важнейшими продуктами для автотрофных и гетеротрофных организмов являются воздух и вода.

Разрушение и загрязнение  почв. Антропогенные загрязнения, попавшие в тело почвы, накапливаются, эффекты  суммируются. Цепная реакция последствий загрязнения связана с его влиянием на растительность, состояние атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, а по этим цепям - на здоровье человека.

Парниковый  эффект.

Если бы в состав атмосферы  не входили СО и другие оптические активные газы (СН, озон и др.), то климат нашей планеты был бы холодный и суровый. Присутствие этих газов необходимо для развития жизни на Земле. Хотя СО в атмосфере составляет сотые доли %, но он существенно влияет на тепловой баланс Земли, сильно поглощая ее инфракрасное излучение. В последние десятилетия концентрация СО в атмосфере возрастает на 0,4% в год, метана на 1-1,5% в год. В 1990 г. концентрация СО впервые превысила отметку 350 частей на миллион. К середине 21 века вследствие термического расширения морской воды и таяние ледников поднимается на 0,3-1,5 м. Таким образом по сравнению с современной (0,001 м/год) скорость поднятия моря может увеличиться в 2-25 раз. Самый надежный способ против Парникового эффекта - это восстанавливать и разводить леса и не загрязнять мировой океан.

Эффект пустыни.

Повышение концентрации СО в при почвенном слое атмосферы  вызывает еще три коварных следствия - массовое уничтожение всего живого в почвенном покрове, что ухудшит  его плодородие;- ухудшение состояния  человека и домашних животных, вызванное кислотным голоданием; - эффект пустыни.

Аэрозольный эффект.

Оптика атмосферы определяется в основном присутствием в воздухе  аэрозолей. Оценка содержания твердых частиц в атмосфере за последние 2-а десятилетия показала их рост примерно на 50%. Предполагают, что дальнейшее увеличение содержания твердых частиц еще на 50% может привести , вследствие отражения солнечного света, к снижению средней температуры приземного слоя атмосферы на 0,5-1% С с соответствующими последствиями.

Нарушение озонового слоя.

Все живое на Земле  может существовать только потому, что атмосфера задерживает большую  часть губительного ультрафиолетового  излучения Солнца. Один атом CL может разрушить в среднем тысячи молекул озона, а один атом Br - десятки тысяч. Следует учитывать, что атомы Cl и Br могут оставаться в стратосфере много лет, т. е. накапливаются.

Атмосферный перенос.

Оксиды серы и азота  в процессе химических реакций в  атмосфере (при каталитическом воздействии  аэрозолей, содержащих частицы тяжелых  металлов) образуют кислоты, которые выпадают на поверхность земли вместе с дождевыми осадками. С экологических позиций загрязнение можно сформулировать еще и так - это комплекс помех в экосистемах, воздействующий на потоки энергии и информации в пищевых цепях. Эти помехи часто превышают нормы реакции, эволюционно выработанные на уровне популяций, поэтому отличие естественных помех от антропогенных в том, что первые ведут к отбору, а вторые - к массовой гибели.

5. Определение понятия жизнь.

Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел. Академик А.А. Ляпунов считает, что управление, понимаемое в широком, кибернетическим смысле, является самым характерным свойством жизни безотносительно к ее конкретным формам. Он характеризирует жизнь как высокоустойчивое состояние вещества, использующие для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состоянием отдельных молекул. Расчленение живой материи на клетки, органы, организмы, популяции, виды и т. д.

Согласно Сванте Аррениусу, частицы живого вещества - споры  или бактерии, осевшие на малых  пылинках, силой светового давления переносятся с одной планеты  на другую, сохраняя свою жизнеспособность. Если на какой-нибудь планете условия оказываются подходящими, попавшие туда споры прорастают и дают начало эволюции жизни на ней. Академик А.И. Опарин считал, что возникновение жизни на Земле следует рассматривать как закономерный процесс эволюции соединений углерода. Органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле при формировании ее как планетарного тела. Абиогенное образование простейших углеродов - первая стадия в развитии органической материи. Для возникновения и развития жизни на Земле необходимы были наличие определенных химических веществ, источника энергии, отсутствие газообразного кислорода и неограниченно длительное время. (Кемп, Армс, 1988). Следовательно, вопрос о происхождении жизни сводится к тому, как возникла столь универсальная система биохимических превращений и в каких реальных условиях были возможны появления, начальные этапы развития и исключительного разнообразия живой материи.

Особое внимание следует обратить на движущие силы химической эволюции, а именно - на источники энергии для химических синтезов в примитивной атмосфере Земли. Основным источником, как и теперь, было Солнце, спектральный состав, излучение которого не изменился. Первые циклы, возможно, имели такую структуру: Водород + СО+Азот + вода органические соединения.

Описывая исходные условия возникновения  жизни, следует особо отметить, что  не менее важным условием оказалось  и отсутствие кислорода в первичной  атмосфере нашей планеты. Только в атмосфере, лишенной этого жизненно важного компонента, возможны абиогенные образования соединений углерода и их стабильное существование или более медленное разрушение, чем их синтез. Итак, для появления и развития жизни на Земле, как отличалось раннее, необходимы были: наличие определенных химических веществ источник энергии, отсутствие газообразного кислорода и неограниченно длительное время. Кроме того, для появления жизни на Земле нужны были такие некоторые космические и планетарные условия. Одно из таких условий - размер планеты. Масса ее не должна быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ могла привести к перегреву планеты. Маленькие планеты не способны удерживать около себя атмосферу, потому что сила их гравитационного поля притяжения невелика. Второе, не менее значимое условие - движение планеты вокруг звезды по круговой или близкой к круговой, орбите, позволяющее постоянно и равномерно получать необходимое количество энергии.

Наконец, третье условие  для развития материи и возникновения живых организмов - постоянная интенсивность излучения светила.

Итак, примерно 4,5 млрд. лет  назад на Земле создались космические, планетарные и химические условия  для развития материи в направлении  возникновения жизни. На первых этапах своего формирования Земля имела  высокую температуру. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (вода, сера, и т. д.) и поэтому носила восстановительный характер. По мнению академика А. И. Опарина, это служило важной предпосылкой возникновения органических молекул не биологическим путем. Астрономы обнаружили метан в составе атмосферы Юпитера, Сатурна и во многих туманностях Вселенной.

В 1953 г. Американский учений Л.С. Миллер экспериментально доказал возможность таких превращений: пропуская энергетический разряд через смесь HHO CH NH, он получил набор из нескольких аминокислот и органических кислот.

Связь белковых молекул  и нуклеиновых кислот, в конце  концов, привела к возникновению  генетического кода, то ест кой  организации молекул ДНК, в которой  последовательность нуклеотидов стала  служить информацией для построения конкретной последовательности аминокислот в белках. Первые живые организмы были гетеротрофами, то есть использовали в качестве энергии (ниши) готовые органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана. Следующим шагом эволюции было приобретение фотосинтезирующими организмами способности использовать воду в качестве источника водорода. Первыми фотосинтезирующими организмами, выделяющими в атмосферу кислород, были цианы бактерии. Процесс фотосинтеза протекает следующим образом. Фотон солнечного света взаимодействует с молекулой хлорофилла, в результате чего высвобождается электрон одного из ее атомов.

Во-вторых, в присутствии свободного кислорода возникла возможность  появления энергетически более  выгодного кислородного типа обмена веществ, то есть аэробных бактерий. Возникновение жизни на Земле носит закономерный характер, а ее появление связано с длительным процессом химической эволюции происходившей на нашей планете. Следовательно, клетка является единицей строения всех живых организмов вне зависимости от уровня их организации. Совершенствование взаимодействия между клетками сначала контактного, а затем опосредованного с помощью нервной и эндокринной систем, обеспечило существование многоклеточного организма как единого целого со сложным и тонким взаимодействием его частей и соответствующим реагированием на окружающую среду. Эволюция биосферы земли закончилась образованием современных материков и океанов. На земле появились листопадные и широколиственные леса, теплокровные, живородящие млекопитающие, менее зависящие от изменяющейся окружающей среды, костные рыбы, многие виды птиц и животных, в том числе обезьян.

6. Энергетический баланс Земли и круговороты веществ в природе.

Итак, солнце - главный источник энергии для поверхности Земли. Благодаря парниковому эффекту поверхность земли получает около 300(кДж/смгод) рациональной энергии, часть которой - 250(кДж/смгод)- идет на испарение воды, а часть - 50(кДж/смгод) - возвращается в атмосферу через турбулентные потоки воздуха. Основной передатчик тепла между космосом и Землей - атмосфера - получает от Земли «свои» 250кДж (см) за счет конденсации водяных паров, упомянутые 50 кДж (см) - за счет турбулизации приземного слоя атмосферы и непосредственно от радиации Солнца - 250кДж (см). Итог: приход энергии в атмосферу равен 550кДж (см). И соответственно расход тепла через эффективное излучение - той же величине - 550кДж (см). Вместе с результирующими 150 кДж (см) длинноволнового излучения от земной подстилки мы получим расход в целом - 700 кДж (см), в точности равный приходу энергии с потоком солнечной радиации.

В целом гидросфера работает под влиянием накачки солнечной  энергии как гигантская тепловая машина. «Чистая» энергия движения, перемещения воздушных и водных масс, т.е. та часть, которая может совершать нужную нам работу, оказывается совсем небольшой: для атмосферы - всего 1,6% от поглощаемого солнечного тепла, а для океано-сферы - еще на пару порядков ниже. Конечно, одна из наиболее серьезных энергетических затрат - это затраты на физический круговорот воды, прежде всего, на испарение. Около 55% - таков расход энергии, дошедший до земной поверхности, на испарение. Но достаточно ли минеральных ресурсов для обеспечения будущего человечества? Достаточно ли они доступны для эксплуатации? Ответы на эти вопросы весьма противоречивы и неоднозначны. Известно, что минеральные ресурсы размещены крайне неравномерно. Некоторые виды сырья, такие как, например нефть, четко ограничены, и совершенно очевидно, что мы не можем рассчитывать на сохранение прежних темпов их добычи даже в первой четверти следующего столетия.

Циклы воды и воздуха. Наиболее существенный круговорот веществ  на нашей планете раскручивается не сам по себе, а потому, что это  непрерывно заставляют это делать потоки энергии, главным образом, солнечной. Наиболее важным для энергетического подхода и для методологии в целом является вопрос о движущих силах круговорота.

Геобиохимические циклы. На земной поверхности под влиянием потока солнечной энергии происходит выветривание горных пород, их разрушение. В результате такой эрозии в течении года ветрами, реками, ледниками уносится до 10Т твердого и растворимого вещества.

Горючие ископаемые.

Самые древние месторождения  угля известны в Канадской Арктике; их возраст 350 млн. лет. Важнейший период углеобразования в истории земли находится в интервале 350-250 млн. лет назад. Угленосные отложения, формировавшиеся в стомиллионный промежуток времени, обнаружены на всех континентах, но самые большие толщи отлагаются в Северной Америке, Европе и Азии.

Геологи полагают, что  большая часть главных угольных бассейнов уже открыта, мировые  запасы всех видов угля оценены в 8620 млрд. т, а дополнительные потенциальные  ресурсы в 6650 млрд. т. Большая часть извлекаемых запасов приходится на Северную Америку, Европу и Азию. Континенты Южного полушария сравнительно бедны углем. Примерно 43% угля мира лежат в странах СНГ, бывшем СССР 29% - в Северной Америке, 14.5% - в странах Азии, главным образом в Китае, 5,5% - в Европе.

Нефть и природный газ.

Во-первых, ресурсы нефти  и газа (можно вывести), так же как и угля, распространены по всей земной коре неравномерно. Во-вторых, регионы, которые сейчас являются главными производителями газа и нефти, обладают и наибольшим потенциалом для новых открытий. В-третьих, при сохранении существующей скорости роста потребления все ресурсы нефти и газа могут иссякнуть через несколько десятилетий.

Запасы чистой воды.

Чистая вода становится критическим ресурсом и в ближайшем  будущем может определить верхний предел экономического и социально - экологического развития ряда стран и человечества в целом. Для нормальной жизнедеятельности организма человека требуется, по крайней мере, 1,4 л воды в день. Наше тело почти на 70% состоит из воды. Почвам необходима вода для поддержания жизни растений. Без гидросферы не было бы жизни на Земле. Вода быстро была бы израсходована, если бы ни циклический круговорот ее в природе. Итак, атмосферные осадки, речные потоки и подземные воды относятся к категории запасов, а океаны и полярные ледники - к потенциальным ресурсам, но использование как тех, так и других весьма проблематично. Морская вода должна быть обессолена, а полярный лед, хотя и представляет собой пресную воду, должен быть каким то образом доставлен к местам потребления. Уже действуют многие заводы по обессоливанию морской воды, работающие на принципах дистилляции, однако затраты на их строительство и необходимые энергетические мощности делают обессоленную воду очень дорогой, по меньшей мере в 10 раз дороже стоимости воды из самых дорогих резервуарных систем. Использование же полярного льда пока еще не испытано.